新疆黑山露天煤礦采掘場北幫邊坡失穩(wěn)模式研究

梁全青 殷秀文 劉尚各

摘要：黑山露天煤礦采掘場北幫邊坡為順向坡，且含有軟弱層，局部穩(wěn)定性較差，部分臺階邊坡產(chǎn)生了數(shù)十厘米的裂縫，局部發(fā)生了臺階滑坡。通過對邊坡發(fā)生滑動時的臨界參數(shù)進行反分析，對黑山煤礦采掘場北幫邊坡的潛在失穩(wěn)模式開展了研究，為邊坡穩(wěn)定性評價以及處治方案設計提供依據(jù)，結(jié)果表明：當邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，邊坡最易發(fā)生單一臺階局部失穩(wěn);當潛在滑動模式為平面滑動時，邊坡最易發(fā)生整體臺階失穩(wěn);邊坡發(fā)生圓弧滑動的可能性較小，最可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

關(guān)鍵字：露天煤礦 軟弱層 邊坡穩(wěn)定性 失穩(wěn)模式

一、引言

黑山露天煤礦位于新疆托克遜縣西北約90公里處，北距烏魯木齊市約65公里，東距南疆鐵路魚兒溝車站約55公里。采掘場南北傾向?qū)挾?435～2070 m，東西走向長度1372～1958 m，采掘深度225 m。工作面布置采用“L”型推進方式，南幫、西幫為工作幫，北幫為固定幫。北幫邊坡高度為100 m，臺階高度按10 m設置，幫坡角為15°。礦區(qū)采掘場開挖揭露以石炭系、侏羅系以及第四系等地層為主，主要為粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖以及炭質(zhì)泥巖等。大多數(shù)巖塊表現(xiàn)出錘擊聲不清脆，無回彈，有凹痕，易擊碎等特點。部分巖塊表現(xiàn)出較強的遇水崩解特性[1-2]。

黑山煤礦采掘場各坡面主要為層狀結(jié)構(gòu)邊坡，其穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其空間組合關(guān)系，尤其是順向邊坡易通過賦存的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移[3-5]（如圖1）。

根據(jù)地勘報告可知，黑山露天礦內(nèi)的地層呈向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀走向約95°，傾角13°～25°。北幫邊坡為順向坡，且沿軟弱層發(fā)生過區(qū)域性滑坡，滑動面主要為一層厚80～100 cm的紅褐色黏性土（如圖2），遇水軟化、泥化現(xiàn)象明顯，抗剪強度急劇降低。

滑坡發(fā)生之后，對北幫邊坡軟弱層以上巖土體進行了清理，北幫邊坡整體穩(wěn)定性有了顯著提高。由于采掘場向西開挖過程中，北幫局部邊坡尤其是西北部邊坡，局部穩(wěn)定性較差，部分臺階邊坡產(chǎn)生了數(shù)十厘米的裂縫，局部發(fā)生了臺階滑坡（如圖3）。

對邊坡的變形失穩(wěn)機制進行分析，找到影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對邊坡失穩(wěn)作出正確的評價，進而提出合理的防治措施，保證邊坡的穩(wěn)定性，是露天煤礦安全開采的關(guān)鍵。因此，有必要對黑山煤礦采掘場北幫邊坡的潛在失穩(wěn)模式開展研究，為安全評價與處治方案設計提供依據(jù)。

二、計算模型與參數(shù)

黑山煤礦北幫存在滑坡風險的區(qū)域由五個臺階構(gòu)成，邊坡整體滑動危險性大于單一臺階的坡面滑動。對該區(qū)域的滑坡穩(wěn)定性進行參數(shù)敏感性分析，可以反算出滑坡在臨滑狀態(tài)時巖土體的力學參數(shù)，對滑坡穩(wěn)定性評價起著重要的參考作用[6，7]。

北幫軟弱層存在區(qū)域的邊坡可能發(fā)生的潛在滑動模式有兩種，一是沿圓弧面滑動，二是沿軟弱層發(fā)生平面滑動。選取典型剖面，根據(jù)兩種潛在滑動模式建立二維地質(zhì)概化模型，如圖4所示。本次計算采用Slide軟件進行極限平衡法計算。可以適用于巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，并且可以計算圓弧或任意形狀的滑動面穩(wěn)定系數(shù)。

對軟弱層滑帶土進行了現(xiàn)場取樣，并分別采用直剪、反復剪和環(huán)剪試驗對滑帶土的物理力學性質(zhì)進行了研究，為邊坡穩(wěn)定性評價提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。通過直剪和反復剪試驗，滑帶土的黏聚力為18.47 KPa，內(nèi)摩擦角為22.53°;殘余黏聚力為29.7 KPa，內(nèi)摩擦角為13.42°。通過環(huán)剪試驗，滑帶土黏聚力為48.09 KPa，內(nèi)摩擦角為23.02°;殘余黏聚力為29.45 KPa，殘余內(nèi)摩擦角為10.78°。

