斷層與弱層群作用下露天礦邊坡最危險(xiǎn)滑面確定

曹蘭柱，丁春健，王 東，宋偉豪，邢曉宇，周 晶，尹 立，林 木

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 國家能源平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

0 引言

露天礦特點(diǎn)之一是選址的確定性，即對地質(zhì)條件無可選擇，所以露天礦邊坡穩(wěn)定性受到斷層、弱層等不良地質(zhì)構(gòu)造的影響.露天礦邊坡穩(wěn)定性變形破壞機(jī)制極為復(fù)雜[1]，已成為露天開采研究的難題.對含有多個順傾斷層、弱層邊坡的破壞模式確定及穩(wěn)定性的合理評價，對保障露天礦的安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要[2-3].近年來，眾多學(xué)者對斷層、弱層影響下邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行了一系列研究.李三川[4]采用極限平衡法對含有斷層的露天礦邊坡潛在滑面的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用RFPA-SRM 數(shù)值模擬方法研究其滑坡機(jī)理，并提出治理方案.于文鑫[5]在分析軟巖復(fù)合邊坡弱面控制滑坡模式基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元軟件ANSYS 分析含有弱層復(fù)合邊坡的滑坡模式，得出最危險(xiǎn)滑面，采用極限平衡法定量求出穩(wěn)定系數(shù)，2 種方法相結(jié)合研究邊坡穩(wěn)定性.宋子嶺[6]等綜合應(yīng)用極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法、有限差分強(qiáng)度折減法對含有多個順傾弱層的邊坡進(jìn)行分析、模擬，得到坡體內(nèi)含有多弱層的邊坡的破壞模式與3 種方法穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系.王東[7]等以黑山露天煤礦底幫邊坡工程為背景，對其內(nèi)有“Y”型順傾弱層，提出留設(shè)煤柱和不留設(shè)煤柱設(shè)計(jì)方案，用二維方法設(shè)計(jì)后用數(shù)值模擬分析其三維效應(yīng).廖德武[8]等針對貴陽某滑坡實(shí)例，在分析滑體發(fā)育特征、變形特征，及形成機(jī)制分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬法，對含有順層軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性與滑坡形成機(jī)制分析.曹蘭柱[9]等以扎哈淖爾露天煤礦含有順傾弱層的南幫為工程背景，采用剛體極限平衡法和有限元應(yīng)力法，分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，并采取減重、反壓工程及設(shè)計(jì)合理的邊坡形態(tài)后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對進(jìn)行工程處理的南幫進(jìn)行監(jiān)測.

通過分析以上的研究成果可見，含簡單地質(zhì)條件的邊坡穩(wěn)定性研究大都基于理論分析方法展開，而含復(fù)雜地質(zhì)條件的邊坡穩(wěn)定性研究主要采用數(shù)值模擬手段展開，但鮮有針對含有斷層與弱層群的邊坡穩(wěn)定性、滑移模式和滑坡機(jī)理的研究.基于此，以元寶山露天煤礦二區(qū)東410 集水坑工程為依托，基于極限平衡法，提出一種斷層與弱層群作用下露天礦邊坡最危險(xiǎn)滑面確定方法，并應(yīng)用FLAC3D驗(yàn)證所提方法的正確性，研究斷層與弱層群作用下邊坡穩(wěn)定性及其影響規(guī)律，用以指導(dǎo)該礦集水坑區(qū)段邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，并為其他礦山出現(xiàn)的類似工程提供經(jīng)驗(yàn)[10-11].

1 最危險(xiǎn)滑面確定方法

在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的不斷作用下，巖體的完整性遭到破壞，從而呈現(xiàn)出不同工程級別的斷層，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造增加了開采的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)[12].邊坡體內(nèi)因斷層的存在使原本連續(xù)的巖層被打斷和發(fā)生錯動，進(jìn)而使邊坡在發(fā)生破壞時的滑坡模式發(fā)生改變[13].邊坡體內(nèi)沒有斷層時，滑坡模式主要考慮為圓弧與弱層形成組合滑動；當(dāng)邊坡體內(nèi)含斷層，且斷層與弱層相交時，斷層有可能作為滑面的一部分.因此受斷層影響部分的巖體滑坡模式為“斷層+圓弧+弱層”滑動，不受斷層影響的巖體滑坡模式為“圓弧+弱層”組合滑動[14].含有斷層的滑坡模式見圖1.

