魏家峁露天煤礦工作幫邊坡滑坡機(jī)理研究

喬東亮，張永貴，鄭開慧

（北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

邊坡穩(wěn)定是露天采礦領(lǐng)域的重要課題。近年來，隨著露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大、開采深度的逐漸增加，邊坡穩(wěn)定性問題也日益突出[1-3]。如國內(nèi)寶日希勒露天煤礦采場西幫、勝利東二露天煤礦南幫、扎哈淖爾露天煤礦南幫等均曾發(fā)生大規(guī)模滑坡，嚴(yán)重威脅露天煤礦的安全持續(xù)生產(chǎn)[4-6]。

為了準(zhǔn)確分析邊坡穩(wěn)定性，科學(xué)提出邊坡防治措施，眾多學(xué)者對露天礦邊坡破壞模式、滑坡機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[7-9]。如陶志剛[10]等結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)，利用深部滑動力監(jiān)測預(yù)警結(jié)果，判斷邊坡滑坡成因及其破壞模式，并利用赤平極射投影法分析滑坡發(fā)生機(jī)理。常治國[11]等利用ANSYS 數(shù)值模擬，對典型的排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，揭示了其坐落-滑移式邊坡滑坡變形機(jī)理。趙建軍[12]等采用物理模型研究滑坡地質(zhì)力學(xué)模式。李禹霏[13]等利用自動化監(jiān)測手段分析邊坡穩(wěn)定性。張金貴[14]運(yùn)用數(shù)值模擬方法對魏家峁露天礦邊坡的位移特征進(jìn)行分析，并對剪應(yīng)變和塑性區(qū)擴(kuò)展進(jìn)行了研究。

基于以上研究成果，綜合利用滑坡區(qū)域地質(zhì)條件分析、邊坡變形自動化監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，對魏家峁露天煤礦局部工作幫邊坡滑坡成因進(jìn)行分析，為制定局部工作幫滑坡治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

魏家峁露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田東南部，主采6#煤層為單一近水平厚煤層，煤層平均厚度18 m。剝離生產(chǎn)工藝為單斗卡車間斷工藝，采煤生產(chǎn)工藝為半連續(xù)工藝，設(shè)計生產(chǎn)能力6 Mt/a。礦區(qū)大部分被第四系黃土和風(fēng)積沙覆蓋，局部梁頂或者沖溝處有基巖出露。

魏家峁露天煤礦2009 年開工建設(shè)，目前已形成工作幫、非工作幫、內(nèi)排土場等邊坡。其中，工作幫邊坡上部黃土臺階高度為8 m，臺階坡面角為65°，下部巖石臺階、煤層臺階高度均為16 m，臺階坡面角為70°。隨著露天煤礦工作幫的不斷推進(jìn)，工作幫邊坡逐漸發(fā)生后緣下沉、前緣底鼓等現(xiàn)象，至2018 年10 月，工作幫1 112-1 120 m 水平臺階坡面有大量水與稀泥涌出，各臺階出現(xiàn)裂縫，并伴隨臺階沉降，至11 月最大沉降量達(dá)2.5 m，沉降范圍不斷擴(kuò)大，且下部臺階錯落式沉降加劇。為了準(zhǔn)確確定滑坡范圍，科學(xué)確定滑坡治理方案，需要深入分析工作幫邊坡滑坡機(jī)理。

2 滑坡區(qū)域地質(zhì)條件

為了查明滑坡區(qū)域地下水位、弱層賦存等情況，在滑坡區(qū)域布置P-1、P-2、P-3 3 條勘探線，每條線上取2 個勘察孔，總計6 個勘察孔。勘察孔信息詳見表1。

表1 勘察孔信息表

1）工程地質(zhì)條件。通過工程地質(zhì)勘察，確定滑坡區(qū)域地層自上而下分別為：粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。粉砂為黃褐色，中密狀態(tài)；粉土為黃褐色，干強(qiáng)度中等。粉質(zhì)黏土呈現(xiàn)棕紅色，具有可塑性，微小層理較發(fā)育；強(qiáng)風(fēng)化泥巖呈現(xiàn)黃褐色，其硬度中等，節(jié)理、裂隙一般發(fā)育，泡水后軟化較明顯。強(qiáng)風(fēng)化砂巖為雜色，其巖層較完整，在勘察過程中未被穿透。

2）水文地質(zhì)條件?；聟^(qū)域地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給，由于粉土、粉砂厚度影響，出現(xiàn)了孔隙含水層儲水現(xiàn)象，然而地下水排泄主要以蒸發(fā)方式進(jìn)行，因地下水埋藏較深，局部富水，形成典型的上層滯水，當(dāng)隔水區(qū)域被破壞，地下水以泉的形式涌出，其水文地質(zhì)條件較簡單。

3）巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)確定。根據(jù)現(xiàn)場勘察，利用實驗室試驗，并參考以往巖土力學(xué)試驗，得出的巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 邊坡變形自動化監(jiān)測

