軟巖邊坡露天煤礦弱層深度敏感度研究

趙貴彬，封海洋，韓 猛，梁 也，陳亞飛

（1.內蒙古大雁礦業(yè)集團有限責任公司 扎尼河露天礦，內蒙古 呼倫貝爾021122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

露天煤礦邊坡是露天煤礦的一個重要組成部分，其穩(wěn)定性直接影響礦山人員和設備的安全以及采礦進度，也影響到礦山開采方案、投資規(guī)模、經濟效益以及服務年限等諸多問題[1-3]。邊坡失穩(wěn)是露天煤礦常見的安全問題，失穩(wěn)后往往會對露天煤礦生產、安全造成影響，嚴重時甚至會導致露天煤礦的停產，而露天煤礦邊坡巖體中存在弱層往往會加劇邊坡滑坡的風險，對邊坡穩(wěn)定性極其不利。

弱層泛指影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定巖體中的軟弱夾層及軟弱巖層，其普遍存在于露天煤礦邊坡的巖體中，弱層的蠕動變形常常引起邊坡的變形、失穩(wěn)，大量的軟弱夾層（簡稱弱層）蠕動變形實驗證明，弱層抗剪強度是隨著剪應力作用時間的延長而降低。許多滑坡災害發(fā)生之前，大多都經歷一定時間后發(fā)生失穩(wěn)破壞，特別是受弱層強度蠕動過程降低控制的邊坡失穩(wěn)破壞更是如此，因此弱層的蠕變對邊坡穩(wěn)定性有著顯著的影響[4-6]。目前只知道弱層的存在對軟巖邊坡穩(wěn)定性存在一定的影響，但若基巖中含有弱層，弱層存在深度與軟巖邊坡穩(wěn)定性的關系有待研究。為此，以內蒙古某軟巖邊坡露天煤礦為研究背景，在工程地質條件及巖土物理力學性質研究的基礎上，采用極限平衡法對弱層存在深度與軟巖邊坡的穩(wěn)定性影響關系進行研究，依據(jù)研究成果提出了弱層勘查方案及地下巖移監(jiān)測方案。

1研究區(qū)概況

地層自下而上主要有泥盆系上統(tǒng)大民山組（D3d）、白堊系下統(tǒng)龍江組（K1l）、白堊系下統(tǒng)九峰山組（K1j）、白堊系下統(tǒng)甘河組（K1g）、白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）、白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1y）及第四系（Q）。礦區(qū)地下水充沛且降雨較多，工程地質及水文地質條件較差，巖土物理力學指標低，屬于軟巖邊坡。9 煤和10 煤本礦可采煤層，煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖。其中第四系黏土層、9煤層及10 煤層頂?shù)装迥鄮r均存在潛在弱層。此次弱層深度敏感度研究主要針對該礦東幫進行，該礦東幫為內排區(qū)域，且上部外該礦的外排土場，其地層自上而下分別為，第四系、黏土層、9 煤、10 煤及泥巖，其中9 煤底板及10 煤頂?shù)装宥即嬖谀鄮r弱層，東幫典型地質模型如圖1。

圖1 東幫典型地質模型Fig.1 Typical geological model of east side

2 工程地質模型及巖土物理力學參數(shù)

在該礦東幫建立了2 條典型剖面，并建立各剖面的工程地質簡化模型，2 條剖面工程地質簡化模型如圖2 和圖3。

圖2 剖面1 工程地質簡化模型Fig.2 Engineering geological simplified model of section 1

圖3 剖面2 工程地質簡化模型Fig.3 Engineering geological simplified model of section 2

本次弱層深度敏感度研究的巖土物理力學參數(shù)通過對以往的各個項目的巖土體試驗研究成果進行收集、歸納、分析。采用巖土體工程地質性質類比的方法來確定，未單獨開展研究區(qū)域的巖土物理力學實驗。通過對以往基礎研究成果資料的搜集、整理及分析，經過總結最終確定的本次研究的巖土體物理力學參數(shù)推薦值見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3 弱層深度靈敏度

