天池能源南露天煤礦板裂結(jié)構(gòu)巖體順層邊坡潰屈破壞變形演化規(guī)律及錨固參數(shù)研究

李 明，董蒙蒙，王艾嫵，馬熹焱

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；4.中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080）

潰屈破壞是板裂結(jié)構(gòu)邊坡1 種典型破壞模式，主要發(fā)生在板裂結(jié)構(gòu)順層邊坡中，板裂結(jié)構(gòu)邊坡具有不連續(xù)性、不均一性、各向異性等特征，板裂結(jié)構(gòu)面是巖體強(qiáng)度薄弱部分，也是邊坡變形破壞決定性因素，需要在研究板裂結(jié)構(gòu)面特性的同時(shí)，對(duì)潰屈機(jī)制、極限坡長(zhǎng)、向坡內(nèi)發(fā)展深度等問(wèn)題開(kāi)展針對(duì)性研究。丁戈媛等[1]在分析板裂結(jié)構(gòu)巖體地質(zhì)特征和力學(xué)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，基于彈性板梁穩(wěn)定理論與能量平衡原理建立了順層巖質(zhì)潰屈破壞力學(xué)模型；劉云鵬等[2-4]基于大量工程實(shí)踐和地質(zhì)認(rèn)識(shí)，從應(yīng)力儲(chǔ)蓄和釋放及地質(zhì)基礎(chǔ)方面分析了板裂結(jié)構(gòu)形成條件，通過(guò)對(duì)板裂結(jié)構(gòu)巖體形成力學(xué)機(jī)理和宏觀表現(xiàn)形式的探究，分析了滑移—彎曲模式順傾板裂結(jié)構(gòu)邊坡的失穩(wěn)機(jī)制；潘瑞林等[5]針對(duì)多層板裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡，采用彈性力學(xué)和相關(guān)理論提出了邊坡變形計(jì)算、潰屈穩(wěn)定分析預(yù)測(cè)方法；劉春香等[6]從地質(zhì)模型抽象出力學(xué)模型，計(jì)算了層狀巖體潰屈破壞的極限坡長(zhǎng)；陳笑楠等[7]探討了巖體結(jié)構(gòu)的屈曲性態(tài)和潰屈性態(tài)，給出了邊坡巖體上部滑動(dòng)段滑動(dòng)的條件，得出了邊坡巖體的分岔方程和潰屈方程，指出了分岔方程的適用條件和潰屈方程的適用范圍，建立了巖體結(jié)構(gòu)潰屈破壞的判據(jù)。以往板裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡潰屈破壞研究多集中于臨界坡長(zhǎng)和安全系數(shù)確定[8-15]，近年來(lái)信息技術(shù)對(duì)力學(xué)的影響受到廣泛關(guān)注，為此，在分析板裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡潰屈變形破壞演化規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆天池能源南露天礦板裂結(jié)構(gòu)順層邊坡巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用邊坡雷達(dá)測(cè)量與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，建立邊坡地表變形量與邊坡內(nèi)部變形破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，將邊坡潰屈變形破壞過(guò)程預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為巖體漸進(jìn)破壞狀態(tài)的判斷，為邊坡潰屈變形破壞預(yù)警和治理提供設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

1 板裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡潰屈破壞變形演化規(guī)律

1.1 板裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡潰屈破壞變形演化過(guò)程

新疆天池能源南露天煤礦邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡應(yīng)力橢圓會(huì)從垂直過(guò)渡到傾斜狀態(tài)，最大主應(yīng)力與坡面近乎平行，當(dāng)開(kāi)挖邊坡角與板裂結(jié)構(gòu)巖體產(chǎn)狀近乎一致，邊坡滑移控制面綜合內(nèi)摩擦角小于巖層傾角時(shí)，上部層狀巖體就具備了沿弱面或潛在弱面下滑條件。板裂結(jié)構(gòu)巖體傾角平緩時(shí)的變形破壞，多產(chǎn)生在坡體中上部位，沿弱面或潛在弱面發(fā)生剪切滑移。板裂結(jié)構(gòu)巖體傾角較大時(shí)，也是沿弱面或潛在弱面發(fā)生剪切破壞，但該剪切滑移面是和坡腳相交切的板裂面，在坡腳處形成集中應(yīng)力，伴隨差異卸荷過(guò)程巖層折斷滑動(dòng)，沿坡體前緣破碎段剪出轉(zhuǎn)為潰屈破壞。