3.1 表面位移監(jiān)測

在P-1、P-2、P-3 共3 條勘探線上共布置9 個GNSS 表面位移監(jiān)測站，統(tǒng)計了2018 年11 月1 日至2019 年1 月4 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測點累計位移值見表3，監(jiān)測點累計位移曲線如圖1。

圖1 監(jiān)測點累計位移曲線

表3 累計位移值

由表3 可知，點1、點2、點3、點4、點5、點6、點7 這7 個監(jiān)測站的累計位移較大，且方位角均在31°～48°范圍內(nèi)，1 128 m 水平與1 144 m 水平上的4 個監(jiān)測點的水平位移量大于1 160 m 水平上的3 個監(jiān)測點，但1 160 m 水平上的3 個監(jiān)測點的垂直位移較大。說明1 160 m 水平以上邊坡滑動以坐落為主，1 128 m 水平與1 144 m 水平位置處邊坡滑動以向臨空面滑移為主。點4、點5 這2 個監(jiān)測站位于滑坡范圍之外。滑坡的主要滑動方向為北東方向。

此外，由圖1 可知，2018 年11 月15 日之前工作幫邊坡處于加速變形階段，11 月15 日后工作幫邊坡處于勻速變形階段。

3.2 滑動層位監(jiān)測

為了查明滑動層位，在滑坡區(qū)域的3 個剖面布置了6 個測斜孔，孔內(nèi)安裝測斜管，精確測定滑體內(nèi)部水平位移。監(jiān)測結(jié)果以P-2 剖面孔6 為例，孔6位移-深度曲線如圖2。

圖2 孔6 位移-深度曲線

根據(jù)測斜結(jié)果可知，孔3、孔6 測斜孔分別在孔口以下32、27 m 處，據(jù)此可以確定邊坡滑動層面，其滑動層面是演化弱層，位于強(qiáng)風(fēng)化泥巖與砂巖接觸面之間，此處邊坡處于臨滑邊界狀態(tài)；此外，邊坡內(nèi)部發(fā)生了顯著的剪切變形，邊坡破壞模式可確定為剪切變形。

4 工作幫邊坡破壞模式數(shù)值模擬

根據(jù)工作幫生產(chǎn)現(xiàn)狀及剖面P-2 處的工程地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，模型長414 m，寬94 m，上覆砂土厚56 m。分析影響邊坡穩(wěn)定性的主要參數(shù)，運(yùn)用極限平衡理論，對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，獲到不同參數(shù)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，分析參數(shù)間的敏感性以及對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，獲得滑坡抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值范圍。

根據(jù)巖土體室內(nèi)試驗結(jié)果，基于滑坡處于臨滑狀態(tài)，運(yùn)用有限差分計算軟件，對滑坡抗剪指標(biāo)進(jìn)行反演分析，結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，坡腳出現(xiàn)了浸水泥巖弱層堆積情況，弱層呈淤泥狀，出露情況類似一個極小型的沖積扇，在出露面沒有堆積現(xiàn)象，而是極大程度的向四周散開，十分細(xì)膩，說明內(nèi)摩擦角極小的情況，綜合得出了合理的數(shù)值，弱層的黏聚力為14 kPa，內(nèi)摩擦角6.5°。

工作幫邊坡坐落滑移之后，在坡腳處形成了小范圍底鼓，邊坡變形最大位置位于演化弱層前緣坡腳處，工作幫邊坡將沿弱層繼續(xù)發(fā)生蠕動。邊坡塑性區(qū)已經(jīng)貫通，沿底板順層滑動，坡體后緣圓弧剪切，目前邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。

5 結(jié)語

1）通過工程地質(zhì)勘查確定了露天煤礦滑坡區(qū)地質(zhì)條件，通過巖土力學(xué)試驗確定了滑坡區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)。結(jié)合自動邊坡監(jiān)測點及測斜儀深部監(jiān)測，1 160 m 水平以上邊坡為坐落滑動，1 160 m 水平以下至巖石面為臨空面滑動。2 個自動邊坡監(jiān)測點點4和點5 位于滑坡范圍之外。

2）通過工程勘察及巖移監(jiān)測，開展軟弱層形成機(jī)理的研究，滑坡區(qū)紅黏土層隔水，地勢低洼區(qū)常年浸泡，久而久之形成演化弱層，弱層的抗剪強(qiáng)度具有時間效應(yīng)且弱層的長期強(qiáng)度較低，且具有流變特征。

3）查明了工作幫邊坡發(fā)生滑坡的直接原因，對露天煤礦工作幫邊坡破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步反證了邊坡的破壞機(jī)理以及破壞模式，提出了露天煤礦巨厚黃土層工作幫邊坡開受“演化弱層”控制的挖卸荷-剪切破壞機(jī)理，為露天煤礦滑坡區(qū)制定工作幫滑坡治理方案提供科學(xué)依據(jù)。