露天礦逆層高邊坡穩(wěn)定性及滑坡機理分析*

鄧焱，郝喆，尹亮亮 ，滕達 ，吳超君

(1.遼寧大學環(huán)境學院， 遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013；3.自然資源部老礦山地質(zhì)災害治理及生態(tài)修復創(chuàng)新中心， 遼寧 沈陽 110013)

0 引言

阜新海州露天煤礦是世界聞名的大型露天煤礦，也是新中國第一座大型機械化、電氣化露天煤礦。閉坑后礦坑仍存在著滑坡、崩塌、地面沉陷、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災害問題[1]，嚴重威脅著海州露天礦周圍企事業(yè)單位、居民的生命和財產(chǎn)安全。2019年對海州露天礦進行了全面的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，彌補了以往資料的不足，本文依據(jù)最新的調(diào)查數(shù)據(jù)進行了邊坡穩(wěn)定性及滑坡機理分析。

多年來，許多學者對海州露天礦邊坡穩(wěn)定性相關(guān)問題進行了研究。YANG TH等[2]在大量滑坡試驗基礎(chǔ)上，以海州露天礦為例，探討了不同條件下邊坡的穩(wěn)定性及評估和預測方法；HAN Jun等[3]對海州礦進行數(shù)值模擬，劃分了地質(zhì)結(jié)構(gòu)和沉積體系；FENG Meisheng等[4]對海州礦滑坡時間進行了統(tǒng)計分析，研究表明，重力場在一定程度上受潮汐影響，滑坡與潮汐變化存在關(guān)系；LYU Peiyin等[5]用神經(jīng)網(wǎng)絡對海州礦60多次大型滑坡進行分析，進而驗證傳統(tǒng)方法確定的滑坡地帶；白羽等[6]采用FEPG有限元方法分析了殘煤自燃對海州礦邊坡穩(wěn)定性的影響過程；劉向峰等[7]用強度折減法對海州礦部分剖面安全系數(shù)進行了計算，提出了加固措施。

本文針對阜新海州露天礦北幫逆層邊坡，建立三維地質(zhì)力學模型，模擬邊坡變形和應力分布，同時利用極限平衡法分析，計算各剖面安全系數(shù)。三維數(shù)值模擬和極限分析法相結(jié)合，優(yōu)勢互補，避免了單一分析方法的局限性，進一步剖析了逆層高邊坡的滑坡機理，得到更準確的分析結(jié)果，為海州露天礦下一步的治理提供了依據(jù)，可為其它礦坑閉坑治理提供參考。

1 邊坡三維數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立

海州礦南幫巖體總體上屬于逆層露天高邊坡，但在空間上有顯著的不均一性。為此，采用現(xiàn)場測繪DOM和DEM數(shù)據(jù)及地下的井工礦開采資料，繪制出各剖面的邊坡形態(tài)、地層結(jié)構(gòu)和采空區(qū)分布，采用分區(qū)建模的方法通過CAD、ANSYS、FLAC3D結(jié)合進行建模[8]，建立符合實際情況的三維地質(zhì)力學模型來模擬邊坡變形和應力分布特征。針對南幫的3個典型區(qū)域：南幫西部區(qū)（代表剖面EW0）、南幫中部區(qū)（代表剖面E10）和南幫東部區(qū)（代表剖面E20），建立三維地質(zhì)力學模型如圖1所示。

1.2 結(jié)果與分析

數(shù)值模擬的應力及位移云圖見圖2。

圖1 數(shù)值模擬模型

圖2 南幫西、中和東部區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果

分析位移云圖可知：南幫西部崩滑區(qū)的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，這是由于邊坡上部受邊坡角較陡及上部巖層風化程度較高影響，下部受采空區(qū)影響，中部受地層逆傾影響；南幫中部崩滑區(qū)的邊坡上部位移較小，中下部位移量較大；南幫東部崩滑區(qū)的中部位移量較大，兩端位移量較小，位移量較大均由于下部采空區(qū)及煤自燃導致巖體強度指標降低的影響所致；最大剪切應變增量云圖清晰反映出剪切應變增量帶分布特征，最大剪切應變增量主要分布在采空區(qū)及煤自燃發(fā)火嚴重處，剪切破壞分布和臨界失穩(wěn)空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現(xiàn)了邊坡變形的剪切蠕變特征，表明采空區(qū)、煤自燃是邊坡失穩(wěn)的主控因素。從水平應力云圖可知：水平應力分布具有從開挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點，隨降深增加呈線性正比例關(guān)系。從垂直應力云圖可知：隨埋深增加垂直應力呈線性增長，呈現(xiàn)受重力場控制的分布規(guī)律，垂直應力總體分布較均勻；邊坡初始開挖后，垂直應力呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布。

2 邊坡極限平衡分析

2.1 計算剖面及參數(shù)

采用Morgenstern-Price極限平衡法開展南幫邊坡滑移的進一步分析[9]。在南幫全長范圍內(nèi)，確定10個計算剖面：W3、EW0、E2、E5、E7、E10、E13、E17、E20、E23。取全坡高進行分析。確定模擬區(qū)總高度約400m～450m；水平總長度取為700m～1100m不等。剖面中的第四紀土層、煤層、采空區(qū)、平巷、斷層均按實際剖面的材料參數(shù)真實模擬。參考《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》（GB50197—2005），因海州礦南幫邊坡上無特別重要建筑物，將穩(wěn)定系數(shù)取為1.30。