三、計算結(jié)果與分析

（一）圓弧滑動模式

根據(jù)黑山煤礦采掘場北幫巖體的原始力學參數(shù)，對影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角和摩擦系數(shù)進行等比例折減。通過試算在不同折減參數(shù)情況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，獲得在穩(wěn)定系數(shù)為1時，對應的邊坡巖體的力學參數(shù)。當邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，假設邊坡為均質(zhì)粗砂巖，通過不斷折減粗砂巖的黏聚力和摩擦系數(shù)，獲得邊坡發(fā)生臨界滑動時的粗砂巖力學參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系，如表1所示。

黑山煤礦北幫邊坡在原始巖體參數(shù)和臨界滑動狀態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)為0.999）時的單一臺階和整體臺階穩(wěn)定系數(shù)分別如圖5、圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，單一臺階的穩(wěn)定系數(shù)最小，整體穩(wěn)定系數(shù)次之。因此，在圓弧滑動模式下，邊坡最易發(fā)生單一臺階局部失穩(wěn)。

對表1中的數(shù)據(jù)進行整理，得到邊坡巖體力學參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系如圖7、圖8所示。結(jié)果顯示，要使單一臺階邊坡處于臨界滑動狀態(tài)，粗砂巖的黏聚力為33.6KPa，內(nèi)摩擦角為14.13°。可見，北幫邊坡發(fā)生臨界滑動時對應的力學參數(shù)與邊坡原始力學參數(shù)差距較大，因此黑山煤礦北幫邊坡在均一的粗砂巖中發(fā)生圓弧滑動的可能性較小。

（二）平面滑動模式

當黑山煤礦北幫邊坡潛在滑動模式為平面滑動時，假設邊坡為均質(zhì)粗砂巖夾軟弱層，通過不斷折減軟弱層的黏聚力、內(nèi)摩擦角和摩擦系數(shù)，獲得邊坡發(fā)生臨界滑動時軟弱層的力學參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)之間的變化關(guān)系，如表2所示。

黑山煤礦北幫邊坡在原始軟弱層力學參數(shù)和臨界滑動狀態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)為0.999）時的單一臺階和整體臺階穩(wěn)定系數(shù)如圖9、圖10所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，整體臺階的穩(wěn)定系數(shù)比單一臺階的穩(wěn)定系數(shù)要小。因此，在平面滑動模式下，北幫邊坡最易發(fā)生整體臺階失穩(wěn)。

將表2中的數(shù)據(jù)進行整理，得到軟弱層力學參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系如圖11、圖12所示。結(jié)果顯示，要使整體臺階邊坡處于臨界滑動狀態(tài)，軟弱層的黏聚力為17 KPa，內(nèi)摩擦角為9.1°。根據(jù)軟弱層的環(huán)剪試驗數(shù)據(jù)，軟弱層的殘余黏聚力29.45KPa，殘余內(nèi)摩擦角為10.78°?？梢姡鶕?jù)極限平衡法開展穩(wěn)定系數(shù)反分析所得的軟弱層力學參數(shù)與室內(nèi)試驗測得的力學參數(shù)差別不大。因此，北幫斷層影響區(qū)域可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

由于北幫軟弱層力學強度較低，且軟弱層為順傾向發(fā)育，當弱層下部的巖層被開挖形成臨空面后，受到弱層上覆巖體的自重作用以及臨空面?zhèn)燃s束消失的雙重影響，可能在弱層與臨空面交匯處形成剪出口，帶動弱層上覆滑體的后緣形成張裂面，從而產(chǎn)生沿北幫軟弱層作為底滑面的滑動破壞。

四、結(jié)論

當采掘場北幫邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，邊坡最易發(fā)生單一臺階局部失穩(wěn)。

粗砂巖的黏聚力為33.6 KPa，內(nèi)摩擦角為14.13°，與邊坡發(fā)生臨界滑動狀態(tài)時對應的力學參數(shù)差距較大。因此，北幫邊坡發(fā)生圓弧滑動的可能性較小。

當采掘場北幫邊坡潛在滑動模式為平面滑動時，邊坡最易發(fā)生整體臺階失穩(wěn)。

軟弱層的殘余黏聚力為29.45 KPa，殘余內(nèi)摩擦角為10.78°，發(fā)生臨界滑動時的黏聚力為17 KPa，內(nèi)摩擦角為9.1°。根據(jù)反分析所得的軟弱層力學參數(shù)與室內(nèi)試驗測得的力學參數(shù)差別不大。因此，北幫邊坡可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

參考文獻：

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