板裂結(jié)構(gòu)順層巖體邊坡潰屈變形破壞一般表現(xiàn)為滑體沿已有的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生表層或淺層松弛、張裂和沿層間軟弱結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)、滑移，后緣逐漸拉裂，并依次向下擴(kuò)展，演化階段過(guò)程可劃分為：輕微彎曲階段、強(qiáng)烈彎曲-隆起階段和切出面貫通階段3 個(gè)階段[16-17]。潰屈破壞變形不同演化階段如圖1。

圖1 潰屈破壞變形不同演化階段示意圖Fig.1 Diagrams of different evolution stages of collapse failure deformation

1）輕微滑移彎曲階段。板裂結(jié)構(gòu)上部層狀巖體產(chǎn)生向下的滑移變形后，沿著順傾方向發(fā)生微量的層間差異錯(cuò)動(dòng)，由于坡腳區(qū)域巖層不具備臨空條件造成下滑受阻，巖體自重形成的縱向壓應(yīng)力施加于坡腳附近順傾板柱上，巖層發(fā)生輕微彎曲變形，巖層內(nèi)部呈現(xiàn)離層、空化現(xiàn)象，如圖1（a）。

2）強(qiáng)烈彎曲-隆起階段。隨著滑移彎曲變形持續(xù)增加，滑移控制面抗剪強(qiáng)度逐漸降低，隆起部位彎曲變形進(jìn)一步加劇，后緣出現(xiàn)張拉裂縫，局部有拉裂陷落；壓碎坡體前緣部彎曲隆起強(qiáng)烈，沿邊坡走向形成隆起帶，伴隨著壓碎剪切屈服，出現(xiàn)1 條反傾坡內(nèi)的鋸齒狀破裂面，如圖1（b）。

3）切出面貫通階段。邊坡進(jìn)一步變形，導(dǎo)致滑移控制面與下部切出破裂面完全貫通，造成板裂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失穩(wěn)主要表現(xiàn)為潰屈和剪切滑動(dòng)。滑動(dòng)規(guī)模在上部折斷滑出時(shí)較小，在下部折斷帶滑出時(shí)加大，滑坡形式具有突發(fā)性和高速性，如圖1（c）。

對(duì)于以上3 個(gè)階段的劃分，通過(guò)對(duì)中緩坡體的研究，嚴(yán)明等[18]提出了4 階段變形過(guò)程。即在第1 階段的滑移—輕微彎曲、第2 階段的滑移-強(qiáng)烈彎曲隆起和最后階段的整體失穩(wěn)之間還存在1 個(gè)滑移-碎裂-散體化階段。

1.2 板裂結(jié)構(gòu)順層軟巖邊坡潰屈破壞雷達(dá)監(jiān)測(cè)

板裂結(jié)構(gòu)邊坡變形破壞機(jī)制不同與一般邊坡，在變形過(guò)程中板間的錯(cuò)動(dòng)發(fā)育，從“結(jié)構(gòu)”角度看，潰屈破壞是滑移-彎曲變形發(fā)展的結(jié)果，然而從演化實(shí)際歷程上看，板裂結(jié)構(gòu)巖體碎裂化的過(guò)程不易被發(fā)現(xiàn)，失穩(wěn)過(guò)程很難作為1 個(gè)獨(dú)立的演化階段分離出來(lái)。近年來(lái)邊坡雷達(dá)信息采集分析技術(shù)運(yùn)用日益廣泛，具有大范圍實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，全尺度全過(guò)程數(shù)值分析特點(diǎn)，很多結(jié)果可以直接得到，根據(jù)測(cè)量結(jié)果大數(shù)據(jù)分析，能夠直接用于研究分析邊坡巖體結(jié)構(gòu)與滑坡破壞關(guān)系，將滑坡破壞過(guò)程預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)化為邊坡巖體漸進(jìn)破壞的判斷，比理論預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。2017—2019 年，新疆天池能源南露天煤礦共發(fā)生10余次單臺(tái)階板裂結(jié)構(gòu)巖體順層邊坡潰屈破壞現(xiàn)象，現(xiàn)選取2 次典型破壞進(jìn)行分析。破壞實(shí)例1 雷達(dá)監(jiān)測(cè)邊坡變形破壞時(shí)間序列曲線如圖2。破壞實(shí)例2雷達(dá)監(jiān)測(cè)邊坡變形破壞時(shí)間序列曲線如圖3。

