小龍?zhí)堵短斓V采場(chǎng)東幫邊坡穩(wěn)定性分析及治理

蘇志強(qiáng)，鄢 洪

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠(yuǎn) 661601）

露天礦邊坡不穩(wěn)定是采礦工程建設(shè)中的常見問題，這直接關(guān)系著采場(chǎng)正常安全生產(chǎn)和人民生命和采場(chǎng)安全。小龍?zhí)堵短斓V采場(chǎng)東幫工程地質(zhì)條件較差，地層巖性本身軟弱及軟弱結(jié)構(gòu)面的不利組合是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，且容易受到大氣降水、地下水和爆破作用等影響，采場(chǎng)東幫邊坡表現(xiàn)出失穩(wěn)模式為沿軟弱結(jié)構(gòu)面（帶）整體失穩(wěn)，以重力作用為主的蠕動(dòng)滑移。通過清方減載治理方案的制定和對(duì)比，確定了治理方案且對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行治理效果檢驗(yàn)。通過極限平衡法（Morgenstern-Price法），對(duì)小龍?zhí)堵短斓V采場(chǎng)東幫邊坡治理前后的邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[1-2]，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)此邊坡治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡概況

小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡上部坡體已達(dá)到開采境界，坡體上以劣質(zhì)煤、炭質(zhì)黏土為主，坡體上巖土體由于風(fēng)化作用及地表水浸泡軟化等作用，已出現(xiàn)大面積變形，區(qū)域大致呈扇形，上小下大。變形后緣位于東幫上部標(biāo)高1 134 m 平臺(tái)處，前緣在采坑標(biāo)高1 020 m 平臺(tái)，變形后緣呈圈椅狀，后緣陡壁中部高約5 m，逐步向兩側(cè)降低。兩側(cè)剪切裂縫在中、上部明顯，下部右側(cè)有輕微鼓脹現(xiàn)象，左側(cè)表現(xiàn)為羽張裂縫。變形區(qū)上部排水溝被剪斷，中、下部邊坡臺(tái)階坍塌嚴(yán)重，下部鼓脹明顯，高1～1.50 m。為此，通過對(duì)清方減載治理前后的穩(wěn)定性分析，指出東幫邊坡滑落的可能性和影響滑落的各種因素，指導(dǎo)露天礦東幫采剝?cè)O(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)。

2 變形區(qū)地層巖性及地質(zhì)條件

1）地層巖性。經(jīng)現(xiàn)狀調(diào)查及查閱相關(guān)地質(zhì)勘探成果，采場(chǎng)東幫邊坡變形區(qū)分布的地層由新至老有人類活動(dòng)層（Qml）、第四系坡洪積層（Qdl+pl）、新第三系主煤層段（N1-2x3）、新第三系薄煤層炭質(zhì)黏土巖段（N1-2x2）、新第三系東升橋黏土巖段（N1-2x1）、三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組白云質(zhì)灰?guī)r（T2g4）及三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組白云質(zhì)灰?guī)r下段（T2g3）。

2）地下水類型及特征。變形區(qū)內(nèi)巖溶水主要分布于邊坡后緣T2g4 層白云質(zhì)灰?guī)r及T2g3 白云質(zhì)灰?guī)r中，具地下水位埋深較大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響總體小。主要對(duì)變形區(qū)主要影響的地下水賦存空間類型及水動(dòng)力特征如下：孔隙水主要賦存于第四系坡洪積層（Qdl+pl）黏土中，主要分布于邊坡頂部一線，透水性和連通性差，地下水位明顯受季節(jié)變化影響大，具埋藏淺、水量小，無統(tǒng)一水位的特點(diǎn)，含（透）水層富水性較弱，但與地表水交替平凡，常在土巖接觸帶溢出地表；裂隙水主要賦存于新第三系中，其N1-2x3主煤段中地下水主要賦存于下部炭質(zhì)黏土內(nèi)，其含水較弱，空間上無明顯界限。N1-2x2以炭質(zhì)黏土巖為主，N1-2x1以黏土巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，裂隙不發(fā)育，為良好隔水層。裂隙水由于受炭質(zhì)黏土巖及黏土巖的阻隔，通常以泉的形式排泄，該類地下水接受大氣降水及第四系孔隙水補(bǔ)給后，極易在N1-2x2炭質(zhì)黏土巖一帶富集并運(yùn)移，長(zhǎng)期浸泡、軟化等作用下易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。

3）地下水補(bǔ)、徑、排條件。小龍?zhí)堵短斓V東幫變形區(qū)，總體處于地下水山間盆地承壓徑流區(qū)，邊坡區(qū)坡體地帶淺層地下水為潛水，在坑底具承壓性。地下水主要接受大氣降水滲入補(bǔ)給，向邊坡坡體徑流或在剝離臺(tái)階排泄或滲入N1-2x裂隙含水層中，排泄點(diǎn)集中分布邊坡中下部。近年來東幫邊坡地裂縫發(fā)育，邊坡區(qū)內(nèi)大氣降水、地表溝渠水及上部生產(chǎn)生活用水等直接由地裂縫中滲入地下。

