伊敏露天礦弱層與正斷層復(fù)合作用下順傾邊坡變形規(guī)律

王振偉 ,李 斌 ,王智濤 ,董黎明，韋永豪 ,李營作

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

在露天礦山生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇有斷層構(gòu)造和軟弱結(jié)構(gòu)面相互疊加的情況，二者不同的空間位置關(guān)系及強度對邊坡的穩(wěn)定性起著控制作用。針對具體工況，通過研究各控制變量之間的關(guān)系，得到邊坡相應(yīng)的變形演化規(guī)律及潛在破壞模式，并有針對性地制定相應(yīng)的防治措施，確保露天礦高效、安全生產(chǎn)。

近年來，眾多學(xué)者對弱層與斷層控制下的邊坡破壞模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律進行了深入研究，并取得了相關(guān)的成果。張令非等[1]研究了含弱層邊坡分區(qū)式滑移模式，結(jié)果表明，弱層傾角對穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)區(qū)、失穩(wěn)區(qū)3 區(qū)的分布起著決定性影響，坡體欠穩(wěn)區(qū)與失穩(wěn)區(qū)交界處對傾角的敏感性較高；劉新榮等[2]根據(jù)模型試驗，得出邊坡的破壞失穩(wěn)演化過程為分段式的滑移破壞過程，弱層成為順傾軟硬互層邊坡變形破壞的優(yōu)勢區(qū)域；田宇等[3]基于剛體極限平衡理論與數(shù)值模擬手段，研究了含多弱層－斷層構(gòu)造復(fù)合順傾邊坡變形破壞特征、滑移模式以及不同弱層對邊坡穩(wěn)定性影響程度；趙貴彬等[4]通過對弱層深度敏感度研究，得出弱層位置隨著深度的增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但在達(dá)到一定深度后又隨之逐漸增大?？梢姅鄬蛹叭鯇訉吰路€(wěn)定性影響極大，為此，依托伊敏露天礦實際邊坡工程進行研究，通過改變?nèi)鯇觾A角、厚度及與斷層之間的空間位置變化，揭露此情況下邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為礦山生產(chǎn)及相似工程設(shè)計施工評價工作提供參考依據(jù)[5]。

1 工程背景

按照伊敏露天礦生產(chǎn)計劃，目前作業(yè)范圍已位于三采區(qū)，隨著采區(qū)開采方向由東北向西南推進，初期推測的F1斷層將陸續(xù)被揭露，該斷層的存在給三采區(qū)生產(chǎn)作業(yè)安全帶來潛在威脅。且該礦西端幫邊坡多為軟巖邊坡，此類邊坡的穩(wěn)定性主要受軟弱巖層的空間分布、厚度及傾角控制。根據(jù)邊坡鉆探工程勘查，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育多個軟弱巖層，并相對邊坡順傾，其厚度為1～10 m、傾角為0°～8°不等。為此，根據(jù)現(xiàn)有礦區(qū)資料進行研究，分析弱層控制下含正斷層邊坡破壞滑移模式及穩(wěn)定性規(guī)律，為下一步開采計劃的實施提供可靠依據(jù)。典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1，各地層巖體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

2 弱層與正斷層復(fù)合作用對邊坡穩(wěn)定性的影響

為減小模型尺寸及網(wǎng)格大小差異導(dǎo)致的誤差，所建模型均為沿邊坡傾向長度1 340 m，高度500 m，網(wǎng)格寬度選取邊坡高度的1/20。坡體內(nèi)部賦存在1 個貫穿整個模型的正斷層，斷層厚度5 m，整體邊坡角18°。模型中荷載的加載方式為重力加載[6-9]。

2.1 弱層位置對含正斷層邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究弱層位置對含正斷層邊坡穩(wěn)定性影響，分別建立弱層距斷層50、25、0、－25（初始狀態(tài)）、－50 m 的5 種情況下數(shù)值模型，弱層不同賦存位置邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表2，弱層不同賦存位置x 方向最大位移云圖如圖2。

表2 弱層不同賦存位置邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖2 弱層不同賦存位置x 方向最大位移云圖

由表2 和圖2 可知：邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨弱層賦存深度的增加，先急劇降低而后增加，此現(xiàn)象表明弱層深度對邊坡整體穩(wěn)定性起著決定性影響；由于斷層的存在，軟弱結(jié)構(gòu)面連續(xù)性被破壞，此時斷層下盤巖體具有一定抗剪強度，當(dāng)滑移沿弱層產(chǎn)生時，下盤地層阻滯潛在滑面從弱層剪出口剪出，從而改變潛在滑動面位置，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性目的；在50～0 m 位置時，下部巖體表現(xiàn)為沿弱層走向的剪切破壞；在－25 m 位置時，下部巖體遇斷層后沿斷層產(chǎn)生向上位移，并沿斷層剪出，此時斷層未完全破壞，煤層頂板巖體產(chǎn)生少量位移；在－50 m 位置時，下部巖體對斷層造成完全破壞，此時斷層處位移方向仍與弱層近乎平行，過斷層后沿煤層底板剪出，但位移值有所減弱；邊坡潛在滑移模式為剪切圓?。鯇酉嘟Y(jié)合的組合滑動，逐漸發(fā)展為剪切圓?。鯇樱瓟鄬酉嘟Y(jié)合的組合滑動，最后在斷層破壞后形成剪切圓弧－弱層－斷層－煤層底板相結(jié)合的組合滑動。