圖1 有斷層時圓弧滑面與斷層組合滑坡模式示意Fig. 1 schematic diagram of landslide model of circular arc slip surface and fault combination when there is a fault

有斷層作為滑體滑面一部分時，滑面的尋找方法步驟如下.

步驟1忽略坡體內(nèi)有斷層的存在，在平盤給定后緣出露位置處搜索滑面，并計(jì)算滑面穩(wěn)定系數(shù).

步驟2當(dāng)搜索出的滑面與斷層不相交時重復(fù)步驟1.

步驟3當(dāng)搜索出的滑面與斷層相交時，保留此滑面，應(yīng)用剩余推力法計(jì)算斷層、圓弧和弱層組合時形成滑面的穩(wěn)定系數(shù).

步驟4分別在不同平盤給定不同后緣出露位置，重復(fù)步驟1～步驟3，直到計(jì)算出的斷層、圓弧和弱層組合時形成滑面的穩(wěn)定系數(shù)最小時為最危險(xiǎn)滑面.

2 工程應(yīng)用

2.1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

依據(jù)現(xiàn)場剝采工程現(xiàn)狀和工程地質(zhì)補(bǔ)勘（補(bǔ)堪鉆孔號為2018-EBK9-1、2018-EBK9-2、2018-EBK9-3），確定采場東幫410 集水坑區(qū)段邊坡發(fā)育F露9和F1兩條與邊坡傾向一致的斷層，具有切割深度較大、傾角高的特性.坡體地層傾向坑內(nèi)，傾角在6°～12°變化，一般為8°，主要巖性為砂巖、泥巖及煤.坡體內(nèi)發(fā)育有4 個順傾軟弱夾層（自上而下編號為①號弱層、②號弱層、③號弱層、④號弱層），產(chǎn)狀與巖層一致，為層間結(jié)構(gòu)面；呈層狀分布，延展性強(qiáng)；弱層中軟弱物質(zhì)在構(gòu)造及地下水作用下，易軟化、泥化，強(qiáng)度降低，對巖體穩(wěn)定不利.邊坡體內(nèi)地層巖性、斷層和弱層分布見圖2，各地層巖體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

圖2 邊坡體內(nèi)地層巖性、斷層和弱層分布Fig.2 stratum litho logy, fault and weak layer distribution in slope body

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 physical and mechanical parameters of rock and soil

2.2 安全儲備系數(shù)選取

元寶山露天礦東幫剝采工程不斷推進(jìn)，開采深度不斷增加，東幫將具備內(nèi)排條件，需要逐步展開內(nèi)排作業(yè).內(nèi)排作業(yè)將導(dǎo)致東幫的暴露時間縮短.由現(xiàn)場資料可見，東幫發(fā)生過多次的變形與滑坡，一旦出現(xiàn)滑坡，集水坑隨之損壞，非工作幫所有第四系殘余水會直接、持續(xù)地涌入采場，水量巨大不可控制，生產(chǎn)出現(xiàn)停滯，甚至造成淹坑，波及坑內(nèi)人員的安全和設(shè)備的正確使用.因此，參照《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50197-2015），確定元寶山露天煤礦采場東幫邊坡的安全儲備系數(shù)為1.25.

2.3 最危險(xiǎn)滑面確定與穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性分析方法較多，極限平衡法理論完善、物理意義明確[15]，可對被評價邊坡給出確切的穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)用廣泛[16]，但對計(jì)算前邊坡破壞模式確定有要求.依據(jù)所提出分析邊坡穩(wěn)定性的滑坡模式，選用極限平衡法中的簡化Bishop 法和剩余推力法作為計(jì)算方法.

對集水坑區(qū)段邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，結(jié)合邊坡體內(nèi)斷層與弱層群賦存位置與形態(tài)，考慮13 種滑面位置與形態(tài)，每一個潛在滑坡區(qū)段都進(jìn)行多個危險(xiǎn)滑面的搜索，以確保獲得最危險(xiǎn)滑面，具體方案與穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 東幫邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 statistical of evaluation results of east slope stability

圖3為不同滑面位置與形態(tài)條件下的最危險(xiǎn)滑面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果.