2.2 結(jié)果與分析

使用Geostudio軟件建立各剖面計算模型，代表性剖面見圖3。據(jù)此，計算出南幫各剖面的整體安全系數(shù)，結(jié)果見圖4。

圖3 典型剖面整體計算模型

由圖4可見，海州礦南幫除W3和E23兩個西、東邊緣剖面之外，其它剖面的安全系數(shù)均處于1.0～1.15之間，與安全系數(shù)限值差距甚大。EW0～E10區(qū)域，是滑坡最危險地帶，從地質(zhì)剖面圖可見，中部剖面煤層露頭較多，現(xiàn)場也可見中部區(qū)域火點密集分布，導致地下采空區(qū)和煤巖參數(shù)弱化，在其他因素影響下極易誘發(fā)滑坡。

圖4 各剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

3 滑坡機理分析

根據(jù)以上結(jié)果分析，將南幫分為3個滑動區(qū)段[10]：西部崩滑群W3～E4，中部崩滑群E5～E15，東部崩滑群E16～E23。

（1）西部崩滑群。西部崩滑群的范圍為W3～E4。三維計算結(jié)果表明，西部代表性剖面EW0的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，計算安全系數(shù)為1.062，推測邊坡巖體為背斜構(gòu)造，而且存在順傾弱層，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡上部受邊坡角較陡且上部巖層風化程度較高的影響，及下部受采空區(qū)的影響，邊坡位移較大；中部受地層逆傾影響，位移量最小。最大剪切應變增量云圖清晰反映出剪切應變增量帶的分布特征，最大剪切應變增量主要分布在采空區(qū)及煤自燃發(fā)火嚴重處，剪切破壞分布和臨界失穩(wěn)空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現(xiàn)了采空區(qū)、煤自燃是邊坡失穩(wěn)的主控因素[11?12]。

（2）中部崩滑群。中部崩滑群的范圍為E5～E15，該區(qū)域是南幫滑坡最嚴重的區(qū)段。三維計算結(jié)果表明，南幫E10剖面邊坡上部位移較小，中下部由于下部斷層帶被壓密，在上部巖體和自身重量的作用下，位移量較大，計算安全系數(shù)為1.025。該區(qū)段邊坡雖暫時沒有整體滑移趨勢，但隨著巖面暴露時間增長，局部滑動會時有發(fā)生，未滑動區(qū)會逐漸變成滑動區(qū)，從而危害整個邊坡的穩(wěn)定。采空區(qū)和煤自燃仍是該區(qū)邊坡失穩(wěn)的主控因素[13]，由于中西部崩滑并導致坡腳失穩(wěn)，帶動上部邊坡的拉裂破壞，引發(fā)滑坡。

（3）東部滑塌群。東部滑塌群的范圍為E16～E23，該區(qū)域是南幫滑坡較嚴重的區(qū)段。三維計算結(jié)果表明，南幫E20剖面中部位移量較大，兩端位移量較小，計算安全系數(shù)為1.083，位移量較大是因為受下部采空區(qū)及煤自燃導致巖體強度指標降低影響；最大剪切應變增量主要分布在采空區(qū)及煤自燃發(fā)火嚴重處。從水平應力云圖可知：水平應力分布具有從開挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點，隨降深增加呈線性正比例關(guān)系。從垂直應力云圖可知：垂直應力隨埋深增加而呈線性增長，呈現(xiàn)受重力場控制的分布規(guī)律，垂直應力總體分布較均勻，邊坡初始開挖后，垂直應力呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布。

4 結(jié)論

結(jié)合三維地質(zhì)力學數(shù)值模擬分析和極限平衡分析，對海州露天礦逆層高邊坡穩(wěn)定性及滑坡機理進行了分析。主要結(jié)論如下。

（1）南幫三維模擬結(jié)果表明：南幫邊坡西部區(qū)域的上部位移較大，下部位移次之，中部位移最??；中部區(qū)域的上部位移較小，中下部位移量較大；東部區(qū)域的中部位移量較大，上下部位移量較小。最大剪切應變增量主要分布于煤自燃發(fā)火嚴重及采空區(qū)集中處，表明殘煤自燃和地下采空區(qū)是南幫滑坡的主控因素。水平應力從開挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加；垂直應力隨埋深增加而呈線性增長，總體分布均勻，呈現(xiàn)與坡面平行的層狀分布。

（2）南幫極限平衡分析表明：現(xiàn)狀邊坡的整體穩(wěn)定性難以滿足規(guī)范要求，除W3以西和E23以東區(qū)域外，其它中部剖面安全系數(shù)均處于1.0～1.15之間，與安全系數(shù)限值差距較大。EW0～E10區(qū)域是滑坡最危險地帶，中部區(qū)域各剖面煤層露頭和內(nèi)部采空區(qū)較多，自燃火點分布密集，導致地下采空和煤巖參數(shù)弱化，在其他因素影響下極易誘發(fā)滑坡。

（3）南幫滑坡的模式屬于切層崩滑：邊坡中下部的煤炭露頭常年暴露在大氣中，同時邊坡風化和采動使邊坡產(chǎn)生大量的裂隙，給煤炭提供了足夠的供氧條件和持續(xù)的蓄熱環(huán)境，導致持續(xù)不斷產(chǎn)生煤炭自燃現(xiàn)象，自燃后煤巖強度降低、空隙增大，產(chǎn)生崩塌破壞，并引起上部失去支撐而變形滑動，發(fā)生崩滑-拉裂破壞，引發(fā)邊坡大范圍滑塌。

（4）依據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，南幫可劃分為3個范圍大、滑坡嚴重的區(qū)域：西部崩滑區(qū)W3～E4，中部崩滑區(qū)E5～E15，東部崩滑區(qū)E16～E23，下一步需要重點治理。