布沼壩露天礦西幫軟巖邊坡變形機(jī)理研究

劉定帥，付 易，孫志輝，張傳偉

（1.云南小龍?zhí)兜V務(wù)局有限責(zé)任公司，云南 開遠(yuǎn) 661699；2.昆明煤炭設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650011）

露天礦邊坡伴隨著開采作業(yè)而存在，邊坡既服務(wù)于采礦作業(yè)，同時又受到采礦工藝的制約。隨著開采的進(jìn)行，采場不斷擴(kuò)幫延深及排土場升段，邊坡暴露的范圍、持續(xù)時間也在不斷增加[1]，邊坡失穩(wěn)幾率及邊坡維護(hù)費用會相應(yīng)增加。人工擾動是導(dǎo)致邊坡滑坡的主要外在因素，而邊坡體結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致邊坡滑坡的主要內(nèi)在因素[2]。其中以松散結(jié)構(gòu)及軟弱巖類層狀結(jié)構(gòu)邊坡最易發(fā)生邊坡失穩(wěn)[3]，導(dǎo)致露天礦邊坡的滑動、崩塌，給礦山人員安全、國家礦產(chǎn)資源和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益造成嚴(yán)重危害和損失，邊坡穩(wěn)定性與露天礦安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率密切相關(guān)，而且邊坡失穩(wěn)也對礦區(qū)自然形態(tài)和地質(zhì)環(huán)境影響重大[4]。因此，充分研究并掌握軟巖邊坡變形機(jī)理及過程并采取行之有效的治理措施，對確保安全生產(chǎn)及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要[5]。

1 工程概況

布沼壩露天礦西幫局部臺階滑塌發(fā)生于采場西幫南段，高程1 160～1 090 m，東西長約180 m，南北寬約140 m，初始變形區(qū)范圍2.5 萬m2，變形區(qū)后緣位于西幫1 164 m 水平民用道路內(nèi)側(cè)。

1.1 工程地質(zhì)特征

1）滑塌區(qū)邊坡分布有大量的第四系表土、新第三系薄煤段至東升橋黏土巖段（N1－2X1－2）軟弱巖組，其巖體特性不利于邊坡穩(wěn)定。

2）第四系表土、新第三系薄煤段、新第三系東升橋黏土巖，邊坡巖土體水理性差，具明顯的軟化和膨縮性?；鷧^(qū)邊坡在水長期浸潤軟化下，第四系表土層、新第三系薄煤段、新第三系東升橋段黏土巖將處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)檫吰氯鯇?，形成滑坡?/p>

3）滑塌區(qū)邊坡為一套新第三系沉積地層順層邊坡，地層傾角與現(xiàn)狀邊坡角基本一致，邊坡穩(wěn)定性相對較差。構(gòu)成布沼壩露天礦西幫邊坡不穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面有：第四系表土與新第三系薄煤段－東升橋段黏土巖（N1－2X1－2）的接觸面，新第三系薄煤段與東升橋段黏土巖接觸面，東升橋段黏土巖與基底三疊系中統(tǒng)個舊組白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)砂巖接觸面。根據(jù)礦山多年生產(chǎn)經(jīng)驗，礦山以往發(fā)生的滑坡多位于上述結(jié)構(gòu)面中。

4）滑塌區(qū)位于原古河道（沖溝）下游方向，古河道位置分布有沙土、礫石層，構(gòu)成良好的透水層和流水通道，隨著礦山開采古河道地表流水雖已截流，但仍有部分水沿古河道下滲后從邊坡滲出，滲出的地下水造成邊坡巖體軟化，誘發(fā)邊坡滑坡。

5）滑塌區(qū)原始邊坡地形坡度約2°，隨著礦山開采，滑塌區(qū)地形地貌已發(fā)生巨大改變，目前滑塌區(qū)已形成200 m（1 167～967 m 水平）的高邊坡，邊坡整體坡度12°～15°，因人工邊坡形成的時間相對較短，邊坡開挖后應(yīng)力重新分布亦將引起邊坡變化。

