將軍戈壁二號露天煤礦外排土場軟弱基底坐落－牽移式滑坡機理

萬忠明，朱 濤，甘懷軍，代飛龍

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

露天開采是通過逐層剝離土巖層使埋藏于下部的礦床出露的一種方式，將礦床上部土巖石剝離物就近排入采場周圍空地形成外排土場，隨著采場內(nèi)礦石的逐步采出，形成閑置空間時外排轉入內(nèi)排[1]。當露天礦完全實現(xiàn)內(nèi)排時，外排土場的作用基本結束，由露天開采形成的外排土場作為最終堆砌場所長期存在，使原地表地形發(fā)生改變[2-3]。外排土場的容納空間及尺寸與露天礦生產(chǎn)能力、礦床地質地形、外排土場位置等有關，外排土場一旦形成后將作為最終產(chǎn)物長期存在，保證外排土場的穩(wěn)定對周邊構筑物安全及環(huán)境安全具有重要意義[4-5]。

露天開采的順序是從上至下，而排土場的形成是由下至上，其堆砌的物料特性與地層的賦存特征相反，排土場軟弱基底層失穩(wěn)變形是造成外排土場失穩(wěn)的重要因素[6-7]。根據(jù)現(xiàn)場對新疆天池能源有限責任公司將軍戈壁二號露天煤礦外排土場地基結構探勘可知，其持力層自上而下分別為第四系黃土、粉質黏土層、粉砂質泥巖層及底部礫巖層。在排棄物重力壓縮、水的軟化及長期的凍融循環(huán)作用過程中，第四系黃土、粉質黏土層及粉砂質泥巖層的物料力學指標持續(xù)劣化，逐漸演變成排土場基底最危險、最不利的軟弱地層。而對于排土場而言，物料松散，形成過程并不是靜態(tài)的，均勻加載的過程。因此，排土場物料自身的密實性與固結性，物料的塊度是否均勻等都導致了排土場下的基底工程的復雜多變性。因此，排土場底部軟弱地層的位置、厚度及其弱化程度是排土場邊坡最主要的致滑因素[8]。

1 排土場變形破壞模式

當露天礦采用高強度的快速排棄時，使得基底黏土層內(nèi)的孔隙壓力還未能及時的消散，勢必導致土體內(nèi)介質顆粒間的應力傳遞方式發(fā)生改變，從而引起土體強度降低。尤其是在滑體重力的控制區(qū)，由于受到不間斷的排棄物料的荷載作用，容易造成基底軟弱帶的承載能力不足，并發(fā)生剪切滑移式破壞，而作用在中間部分的緩沖變形區(qū)域，由于抗剪能力較低，受上部巖體的推移作用，抗滑力小于致滑力，較大的重力勢能轉化為巖體的運動動能，一瀉而下，瞬間形成滑坡，沿著臺階前緣隆起沖出，釋放出去[9]。結合將軍戈壁二號露天煤礦排土場基底和排棄物料性質，加上對排土場內(nèi)結構面的統(tǒng)計可以預計，在排土場的形成過程及成形之后，容易發(fā)生的變形破壞模式為：松散物料型滑坡及軟弱基底型滑坡，其滑坡模式為“坐落-牽移式”滑坡，地基型“坐落-牽移式”滑坡模式簡圖如圖1。

圖1 地基型“坐落-牽移式”滑坡模式簡圖Fig.1 Schematic diagram of ground-type“sitting-andshifting”landslide mode

松散黃土和碎石是露天礦排土場的排棄物料的重要組成，由于受物料松散性影響，排土場具有較大的壓縮沉降量。受到排土場地形及沖溝影響，排土場沉降容易產(chǎn)生不均勻。加上將軍戈壁二號露天煤礦礦雨水多集中在夏季7—8 月份，屬于大陸性干旱氣候，在雨水的沖刷作用下，容易出現(xiàn)沖溝，排土場松散物料沉降過程中在坡體產(chǎn)生溝壑，影響整體穩(wěn)定性。

