伊寧弱膠結(jié)地層露天礦邊坡穩(wěn)定性研究?

陳運財，劉洪林,2?，王宏志，曹文祥，閆海天，甄文元

(1.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護性開采自治區(qū)高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和物質(zhì)生活水平提高，世界對能源的需求量呈大幅上升趨勢．富煤、貧油、少氣的國家能源結(jié)構(gòu)特征，決定了在一定時期內(nèi)煤炭仍是我國的主體能源．統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截至2020年我國煤炭產(chǎn)量已達38.4億噸，其中露天開采約占煤炭總產(chǎn)量的16%左右，在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域占重要地位．我國露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、山西、陜西等地[1]，隨著我國能源戰(zhàn)略重心的西移，西部地區(qū)露天煤礦迅速建設(shè)投產(chǎn)[2]．新疆位于我國西北部，煤炭儲量占全國總儲量的40%以上[3]．新疆煤炭資源集中分布在準東、吐哈、伊犁、庫拜四大整裝煤田，普遍具有儲量大、埋藏淺且煤層厚度大的特點[4]，非常適合露天開采．然而，新疆成煤時期和氣候條件特殊，煤系地層巖石膠結(jié)程度低，在降雨的影響下極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，對露天礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅．

圍繞邊坡穩(wěn)定性相關(guān)問題，國內(nèi)外學者分別對巖石強度、巖體礦物成分、坡高及邊坡傾角等方面展開研究，并取得了一定的成果．閆永平等[5]結(jié)合露天礦滑坡類型進行分析，發(fā)現(xiàn)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、人為擾動及自然條件的綜合作用下，露天邊坡發(fā)生不同程度損傷破壞．時旭陽等[6]對某露天礦巖石展開不同法向力下的直剪試驗，認為低法向應(yīng)力條件下巖石為塑性破壞，巖石裂隙傾角分布較廣、裂隙面較為復(fù)雜；高應(yīng)力狀態(tài)下，巖石出現(xiàn)高傾角裂隙，巖石的破壞類型由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化．任月龍等[7]對哈爾烏素露天邊坡展開研究，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性存在時效性，并推導(dǎo)出了邊坡時效性的計算公式．許俊凱等[8]分析人類活動、降雨對露天礦區(qū)高切邊坡的影響．然而，新疆礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征不同于其它地區(qū)，煤系地層成巖時間晚，成巖環(huán)境特殊，普遍具有膠結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)松散及力學性質(zhì)差的特征，使弱膠結(jié)露天邊坡變形大、穩(wěn)定性差，邊坡支護難度增加，新疆弱膠結(jié)地層邊坡的變形機制和穩(wěn)定性控制方法還有待進一步研究．

1 伊寧露天煤礦地質(zhì)環(huán)境特征

伊寧屬中國新疆伊犁哈薩克自治州，位于天山北部的伊犁河谷，根據(jù)國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心的遙感數(shù)據(jù)及礦區(qū)氣象資料，伊寧礦區(qū)雨水豐富，區(qū)域降雨具有短時強度大的特點（表1）．伊寧礦區(qū)煤系地層由第四系松散層、侏羅系及三疊系組成，煤炭資源豐富且埋藏淺，適合露天開采．地層巖性主要以泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，由于地層成巖時間晚，普遍具有膠結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)松散、力學性質(zhì)差等特征[9?12]，在高強度降雨作用下，邊坡巖土體力學性質(zhì)大幅度劣化，穩(wěn)定性迅速降低．

表1 伊寧礦區(qū)月均降雨量/mm

通過實地調(diào)研，皮里青礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要為地表侵蝕、地下水污染及崩塌、滑坡、水土流失五個方面[13]．然而，在眾多災(zāi)害中崩塌和滑坡對地質(zhì)環(huán)境的影響最大，原因是弱膠巖石親水礦物的含量較多，空間結(jié)構(gòu)松散，在開采擾動及降雨作用下容易發(fā)生強度弱化，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[14]．

2 弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡模型構(gòu)建

皮里青露天礦北部端幫邊坡最終境界設(shè)計為110～240 m，臺階高度為10 m，最終邊坡傾角為35?左右．為了研究不同傾角和坡高下弱膠結(jié)露天礦邊坡的力學響應(yīng)特征，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，基于Mohr-Coulomb準則，建立如下計算方案．方案1：模型高135 m、寬5 m，傾角分別為20?、30?、35?、40?．方案2：模型寬5 m、坡高增量20 m，邊坡高度分別為30 m、50 m、70 m、90 m、110 m．本次邊坡模型的構(gòu)建，主要基于新疆弱膠結(jié)地層巖石力學參數(shù)[15?16]，數(shù)值模型主要巖土體物理力學參數(shù)如表2所示．計算模型除坡面及頂面外，其余4面均采用位移邊界法相約束，初始計算模型如圖1所示．