1.2 變形體形態(tài)特征

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，變形體移動方位為正東，滑塌前變形區(qū)后緣1 160～1 164 m 水平裂縫形成于2021 年7 月2 日—5 日，裂縫呈多組（2～3 組）相互平行、間斷相連。后緣裂縫呈南北向弧形分布，張性裂縫，分布范圍長達(dá)75 m，裂縫寬5～20 cm。后緣裂縫走向基本與變形體位移方向垂直。變形體前緣地表裂縫首次發(fā)現(xiàn)于2021 年7 月5 日，裂縫呈南北向分布，鼓張性裂縫，裂縫長約33 m。變形體兩翼裂縫顯示出明顯的羽狀剪切裂縫特征，變形范圍較為清晰。2021 年7 月14 日，變形區(qū)邊坡發(fā)生了滑塌，在礦務(wù)局重大風(fēng)險管控到位，應(yīng)急處置決策科學(xué)、措施得當(dāng)?shù)那闆r下，礦山實現(xiàn)成功避險，有效避免了人員傷亡和重大財產(chǎn)損失?；l(fā)生后，該區(qū)形成1 個東西長570 m，寬145 m，后緣滑塌陡坎約20 m，前緣滑舌高10 m，滑塌周界面積9.44 萬m2的滑動帶。

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 計算方法和數(shù)值模型

此次西幫局部滑塌的主要原因是降雨導(dǎo)致的西幫部分巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化，采用剛體極限平衡法對西幫滑塌區(qū)域邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性求解將使計算結(jié)果脫離實際。此外滑體兩側(cè)為巖體力學(xué)參數(shù)較高的灰?guī)r，滑體與兩側(cè)灰?guī)r形成軟弱接觸面，二維極限平衡法分析已不能準(zhǔn)確反映滑塌區(qū)域的穩(wěn)定性情況。在這種情況下采用能還原巖體力學(xué)參數(shù)隨降雨弱化過程的強(qiáng)度折減法對滑塌區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性分析更為合理[6]。因此，本次分析利用FLAC3D軟件采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行。

發(fā)生局部臺階滑塌后，小龍?zhí)兜V務(wù)局公司根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，立即對滑塌區(qū)域開展應(yīng)急地質(zhì)補(bǔ)充勘察工作，進(jìn)一步查明地層分布特征并獲取了詳細(xì)的巖土體力學(xué)參數(shù)，同時結(jié)合以往勘察資料，確定各邊坡穩(wěn)定性分析所需各項力學(xué)指標(biāo)，確保了邊坡分析的準(zhǔn)確性，也為后續(xù)綜合治理打下基礎(chǔ)。

根據(jù)西幫邊坡的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，利用FLAC3D分析軟件建立模型。此次數(shù)值模擬旨在分析降雨及地下水導(dǎo)致的西幫巖土體抗剪強(qiáng)度劣化所引發(fā)的局部臺階滑塌。采用有限差分分析程序?qū)ξ鲙瓦吰逻M(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模型四周邊界約束法向速度，底部約束x、y、z 方向速度，其它邊界為自由邊界。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

1）位移。位移云圖如圖1。通過FLAC3D分析軟件位移云圖分析表明，滑塌前變形區(qū)域巖土體最大水平位移集中于坡頂臨空面附近的第四系黏土層、鈣華、黏土、粉土、人工填土及炭質(zhì)黏土巖處。坡體1 164～1 135 m 水平易發(fā)生較大位移。1 164 m 水平的第四系黏土運(yùn)動趨勢以坐落為主，1 135 m 水平的黏土、人工填土、粉土的運(yùn)動趨勢以底鼓為主。

圖1 位移云圖

2）應(yīng)力場。應(yīng)力分布圖如圖2。通過應(yīng)力場分析，邊坡體的應(yīng)力分布特征為：在邊坡巖體自重的作用下，在坡表層一定深度范圍內(nèi)，應(yīng)力分布基本平行于斜坡面，且從邊坡上部向坡腳拉應(yīng)力逐漸減小，壓應(yīng)力逐漸增大，坡腳處壓應(yīng)力最大。從坡表層向深部，這一變化特點逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到一定深度之后，將恢復(fù)初始地應(yīng)力狀態(tài)。另外，F(xiàn)4和F7斷層破碎帶的存在阻礙了坡體水平方向的應(yīng)力傳遞，使破碎帶周圍的巖土體形成明顯的應(yīng)力梯度，有利于破碎帶附近巖土體的裂紋發(fā)育，更易發(fā)生破壞。