圖3 不同滑坡模式下的邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析結(jié)果Fig.3 results of limit equilibrium analysis of slope stability under different landslide modes

分析圖3 可知，邊坡體內(nèi)含有斷層、順傾弱層等軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體的完整性受到破壞，從而使巖體松散，并且在剝采工程開挖卸載作用下，進(jìn)一步降低集水坑區(qū)段邊坡的穩(wěn)定性.當(dāng)發(fā)生以圓弧切過地層，并以④號弱層為底滑面的組合滑坡時，集水坑區(qū)段邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.27，滿足邊坡所需安全儲備系數(shù)1.25 的需求.集水坑區(qū)段邊坡體內(nèi)4 個弱層中，邊坡穩(wěn)定性主要受④號弱層影響，所以在進(jìn)行此區(qū)段集水坑工程建設(shè)時，應(yīng)針對④號弱層制定相應(yīng)的防滑措施[17]，以保證工程的實(shí)施和集水坑的使用年限.

3 最危險(xiǎn)滑面位置與形態(tài)合理性驗(yàn)證

極限平衡法在分析邊坡穩(wěn)定性中需要人為確定滑坡模式[18]，且需要經(jīng)過多次對滑面的搜索才能最終確定最危險(xiǎn)滑面形態(tài)和位置[19]，而FLAC3D模擬則不需要對滑體破壞面形狀和位置做出假設(shè)[20].為驗(yàn)證所提出的邊坡體內(nèi)含斷層與弱層群邊坡最危險(xiǎn)滑面確定方法的合理性，采用FLAC3D軟件，應(yīng)用強(qiáng)度折減法對含斷層與弱層群邊坡破壞模式進(jìn)行數(shù)值模擬，以彌補(bǔ)極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性在確定邊坡滑坡模式的不足.穩(wěn)定性分析模型的幾何尺寸和網(wǎng)格劃分見圖4（a）.模型寬30 m，長635 m，高167 m，為保證數(shù)值模擬所需時間和計(jì)算精度，模型不同部位疏密程度不同，基底、巖層和弱層（斷層）分別以20 m、10 m 和5 m 為步距劃分計(jì)算單元[21].對模型邊界的約束設(shè)置如下：模型兩側(cè)和底面施加約束為不自由邊界，頂部和坡面為自由邊界，加載方式為自重加載.

圖4 邊坡破壞模式數(shù)值模擬模型與結(jié)果Fig.4 numerical simulation model and results of slope failure mode

分析圖4（b）、圖4（c）可知，邊坡巖體主要沿著④號弱層滑移，為滑體的底界面，此時邊坡的滑坡模式與剛體極限平衡法所計(jì)算的滑面位置與形態(tài)較為接近，邊坡巖體穩(wěn)定性不受斷層影響，主要受④號弱層控制.因此，④號弱層的強(qiáng)度是維持或提高邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵.

4 結(jié)論

基于剛體極限平衡法，提出對邊坡體內(nèi)含有斷層與弱層群的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，該方法具有計(jì)算簡單、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可為邊坡體內(nèi)存在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造時穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)設(shè)計(jì)提供一種高效、可靠的手段.研究結(jié)論如下.

（1）通過分析斷層、弱層對邊坡穩(wěn)定性影響，確定坡體內(nèi)有斷層、弱層群時邊坡巖體受斷層、弱層影響時的潛在滑坡模式：“斷層+圓弧+弱層”組合滑動，并提出有斷層時最危險(xiǎn)滑面確定方法和給出最危險(xiǎn)滑面確定步驟，并應(yīng)用于元寶山露天煤礦東幫410 集水坑區(qū)段邊坡穩(wěn)定性研究.

（2）在充分考慮410 集水坑區(qū)段邊坡共13 種滑坡模式基礎(chǔ)上，通過分析得出弱層是控制邊坡穩(wěn)定性的主要因素，此區(qū)段的滑坡模式為“④號弱層+圓弧的切層-順層滑坡”.

（3）基于極限平衡法的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了所提出的含斷層與弱層群邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法的正確性.