“坐落-牽移式”滑坡發(fā)育過程大體經(jīng)歷以下6個階段，具體如下：

1）整體壓縮階段。對于排土場而言，不僅僅是排棄的松散物料具有可壓縮性，對于基底的第四系黃土來說，也是屬于一種松軟物質，也可以發(fā)生壓縮沉降變形。

2）裂隙生成階段。由于滑體的下沉作用，首先在排土臺階上部分靠近坡頂?shù)牟课划a(chǎn)生張拉裂縫，并且逐漸貫穿到整個排土臺階內(nèi)部。并且由于排土的松散，非均質性，排土場內(nèi)部也存在著不均勻的裂隙。與此同時，基底的軟弱夾層受力明顯增大。

3）擠壓階段。在上部重力逐漸增大的同時，臺階內(nèi)部的主控裂隙逐漸貫通，并且沿著該裂隙，向過渡段擴張，滑體的前緣收到擠壓后，開始出現(xiàn)隆起，在地面部分尋找形變的突破口。

4）滑移階段。臺階坡底前面由于重力的滑移段對軟弱層擠壓加劇了隆起現(xiàn)象，使得基底處出現(xiàn)“離層”現(xiàn)象，最終在臺階坡底面隆起部分頂端出現(xiàn)裂隙，其以上部巖石本體出現(xiàn)滑移。此時，滑坡帶形成，并未受到嚴重破壞。

5）劇滑階段。由于臺階變形嚴重，致滑力急劇增大，抗滑力急劇減小，滑體在瞬間產(chǎn)生了大范圍的滑移，位于滑坡范圍內(nèi)的物質受到嚴重破壞，然后后續(xù)物質作為補償，將已滑部位填滿。

6）固結階段。在滑坡過程的后期，由于坡底滑體物料堆積，后續(xù)物料的抗滑力逐漸增大，滑體停止向前滑移，整體結構逐漸壓縮變得密實?；逻\動結束。

2 實驗室流變試驗

將軍戈壁二號露天煤礦排土場底部軟弱地層，不間斷地受到排棄物料的荷載以及排棄物料運移動作用，容易造成基底軟弱帶的承載能力不足。且隨著排棄物料逐漸增高，自重應力增大，弱層抗剪能力不足引發(fā)剪切滑移式破壞[10]。因此，在常規(guī)物理力學試驗的基礎，重點測定了該種弱層的長期強度，從應力、應變的時效性出發(fā)，開展了相關的流變試驗。

基底弱層的流變試驗采用固結快剪[11]，其正壓力剪切荷載等級梯度由式（1）確定：

式中:τσi為對應于不同的正應力σi的剪切等級應力，kPa；τi為對應于 σi的固結快剪強度，kPa；K 為常數(shù)，與土巖體物理力學性質有關，通常取K=0.5～0.85；n 為流變實驗線性范圍分級數(shù)，n=4～5。

本次試驗正應力設置為4 個等級，分別為50、100、150、200 kPa，每一級剪應力歷時為 48 h。通過試驗獲得的結果，繪制不同時間的剪應力與剪應變的等時線簇，剪應力應變曲線如圖2。

圖2 應力應變曲線Fig.2 Stress and strain curves

根據(jù)黏土剪應力應變曲線可以看出，應力應變曲線有2 種不同斜率的線段組成。剪應力τ 小于第三屈服值f3時，黏土將產(chǎn)生低速率的緩慢流動，由于所受剪應力強度τ 較低，并未影響?zhàn)ね恋慕Y構，應變速率與剪應力之間基本體現(xiàn)為線性關系，黏土的流動特性可以描述為 τ=τ0+γ·η，其中 τ0為初始剪應力，γ 為不同正應力等級條件下對應的流變率，η 為流動性狀的黏滯系數(shù)，黏滯系數(shù)與流動速率為反比關系 η＝τ/γ。而當剪應力 τ 大于第三屈服值 f3時，黏土層進入塑性流動狀態(tài)并發(fā)生破壞。