表2 主要巖土體物理力學參數(shù)

圖1 邊坡初始模型

2.2 傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

通過對不同邊坡傾角的計算模擬，對比圖2（a～d），可以看出傾角由20?增加到40?時，坡體剪應(yīng)力升高并逐漸向坡腳處增大，邊坡屈服面與剪力增量變化趨勢相同，均呈現(xiàn)出弧狀且在坡腳處最大，如圖2（e～h）．

圖2 不同傾角對邊坡的影響

為衡量皮里青北部端幫邊坡穩(wěn)定性，以邊坡安全系數(shù)為指標，由圖3可知，當傾角由20?增加到40?時，邊坡安全系數(shù)依次為2.56、1.45、1.25、1.07．基于邊坡傾角的模擬結(jié)果，為實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)，盡可能提高煤炭資源回收率，本文認為皮里青北部端幫邊坡傾角為35?時較為合理．

圖3 不同傾角下邊坡的安全系數(shù)

2.3 坡高對邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)邊坡傾角的計算結(jié)果，將模型傾角設(shè)置為35?，分析相同傾角下不同坡高對邊坡穩(wěn)定的影響．由圖4（a～e）可知，隨著開采深度增加，安全系數(shù)不斷降低，剪力增量變化規(guī)律不明顯，但在坡腳處最大．在剪力的作用下弱膠結(jié)巖體逐漸屈服，最終導(dǎo)致坡腳發(fā)生剪切破壞，如圖4（f～j）所示．

圖4 不同坡高對邊坡的影響

圖5為不同坡高下邊坡安全系數(shù)．由圖5可知，坡高為30～50 m時，安全系數(shù)下降速度較快．坡高為50～110 m時，安全系數(shù)下降速度減慢．結(jié)合已有研究，巖體強度與埋深呈正相關(guān)[17]，露天礦初期開挖階段地層埋藏淺、巖石力學性質(zhì)差，邊坡的形變量較大．隨著邊坡高度增加，坡體深部地層占比增大，由于此類地層巖石強度大，不易發(fā)生變形，因此邊坡安全系數(shù)降速逐漸減慢．

圖5 不同坡高下的邊坡安全系數(shù)

2.4 降雨條件下邊坡塑性區(qū)的發(fā)育特征

皮里青露天礦日均最大降雨量為50.6 mm．為研究降雨條件下浸潤線變化及邊坡塑性區(qū)的發(fā)育特征，基于傾角和坡高的研究結(jié)果，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，通過Morgenstern-price法，建立傾角35?、坡高135 m、降雨邊界條件50.6 mm的邊坡模型．

通過降雨分析，對比圖6（a～d）的浸潤線變化可知，穩(wěn)定滲流（即未降雨）時，浸潤線位于地下水位附近．降雨1 h時，浸潤線逐漸升高并在坡腳處有水流滲出；降雨2 h時，浸潤線高度由50 m上升至55.3 m，并在坡腳處有大量積水；降雨3 h時，浸潤線提升幅度極小，原因是降雨持續(xù)到2 h時，浸潤線高度超過坡底，雨水從坡腳處滲出，坡體水位無法繼續(xù)上升．此后，隨著降雨時長的推移，浸潤線高度保持不變，坡腳積水增多．

圖6 邊坡浸潤線變化

如圖7（a）所示，邊坡未受到降雨作用時，潛在滑坡面呈弧形且位于坡體較淺位置．當降雨強度為50.6 mm、降雨時長為48 h時，弱膠結(jié)地層邊坡塑性區(qū)逐漸向坡體內(nèi)部延伸，坡腳處有大量雨水滲出，如圖7（b）所示．

圖7 降雨作用下塑性區(qū)變化情況

隨著降雨強度增大，邊坡穩(wěn)定性減小，安全系數(shù)由1.3下降至1.0（圖8）．邊坡變形分為非飽和入滲、徑流形成、飽和滲透及穩(wěn)定卸壓四個階段，不同階段下邊坡的力學響應(yīng)機制不同．

圖8 降雨條件下的邊坡安全系數(shù)

（1）非飽和入滲階段．邊坡通常處于飽和-非飽和狀態(tài)，未受降雨影響時，遠離地下水的坡體是非飽和狀態(tài)．開始降雨時，由于邊坡巖體十分干燥，雨水均被吸收．降雨持續(xù)一段時間后，淺層巖體逐漸飽和，雨水入滲量減少，非飽和入滲階段結(jié)束．由于該階段邊坡受到的浸潤時間短，巖體未發(fā)生強度弱化，故安全系數(shù)下降較小且降速緩慢．