圖2 應(yīng)力分布圖

3）潛在滑移面位置分析及破壞模式分析?；瑒用嫖恢眉捌茐哪Ｊ綀D如圖3?；笪鲙途C合治理區(qū)潛在滑動面有1 處，位于1 175～1 135 m 水平，剪切入口在1 175 m 水平附近，剪出口在1 135 m 水平附近?；蟮幕履Ｊ綖椤巴埔剖健被?。

圖3 滑動面位置及破壞模式圖

2.3 監(jiān)測預(yù)警及處置

邊坡監(jiān)測預(yù)警是發(fā)現(xiàn)邊坡初期變形的重要技術(shù)手段[7]，有利于露天礦提前采取防治措施，科學(xué)的監(jiān)測預(yù)警有利于避免人員傷亡和減少財產(chǎn)損失[8]。在邊坡變形影響因素中，水是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素[9]，因此將此次滑塌前監(jiān)測數(shù)據(jù)及降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，累計位移與降雨量歷時曲線圖如圖4。2021 年6 月初，礦區(qū)持續(xù)降雨，受降雨影響，336－338 線邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示存在蠕動變形，露天礦加強(qiáng)了監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤分析。

2021 年7 月2 日，位移速度超過20 mm/d，當(dāng)天巡查發(fā)現(xiàn)道路側(cè)出現(xiàn)地表裂縫。露天礦發(fā)布4 級預(yù)警，增設(shè)了監(jiān)測點位，開始實施清方減載，對該區(qū)域植被進(jìn)行清理并梳理排水溝，要求進(jìn)行每日巡查，24 h 專人值守，每日匯報監(jiān)測數(shù)據(jù)情況。2022 年7月11 日，位移速度超過60 mm/d，發(fā)布三級預(yù)警，露天礦領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)業(yè)務(wù)部門到崗、到位，劃定變形區(qū)域警戒范圍，切斷供電線路及帶式輸送機(jī)，無關(guān)人員禁止入內(nèi)，封堵周邊道路，每12 h 匯報1 次監(jiān)測數(shù)據(jù)情況。2022 年7 月12 日，位移速度超過80 mm/d，發(fā)布二級預(yù)警，應(yīng)急搶險指揮部、應(yīng)急行動小組、應(yīng)急搶險隊員駐礦待命。2022 年7 月14 日，位移速度超過100 mm/d，發(fā)布一級預(yù)警，人員設(shè)備撤離，所有應(yīng)急人員到達(dá)現(xiàn)場安全區(qū)域集結(jié)，完成疏散及現(xiàn)場秩序維護(hù)，準(zhǔn)備搶險。晚上20：00 發(fā)生滑塌，無人員傷亡，設(shè)備損失降到最低，完成邊坡滑坡成功處置。變形速度曲線圖如圖5。

圖5 變形速度曲線圖

2.4 滑塌原因

根據(jù)以上分析結(jié)果，布沼壩露天礦西幫軟巖邊坡變形滑塌內(nèi)因是：該區(qū)邊坡為順層結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且邊坡巖體松散、軟弱，水理性較差，邊坡巖體具有膨脹和極強(qiáng)的軟化特性，邊坡穩(wěn)定性較差。誘發(fā)因素是：受大氣降水浸潤軟化，土體容重增加，應(yīng)力重新分布，軟弱結(jié)構(gòu)層抗滑力不足，導(dǎo)致邊坡發(fā)生變形、滑塌。

3 結(jié)語

以布沼壩露天礦西幫局部臺階滑塌為主要研究對象，通過邊坡體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析說明了西幫軟巖邊坡滑塌的主要特征及影響因素，同時利用FLAC3D進(jìn)一步闡釋、論證了露天礦軟巖邊坡變形機(jī)理及特征。針對隨生產(chǎn)推進(jìn)與日俱增的邊坡風(fēng)險，深入全面的隱蔽致災(zāi)因素分析及變形機(jī)理分析愈發(fā)具有重要性。此次露天礦西幫局部臺階滑塌從前期數(shù)據(jù)、變形特征、工程地質(zhì)特征收集較為全面，處置較為成功。同時通過深入分析，也充分揭示了軟巖邊坡的變形機(jī)理與特征，對后續(xù)露天礦邊坡分析與防治工作具有重要的現(xiàn)實意義。