圖2 實(shí)例1 邊坡破壞變形時(shí)間序列曲線Fig.2 Time series curve of slope failure and deformation in case 1

由圖2 可知，邊坡輕微彎曲階段，初始位移速率較低，最大4 mm/h；隨后，位移速率降低至1 mm/h以下；然后速率快速提升，最大達(dá)15 mm/h，邊坡滑移結(jié)束，破碎巖體進(jìn)入固結(jié)壓實(shí)階段。

由圖3 可知，邊坡輕微彎曲階段，初始位移速率亦較低，最大達(dá)5 mm/h，約為最大變形速率的1/3；隨后，位移速率降低至0 mm/h 左右；而后速率快速提升，最大達(dá)15 mm/h，達(dá)到1 個(gè)新的平衡，速率將至1 mm/h 以下，然后整體失穩(wěn)，破碎巖體進(jìn)入固結(jié)壓實(shí)階段。

圖3 實(shí)例2 邊坡破壞變形時(shí)間序列曲線Fig.3 Time series curve of slope failure and deformation in case 2

以上2 個(gè)破壞實(shí)例，實(shí)例1 符合“三階段”的變形演化過(guò)程，實(shí)例2 符合“四階段”的變形演化過(guò)程。板裂結(jié)構(gòu)順層邊坡發(fā)生滑移破壞時(shí)，主要是受自重荷載作用而引起順層滑移，變形破壞多為沿著層間軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切滑移，主滑帶與巖層的產(chǎn)狀及剪切帶密切相關(guān)。其變形破壞表現(xiàn)為滑體沿已有的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生表層或淺層松弛、張裂和沿層間軟弱結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)、滑移，后緣逐漸拉裂，并依次向下擴(kuò)展。如果邊坡整體的緩慢蠕滑趨勢(shì)沒(méi)有改變，則下部潰屈部位的巖體便會(huì)發(fā)生以巖塊位錯(cuò)、混合、壓碎和密實(shí)為特征的高度碎裂-散體化過(guò)程。影響順層邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面因素很多，主要包括結(jié)構(gòu)面的傾角、結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、結(jié)構(gòu)面連續(xù)性、結(jié)構(gòu)面充填特征以及結(jié)構(gòu)面中水的軟化作用等，其中結(jié)構(gòu)面的傾角對(duì)順層巖質(zhì)邊坡變形破壞起制約作用。對(duì)于結(jié)構(gòu)面陡傾的順層板裂結(jié)構(gòu)邊坡來(lái)說(shuō)，由于自重荷載的法向分量小，巖板彎曲范圍極易向上擴(kuò)展，雖然也有巖塊的壓碎階段，通常發(fā)展為迅速的整體失穩(wěn)，很難將這一過(guò)程區(qū)分出來(lái)。因此，采用三階段理論分析是恰當(dāng)?shù)?，但?duì)于中緩傾板裂結(jié)構(gòu)邊坡來(lái)說(shuō)，由于碎裂-散體化過(guò)程相對(duì)明顯，且有一定演化歷程，應(yīng)采用四階段理論來(lái)分析。

傳統(tǒng)劃分方法的表述僅限于邊坡中下部隆起部分巖體宏觀變形，未考慮整體邊坡協(xié)調(diào)變形特征。強(qiáng)烈彎曲-隆起階段必然伴隨著后緣張拉裂縫的擴(kuò)張和底滑面的出露，這一現(xiàn)象在邊坡雷達(dá)地表監(jiān)測(cè)位移歷時(shí)曲線中，表現(xiàn)為在輕微彎曲階段后，隨著下部巖體強(qiáng)烈彎曲隆起，速率曲線反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的變化規(guī)律，即在變形區(qū)整體監(jiān)測(cè)條件下，后緣張拉裂縫持續(xù)擴(kuò)大造成底滑面的出露，補(bǔ)償了因下部強(qiáng)烈隆起引起的地表變形。因此，為便于潰屈破壞的臨滑預(yù)警，第2 階段應(yīng)該表述為拉裂滑移-強(qiáng)烈彎曲階段。