（2）徑流形成階段．非飽和入滲階段結(jié)束后，淺部巖體達到飽和，雨水入滲量減少．隨著降雨時長的推移，雨水迅速在坡面匯集形成地表徑流，在水流的沖刷下邊坡的完整性遭到破壞，導(dǎo)致坡體應(yīng)力分布不均勻，巖體變形量增加．

（3）飽和滲透階段．在雨水長時間的浸潤下，邊坡深部巖體基本達到飽和，因為弱膠結(jié)巖體力學性質(zhì)較為特殊，在浸潤及沖刷的作用下巖石強度劣化嚴重，導(dǎo)致邊坡的變形速度增大，安全系數(shù)由1.2降至1.1．

（4）穩(wěn)定卸壓階段．該階段降雨時間最長，但降雨強度小，從而水對邊坡的補給量減少，巖體孔隙水壓降低，巖石強度得到恢復(fù)．因此，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)．

2.5 邊坡安全系數(shù)的公式擬合

基于降雨條件下弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性研究，得出降雨強度及降雨時長對弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性造成嚴重影響的結(jié)論．根據(jù)伊寧礦區(qū)降雨資料，結(jié)合邊坡安全系數(shù)的變化情況進行公式擬合（圖9），具體為：y=?0.005 9x+1.302 6，R2=0.969 4；式中：y為安全系數(shù)，x為降雨時長．

圖9 降雨公式擬合

根據(jù)上述公式，結(jié)合礦區(qū)實際情況，可對弱膠結(jié)地層露天礦邊坡穩(wěn)定性進行判定，為弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性評價提供參考．

3 弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性的控制方法

3.1 弱膠結(jié)地層邊坡強度失效機制

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論，邊坡的巖石強度直接反映其穩(wěn)定性的大?。攷r體強度較大時，邊坡的穩(wěn)定性高；若巖體強度較低，則邊坡的穩(wěn)定性將大幅降低[18?21]．邊坡失穩(wěn)主要受內(nèi)部條件及外部環(huán)境的影響，其強度失效主要由于巖體在雨水浸潤和沖刷下邊坡的完整性遭到破壞，造成坡體應(yīng)力分布不均勻，引起局部應(yīng)力集中現(xiàn)象．若邊坡巖體結(jié)構(gòu)松散、力學強度低，例如弱膠結(jié)巖石，此類巖體在開采擾動作用下其空間結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，使其強度大幅度劣化，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞．

3.2 弱膠結(jié)邊坡穩(wěn)定性的控制方法

基于3.1節(jié)所述的邊坡失穩(wěn)機制，本文認為邊坡的穩(wěn)定性影響因素主要為巖體力學性質(zhì)及雨水的影響，因巖體性質(zhì)不易改變，可通過削減外界環(huán)境的作用來提高邊坡的穩(wěn)定性．如圖10所示，針對伊寧礦區(qū)降雨引發(fā)邊坡變形的四個階段，提出采用“防滲+錨固”相結(jié)合的邊坡聯(lián)合控制方法．

圖10 弱膠結(jié)地層邊坡的治理措施

針對前兩個階段，通過安裝橫向排水渠、豎向排水渠以及在各排水渠間鋪設(shè)防滲膜，將雨水引入排水渠中進行集中排放，從而降低雨水對邊坡的浸潤和沖刷．針對后兩個階段，根據(jù)邊坡的潛在滑坡面為弧形，為降低成本提高經(jīng)濟效益，提出在坡體兩端采用錨桿支護、中部用錨索支護的方法來提高邊坡的穩(wěn)定性．

4 結(jié)論

針對弱膠結(jié)地層條件下邊坡穩(wěn)定性研究，分析傾角、坡高及降雨對其穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論：

（1）通過對不同傾角的計算分析，認為傾角與剪應(yīng)力成正比，與安全系數(shù)成反比．隨著傾角的增加，剪應(yīng)力升高并向坡腳處增大，最終導(dǎo)致坡腳應(yīng)力超過巖石的極限強度，發(fā)生剪切破壞．

（2）相同傾角下，隨著坡高增大，邊坡應(yīng)力變化與傾角應(yīng)力變化呈相似的變形趨勢，安全系數(shù)分為快速下降和緩慢下降兩個階段；坡高越大，邊坡安全系數(shù)越小．

（3）通過降雨分析，認為短時強降雨導(dǎo)致邊坡強度大幅度下降，邊坡變形分為非飽和入滲、徑流形成、飽和滲透及穩(wěn)定卸壓四個階段，且降雨時間越長，邊坡安全系數(shù)降值越大．

（4）針對伊寧礦區(qū)短時強降雨條件下雨水入滲、侵蝕弱膠結(jié)地層邊坡，導(dǎo)致邊坡完整性受損、安全系數(shù)降低的現(xiàn)象，提出采用“防滲+錨固”相結(jié)合的邊坡聯(lián)合控制方法．