2.2 弱層厚度對含正斷層邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究弱層厚度對含正斷層邊坡穩(wěn)定性影響，分別建立弱層厚度為1、3、5（初始狀態(tài)）、7、9 m 的5種情況下數(shù)值模型，弱層不同厚度邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表3，弱層不同厚度x 方向最大位移云圖如圖3。

表3 弱層不同厚度邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖3 弱層不同厚度x 方向最大位移云圖

由表3 和圖3 可知：邊坡穩(wěn)定性隨弱層厚度的增加逐漸降低；隨著弱層厚度的增加，邊坡整體滑移量增大，且均發(fā)生在弱層與斷層交會面附近；在厚度為9 m 時整體滑移增量成倍數(shù)增加，斷層形成小幅貫穿式破壞，沿邊坡方向產(chǎn)生較大位移，并沿煤層頂板剪出；邊坡潛在滑移模式在弱層厚度為1～7 m時，為剪切圓?。鯇樱瓟鄬酉嘟Y(jié)合的組合滑動，在厚度為9 m 時，為剪切圓弧－弱層－煤層頂板相結(jié)合的組合滑動。

2.3 弱層傾角對含正斷層邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究弱層傾角對含正斷層邊坡穩(wěn)定性影響，分別建立弱層傾角為0°、2°（初始狀態(tài)傾角）、4°、6°、8°的5 種情況下數(shù)值模型圖。弱層不同傾角邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表4，弱層不同傾角x 方向最大位移云圖如圖4。

表4 弱層不同傾角邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 弱層不同傾角x 方向最大位移云圖

由表4 和圖4 可知：邊坡穩(wěn)定性隨弱層角度的增加逐漸降低；斷層附近最大位移等值線由下盤逐漸向斷層上盤轉(zhuǎn)移，位移量也逐漸減小，隨著角度的增加最大位移逐漸減小，即0°時在斷層下盤產(chǎn)生相對較大位移，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?°時下盤只有微量位移；出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因為隨著角度的增加，弱層上部土體減少，荷載降低，且弱層與斷層夾角逐漸減小，斷層充當(dāng)“擋土墻”效果逐漸顯現(xiàn)，邊坡潛在滑移模式為剪切圓?。鯇樱瓟鄬酉嘟Y(jié)合的組合滑動。

3 邊坡變形破壞治理

為保障露天礦開采工作安全高效進行，相應(yīng)治理措施如下：

1）搬遷避讓措施。隨著上部覆巖荷載增加，弱層與正斷層復(fù)合作用下邊坡穩(wěn)定性急劇下降，為了保障礦山安全生產(chǎn)，應(yīng)及時清理搬遷坡頂50 m 范圍內(nèi)建構(gòu)筑物及無關(guān)設(shè)備。

2）削坡減重。及時對上覆巖體進行削坡減重，同時降低整體邊坡角，是保證邊坡整體穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3）邊坡加固。對含有弱層且傾角過大的邊坡增設(shè)抗滑樁、錨桿等加固設(shè)施，以提高局部邊坡穩(wěn)定性。

4）監(jiān)測措施。對弱層控制區(qū)域內(nèi)的邊坡進行實時變形監(jiān)測，及時采取相應(yīng)的防治措施，確保工作人員生命財產(chǎn)安全。

5）降水措施。為防止地下水對弱層的軟化，將水位線降至弱層以下，減小軟化風(fēng)險，確保整體邊坡安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

弱層與斷層的相對空間位置關(guān)系、弱層性質(zhì)是該類邊坡災(zāi)變演化的主要控制因素。當(dāng)弱層與正斷層相交，因斷層破壞弱層的連續(xù)性且坡角巖體強度增大等因素，邊坡穩(wěn)定性有所提升，說明此時正斷層對滑坡有抑滑作用。當(dāng)弱層厚度增加，強度降低時，邊坡穩(wěn)定性呈逐漸降低趨勢，直至破壞。當(dāng)弱層傾角變大，邊坡穩(wěn)定性隨之逐漸降低，最大位移量隨上部覆巖荷載減小而減小。改善弱層與正斷層復(fù)合作用下邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵主要是提高弱層強度，減小坡體上部荷載。