4）工程地質(zhì)條件。東幫邊坡傾向與地層傾向基本一致，為順層邊坡；東幫變形區(qū)巖層自上而下巖土體工程出現(xiàn)素填土和黏土分布于邊坡頂部一線，分布不均勻，地表水長(zhǎng)期浸泡、軟化等作用下易降低其抗剪強(qiáng)度，含水率達(dá)到塑限以上時(shí)，易形成軟弱結(jié)構(gòu)夾層（潛在滑動(dòng)面）；褐煤層主要分布于邊坡標(biāo)高為1 015 m 平臺(tái)以下，分布穩(wěn)定，淺表層極易受巖體風(fēng)化及地表水軟化等作用下，沿裂隙面及層面產(chǎn)生崩塌及沖蝕現(xiàn)象；炭質(zhì)黏土巖受地表水長(zhǎng)期浸泡、軟化等作用下降低其抗剪強(qiáng)度，含水率達(dá)到塑限以上時(shí)，易形成軟弱結(jié)構(gòu)夾層（潛在滑動(dòng)面）；黏土巖開挖新鮮巖面穩(wěn)定性較好，但礦坑分臺(tái)開挖后裸露于地表黏土巖風(fēng)化及強(qiáng)烈，加之地表水長(zhǎng)期浸泡、軟化等作用下降低其抗剪強(qiáng)度，沿裂隙面及層面產(chǎn)生崩塌及沖蝕現(xiàn)象；三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組白云質(zhì)灰?guī)r（T2g4），僅分布于邊坡頂部一線，分布穩(wěn)定，穩(wěn)定性較好。

3 東幫邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

根據(jù)東幫邊坡實(shí)際地形條件、巖土體工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，綜合邊坡變形跡象分析，邊坡失穩(wěn)模式為沿軟弱結(jié)構(gòu)面整體失穩(wěn)，表現(xiàn)為以重力作用為主的蠕動(dòng)滑移，小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡失穩(wěn)影響因素主要分內(nèi)因與外因，內(nèi)因?yàn)榈貙訋r性與軟弱結(jié)構(gòu)面的組合，外因主要為地表水與地下水。

1）地層巖性及軟弱結(jié)構(gòu)面。坡體分布巖土體中，新第三系薄煤層炭質(zhì)黏土巖段（N1-2x2）頂部及以上地層黏土均為土質(zhì)，且具膨脹性，有利于坡體塑性變形。新第三系薄煤層炭質(zhì)黏土巖段（N1-2x2）底部以下3 巖層接觸面接觸部位上下連接較弱，力學(xué)強(qiáng)度差異大。加之地層產(chǎn)狀與坡向一致，軟弱接觸面有利于滑坡形成。地層巖性本身軟弱及軟弱結(jié)構(gòu)面的不利組合是影響邊坡（滑坡）穩(wěn)定性的主要因素。

2）地表水、地下水的作用。水的作用是邊坡產(chǎn)生變形的敏感因素，特別是連續(xù)性暴雨季節(jié)，大量地表水滲入到邊坡巖土體內(nèi)，在各巖土體接觸帶及夾層中富集、運(yùn)移，降低了巖土體的力學(xué)強(qiáng)度，使其膨脹軟化成較軟的泥化夾層，并產(chǎn)生孔隙水壓力，從而加速邊坡巖土體的破壞。水的作用是邊坡變形的直接誘導(dǎo)因素[3-4]。

4 東幫邊坡變形破壞機(jī)制及力學(xué)參數(shù)

1）東幫邊坡變形破壞機(jī)制。小龍?zhí)堵短斓V東幫滑坡周界清晰，地質(zhì)勘察報(bào)告中給出潛在滑面位置，滑坡體地層巖性為黏土巖夾薄煤層N1-2x2，后緣陡壁高度約0.5 m，呈不規(guī)則弧形，滑坡后緣、左、右側(cè)壁都出現(xiàn)較明顯的裂縫。潛在滑面主要為黏土巖夾薄煤層N1-2x2和黏土巖N1-2x1接觸面，存在沿巖體層間軟弱結(jié)構(gòu)面順層滑動(dòng)或上部順層滑動(dòng)+底部圓弧切出滑動(dòng)，將以順層滑動(dòng)為主；東幫邊坡屬厚層大型推移式蠕動(dòng)型滑坡，滑坡主滑方向260°，變形破壞機(jī)制為：坡體變形→整體處于蠕滑狀態(tài)→后緣推移式滑移[5-6]。邊坡滑移破壞模式如圖1。