剖面1 沿9 煤、10 煤底板滑動及沿底板泥巖內部滑動如圖4～圖6。剖面2 沿9 煤、10 煤底板滑動及沿底板泥巖內部滑動如圖7～圖9。

圖4 剖面1 沿9 煤底板滑動Fig.4 Section 1 sliding along the 9th coal floor

圖5 剖面1 沿10 煤底板滑動Fig.5 Section 1 sliding along the 10th coal floor

圖6 剖面1 沿底板泥巖內部滑動Fig.6 Section 1 sliding along the bottom mudstone

圖7 剖面2 沿9 煤底板滑動Fig.7 Section 2 sliding along the 9th coal floor

圖8 剖面2 沿10 煤底板滑動Fig.8 Section 2 sliding along the 10th coal floor

圖9 剖面2 沿底板泥巖內部滑動Fig.9 Section 2 slides along the bottom mudstone

通過對該礦東幫的邊坡穩(wěn)定性評價發(fā)現(xiàn)，沿底板泥巖內部滑動的穩(wěn)定性系數(shù)相對于沿9 煤底板及10 煤底板較小，如剖面1 中沿9 煤底板及10 煤底板滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.136 及1.176，而沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.110；剖面2 中沿9 煤底板及10 煤底板滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.118 和1.179，而沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.107，因為9 煤底板及10 煤底板存在泥巖弱層，因此考慮如果在底板泥巖中含有弱層，其對邊坡穩(wěn)定性的影響較之于9 煤及10 煤底板的影響更大。

針對沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于沿9 煤底板及10 煤底板的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的情況，使用極限平衡法對弱層深度敏感度與軟巖邊坡穩(wěn)定性的關系進行研究。

極限平衡法又稱條分法，是進行邊坡穩(wěn)定性評價的常用軟件，主要具有計算模型簡單易懂、計算參數(shù)相對固定、計算結果物理意義明確等特點。其主要思想為假設存在潛在的滑動破壞面，并將滑體劃分為若干條塊，通過對每個條塊建立靜力平衡方程來建立整個滑體的平衡方程，并將潛在滑面上的抗剪力與剪切力之比作為潛在滑體的穩(wěn)定性系數(shù)。隨著極限平衡法的發(fā)展，出現(xiàn)了很多更為簡化的方法，例如Bishop 法、Ordinary 法、Janbu 法、Spencer 法、Morgenstern-price 法、Sarma 法、不平衡推力法及傳遞系數(shù)法等[7-8]。針對本次研究，選擇用Morgenstern-price法來計算不同深度的泥巖弱層對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[9]，該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件來消除計算方法的誤差，使得計算結果更加精確。

剖面1 沿第3、第4、第5 弱層滑動如圖10～圖12。剖面2 沿第3、第4、第5 弱層滑動如圖13～圖15。

圖10 剖面1 沿第3 弱層滑動Fig.10 Section 1 sliding along the 3rd weak layer

圖11 剖面1 沿第4 弱層滑動Fig.11 Section 1 sliding along the 4th weak layer

圖12 剖面1 沿第5 弱層滑動Fig.12 Section 1 sliding along the 5th weak layer

圖13 剖面2 沿第3 弱層滑動Fig.13 Section 2 sliding along the 3rd weak layer

對第1～第6 弱層深度與其對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行統(tǒng)計，弱層位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關系統(tǒng)計表表2。

圖14 剖面2 沿第4 弱層滑動Fig.14 Section 2 sliding along the 4th weak layer

圖15 剖面2 沿第5 弱層滑動Fig.15 Section 2 sliding along the 5th weak layer

表2 弱層位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關系統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of relationship between weaklayer position and slope stability coefficient