另外，從結(jié)構(gòu)的角度考慮，下部切出面貫通，上部巖體快速滑移即代表板裂結(jié)構(gòu)體的破壞，破壞后碎裂巖體能否達(dá)到短暫的力學(xué)平衡與滑移控制面深度、傾角、巖體碎裂程度有關(guān)，滑動(dòng)面越淺，傾角越大，巖體越破碎，越易在切出面貫通后，直接形成整體破壞。因此，以該階段作為臨滑預(yù)警的判據(jù)是不合適的，而應(yīng)以拉裂滑移-強(qiáng)烈彎曲階段速率降至最低后，因切出面貫通造成速率曲線快速增加的拐點(diǎn)作為臨滑預(yù)警的圖解判據(jù)，潰屈破壞臨滑預(yù)警圖解判據(jù)如圖4。

圖4 潰屈破壞臨滑預(yù)警圖解判據(jù)Fig.4 Graphical criterion for critical slip warning of collapse failure

2 錨固參數(shù)的計(jì)算

研究和實(shí)踐表明，錨固對(duì)于板裂巖體潰屈破壞是1 種十分有效的主動(dòng)加固措施，錨固深度和錨固排距是錨固措施的2 個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于板巖滑移-彎曲計(jì)算中彎曲部分的計(jì)算方法主要分為壓桿穩(wěn)定理論和彈性板理論2 大類，然而就該礦實(shí)際情況而言，由于板巖結(jié)構(gòu)面具體條件不同，分析結(jié)果差異較大。從邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際調(diào)查分析來(lái)看，彈性板理論考慮了上部滑移段部分提供的下滑力是造成下部彎曲變形的主要因素，其原理更符合實(shí)際情況。因此，彎曲變形極限長(zhǎng)度的計(jì)算是根據(jù)邊坡雷達(dá)長(zhǎng)期位移變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)找到準(zhǔn)確的潛在滑動(dòng)位置后，著重參考彈性板理論。

錨固加固時(shí)，錨桿自由段長(zhǎng)度應(yīng)大于所預(yù)測(cè)的邊坡潰屈破壞深度，錨固排距應(yīng)小于所預(yù)測(cè)的邊坡潰屈破壞極限長(zhǎng)度。因錨固深度除考慮淺表潰屈破壞深度外，還應(yīng)考慮整體邊坡破壞深度，此處僅對(duì)該礦潰屈破壞邊坡錨固排距進(jìn)行計(jì)算。

該礦滑體厚度平均2 m，巖層傾角35°，泥巖密度1 790 kg/m3，彈性模量1.5×104MPa。根據(jù)板裂結(jié)構(gòu)巖體的巖性組成，發(fā)生潰屈時(shí)邊坡極限長(zhǎng)度按下式進(jìn)行計(jì)算[19]。

式中：lcr為極限破壞長(zhǎng)度，m；E 為板裂體彈性模量，MPa；I 為板裂體截面矩，m4；q 為單位長(zhǎng)度板裂巖體質(zhì)量，kg；α 為板裂體巖層傾角，（°）。

根據(jù)計(jì)算邊坡極限破壞長(zhǎng)度為7.27 m，按1.20安全系數(shù)考慮，錨固排距確定為6 m。

錨固加固后，邊坡臺(tái)階高度由原15 m 提高至40 m，在段高增高至原段高近3 倍的工況下，未再出現(xiàn)潰屈破壞現(xiàn)象；多采出原煤1 200 余萬(wàn)t，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益6.0 億余元。消除了潰屈破壞重大安全隱患，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)和安全效益。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）板裂結(jié)構(gòu)巖體碎裂化過(guò)程很難作為1 個(gè)獨(dú)立的演化階段分離出來(lái)，邊坡雷達(dá)信息采集分析技術(shù)，具有全尺度全過(guò)程數(shù)值分析特點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果大數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)⒒缕茐倪^(guò)程預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)化為邊坡巖體漸進(jìn)破壞的判斷，比理論預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。

2）輕微彎曲階段后，隨著下部巖體強(qiáng)烈彎曲隆起，邊坡雷達(dá)速率曲線反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的變化規(guī)律，是拉裂滑移-強(qiáng)烈彎曲階段的顯著特征，以速率將至最低點(diǎn)處的拐點(diǎn)作為潰屈破壞和臨滑預(yù)警的圖解判據(jù)理論上可靠，且具有較好的辨識(shí)度。

3）排距小于邊坡破壞極限長(zhǎng)度時(shí)，錨桿（索）可有效提高板裂巖體抗彎剛度，用于板裂巖體潰屈破壞治理效果顯著。