圖1 露天礦邊坡滑移動(dòng)破壞模式示意圖

2）巖土體物理力學(xué)指標(biāo)。小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡主要由素填土Qml、粉質(zhì)黏土Qdl+pl、褐煤層夾矸（炭質(zhì)黏土）N1-2x3、炭質(zhì)黏土巖夾薄煤層N1-2x2和黏土巖N1-2x1組成。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中數(shù)據(jù)確定的東幫邊坡各巖土層計(jì)算力學(xué)指標(biāo)取用值見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)取用值

5 東幫清方減載前后穩(wěn)定性分析

計(jì)算以近垂直邊坡方向延伸的10-10′、11-11′和12-12′為典型計(jì)算剖面，對(duì)邊坡可能存在潛在的滑移面進(jìn)行計(jì)算，得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡典型剖面布置示意圖如圖2。

圖2 小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡典型剖面布置示意圖

東幫邊坡治理前后穩(wěn)定計(jì)算采用上述邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，通過建立地質(zhì)模型，利用邊坡穩(wěn)定分析軟件GeoStudio2007 進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)推測(cè)的滑移面進(jìn)行計(jì)算，采用極限平衡法[7-8]分別計(jì)算了邊坡在自重條件下與在自重加地下水條件下的穩(wěn)定系數(shù)。得到的東幫邊坡治理前的穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 小龍?zhí)兜V東幫變形區(qū)治理前邊坡穩(wěn)定系數(shù)

由表2 驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)合從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察報(bào)告中地下水情況分析，東幫邊坡的現(xiàn)狀條件符合工況2，地下水位線高，在自重+地下水條件下，穩(wěn)定系數(shù)均小于1.1，參照DZT 0219—2006[9]滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范，不能滿足規(guī)范要求。

根據(jù)東幫邊坡治理設(shè)計(jì)優(yōu)選處置方案（清方減載），對(duì)清方后邊坡現(xiàn)狀進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，選擇10-10′、11-11′和12-12′剖面計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)；得到的小龍?zhí)兜V東幫變形區(qū)治理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表見表3。

表3 小龍?zhí)兜V東幫變形區(qū)治理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表

由表3 結(jié)果表明，經(jīng)清方治理，上述3 個(gè)剖面的最小穩(wěn)定系數(shù)均能滿足DZT 0219—2006 滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的自重+地下水工況下，抗滑動(dòng)系數(shù)1.1 以上的要求。

6 治理后效果

針對(duì)小龍?zhí)堵短斓V東幫邊坡蠕動(dòng)變形不斷增大的情況，根據(jù)治理設(shè)計(jì)，優(yōu)選清方減載方案，減小上部黏土巖有效荷載，減小對(duì)下部煤層直接推壓作用以減緩變形，從而使邊坡穩(wěn)定，確保安全生產(chǎn)。結(jié)合當(dāng)前清方需要和開采需要的時(shí)間，分2 個(gè)階段對(duì)東幫邊坡進(jìn)行清方減載治理；通過2 年的治理實(shí)施，2 期共完成清方減載土方量73.35 萬m3。

2020 年完成治理后，區(qū)域內(nèi)恢復(fù)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合昆明理工大學(xué)每季度編制的礦區(qū)地表形變衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀診斷報(bào)告和人工地表巡查情況，整體邊坡變形趨勢(shì)大幅度下降，下部恢復(fù)正常采剝作業(yè)。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，2020 年末委托昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院對(duì)區(qū)域邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，得到的清方減載后區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表見表4。

表4 清方減載后區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表

綜上，通過清方減載治理，體現(xiàn)了東幫邊坡整體邊坡角逐漸減小的動(dòng)態(tài)過程，保證了整體邊坡的穩(wěn)定性，確保下部采剝生產(chǎn)安全，東幫治理取得良好效果，也驗(yàn)證了東幫邊坡清方減載設(shè)計(jì)的合理性。

7 結(jié)語

1）運(yùn)用極限平衡法（Morgenstern-Price 法）對(duì)東幫邊坡清方減載處置前后變形區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，通過對(duì)治理前后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，清方減載工程的實(shí)施能夠有效提高東幫邊坡的穩(wěn)定性，大幅度降低滑坡的幾率。

2）露天礦邊坡為動(dòng)態(tài)的過程，東幫變形區(qū)經(jīng)清方減載治理后，穩(wěn)定系數(shù)有所提高，但由于小龍?zhí)堵短斓V開采深度大，加之邊坡為軟巖，具有一定的膨脹性；變形區(qū)巖性不良，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨時(shí)間推移，邊坡仍有惡化的可能性，應(yīng)引起足夠重視，加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)、日常巡查和疏干排水工作。

3）為了保證治理效果，并減少水土流失，應(yīng)對(duì)治理后的臺(tái)階進(jìn)行植樹綠化。