3 排土場邊坡穩(wěn)定性

采用摩根斯坦-普瑞斯法對邊坡的穩(wěn)定性進行檢驗。摩根斯坦-普瑞斯法考慮的條件比較充分，能將所有的平衡邊界條件全部考慮進去，以此來降低在計算過程中出現(xiàn)的誤差。露天礦排土場邊坡安全儲備系數(shù)取 1.2。

根據(jù)工程地質、水文地質條件及礦坑分布等情況，在排土場分別選取了K1-1、K2-2 典型計算剖面，其中K1-1 剖面排棄總高度80 m，K2-2 剖面排棄總高度120 m。因排土場東部地質條件較穩(wěn)定，幅員遼闊，且無任何可導致經(jīng)濟損失的因素，所以只針對排土場西側研究。對選取的2 個典型剖面建立數(shù)值計算模型進行排土場邊坡穩(wěn)定性分析，K1-1 邊坡剖面穩(wěn)定性分析（穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1 026）如圖3，K2-2邊坡剖面穩(wěn)定性分析（穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.15）如圖4。

圖3 和圖4 模擬計算結果表明排土場排土高度為80 m 的附加載荷作用下，其邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，滿足安全儲備系數(shù)要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但當排土高度增加到120 m 時，外排土場附加載荷增加，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)下降到1.15，略低于安全儲備系數(shù)要求，可見，隨著物料不斷堆積，對基底擠壓作用力增大，弱層抗剪能力不足引發(fā)剪切滑移式破壞，嚴重影響排土邊坡整體穩(wěn)定性。

圖3 K1-1 邊坡剖面穩(wěn)定性分析（穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1026）Fig.3 K1-1 slope profile stability analysis（stability coefficient Fs=1.26）

圖4 K2-2 邊坡剖面穩(wěn)定性分析（穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.15）Fig.4 K2-2 slope profile stability analysis（stability coefficient Fs=1.15）

從模擬計算結果圖中還可以看出，潛在的滑移面均貫穿排土場內(nèi)部及軟弱基底層，最后從臺階坡底處破底板剪出。第四系黃土及下部粉砂質泥巖層在水的作用下，容易形成弱層，當不間斷地受到排棄物料的荷載以及排棄物料運移作用，引起基底軟弱帶的承載能力下降。當受到的擠壓力大于自身的抗剪強度時，潛滑體前緣發(fā)生隆起剪出，同時由于排土場物料屬于松散堆載體，黏聚力較小，抗壓強度低，潛滑體前緣從坡底剪出后，會對潛滑體后面部分產(chǎn)生張拉牽引力，整體表現(xiàn)為排土場重力擠壓作用下導致軟弱基底剪切破壞引起的整體失穩(wěn)，符合“坐落-牽移式”滑坡特征。

4 結 語

“坐落-牽移式”滑坡主要發(fā)生在地基較軟弱、承載能力不足或有地下水的影響的露天礦外排土場。當排土規(guī)模超過了限制，導致重力急劇增大，大量的重力勢能在瞬間轉變?yōu)榛w動能，抗滑效能失效，靜力平衡破壞，最終導致產(chǎn)生滑坡。潛滑體主要沿著排土場地基軟弱夾層進行滑移，其發(fā)育過程經(jīng)歷整體壓縮階段、裂隙生成階段、擠壓階段、滑移階段、劇滑階段以及固結階段。

通過巖土體常規(guī)力學實驗及流變試驗，獲取巖土體物理力學性質，建立排土場穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬模型，模擬排土場邊坡變形破壞形式，計算分析了排土場邊坡穩(wěn)定性，結果表明，排土高度由80 m增加到120 m 時，安全穩(wěn)定系數(shù)由1.26 降低到1.15，略低于安全儲備系數(shù)。