從表2 可以得出，隨著弱層深度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在隨之減小，當弱層位于10 煤底板以下20 m 處時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低到極限值，然后隨著弱層深度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)又逐漸增大，其函數(shù)關系呈現(xiàn)出來的是1 條先下降到達最低點然后再上升的曲線，由此可以得到，如果10 煤底板以下存在有弱層，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并不是隨著弱層的深度增加一直遞減，而是遞減到一定程度又隨著弱層深度的增加出現(xiàn)遞增，當該弱層位于10 煤底板以下20 m 處時，對邊坡穩(wěn)定性影響最大。

4 弱層勘查及地下巖移監(jiān)測

4.1 弱層勘查

通過分析得知如果該礦10 煤底板下方20 m 處存在泥巖弱層時，對邊坡穩(wěn)定性影響最大。而該露天礦在后期的開采過程中將會對下部9 煤及10 煤進行開采，并對內排區(qū)域進行內排增高擴容，因此會加劇滑坡的風險，為避免露天煤礦在后期開采中邊坡由該層位滑動對露天煤礦生產及安全造成影響，因此需要對弱層位置進行勘查，查明該位置是否存在弱層，如若有弱層，查明該位置弱層的性質及厚度。

根據(jù)該礦內排土場原有地質勘查資料及鉆孔布置位置資料并結合地質調查，依據(jù)DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地質勘察規(guī)范》、MT/T 1042—2007《煤炭地質勘查鉆孔質量標準》、GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》及《露天礦邊坡工程地質勘察規(guī)范》等國家相關規(guī)程、規(guī)范要求，在東幫下部垂直于東幫方向自北向南共布置3 條勘探線，勘探線1與勘探線2 間距約237 m，勘探線2 與勘探線3 間距約320 m，每條勘探線共布置2 個鉆孔，共布置6個鉆孔，根據(jù)弱層深度敏感度研究結果終孔位置需跨越弱層最大影響區(qū)域，最終確定終孔10 煤底板下30 m，用以查明10 煤底板下的工程地質條件，并查明弱層分布情況。

4.2 地下巖移監(jiān)測

地下巖移監(jiān)測是指通過儀器測量的方式，對地下巖體相對于穩(wěn)當?shù)貙拥奈灰扑俣?、位移量以及方向，從而確定移動巖體滑移面與變形變化規(guī)律[10-12]。一般方法是通過工程地質勘探鉆孔來實現(xiàn)，利用工程地質勘探中的鉆孔建立地下位移監(jiān)測孔，弱層勘查孔成孔后，本著“一孔多用，相互驗證”的原則，在鉆孔中下入地下巖移監(jiān)測系統(tǒng)，用于地下巖移監(jiān)測，因該礦東幫區(qū)域為內排區(qū)域，隨著后期內排量的增加，東幫位移量會增大，而且隨著內排的增高，此次的成孔可能會被掩埋，因此內排土場地下位移監(jiān)測是很有必要的，且不可使用固定監(jiān)測裝置對東幫地下巖移進行監(jiān)測，需使用人工監(jiān)測方法對地下巖移進行監(jiān)測，人工地下位移監(jiān)測裝置示意圖如圖16。

圖16 人工地下位移監(jiān)測裝置示意圖Fig 16 Schematic diagram of artificial underground displacement monitoring device

5 結 語

1）采用極限平衡法對弱層深度敏感度進行了分析，得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并不是隨著弱層的深度增加一直遞減，而是遞減到一定程度又隨著弱層深度的增加出現(xiàn)遞增，當該弱層位于10 煤底板以下20 m 處時，對邊坡穩(wěn)定性影響最大。

2）如果10 煤底板以下20 m 處存在弱層，對排土場邊坡穩(wěn)定性影響最大，為了保證在后期開采及內排過程中邊坡的穩(wěn)定，需要對弱層進行勘查及進行地下巖移監(jiān)測，在內排土場下部布置3 條勘探線，共6 個鉆孔用于弱層勘查，終孔位置為10 煤底板下30 m，在成孔后，采用人工地下位移監(jiān)測裝置進行地下位移監(jiān)測。