某露天煤矿粉质黏土边坡稳定性分析及治理

刘 博，姬 莉，吴 姗

（1．北京商务中心区管理委员会，北京100011；2．北京首都国际机场股份有限公司，北京100621；3．北京矿冶研究总院，北京100160）

露天矿开采是各类矿物开发主要的方式之一，全世界固体矿物产量的三分之二采用露天开采，在各类露天矿山的开发与开采过程中，边坡岩体安全稳定性是制约着矿山经济效益最主要的影响因素［1］。提高矿山经济效益的一条有效途径是提高边坡角，提高边坡角可以增加矿石开采量、减少剥离量和降低开采成本，但是提高边坡角后，就会影响边坡岩体的稳定性，使边坡发生变形和破坏，甚至滑坡，严重影响矿山安全生产［2－3］。

我国已对边坡稳定性问题进行了广泛研究，并在边坡稳定性分析与研究、滑坡的预测预报以及边坡的工程治理技术等方面都取得了很大进展，在己形成的独立的学科体系的边坡工程领域取得了丰硕成果［4－5］。本文通过对某露天矿边坡稳定性进行分析与研究，揭示其滑坡成因，对露天矿采场最终边坡稳定性做出了客观评价，达到指导生产、治理边坡的作用。

1 工程概况

1．1 工程地质概况

本区整体上为一北东高、南西低的单斜构造，地层基本走向为NW、SE向，倾向S45°W，地层倾角在2～7°之间，大部分范围不大于5°。由于地层倾角近于水平，表现出泛褶曲现象，即微小的波状起伏使地层发生明显的走向变化，表现为等高线大幅度的弯曲。

矿田东西长4．42～5．47km，南北宽6．53～10．3km，总勘探面积48．73km2。根据钻探揭露的地层，勘察区地层主要为新生界第四系、第三系以及晚古生界二叠系下石盒子组、山西组及石炭系太原组地层。覆盖层主要由素填土、冲洪积物、粉质黏土等构成，基岩主要由砂岩岩组、泥岩等构成，通过钻孔勘查可知，粉质黏土厚度较厚且变化明显，最薄区域几近尖灭，而最厚区域粉质黏土层厚度近100m。

1．2 采区边坡破坏模式

露天矿自基建施工以来，先后发生过数次与粉质黏土有关的滑坡（塌方），以2010年5月下旬发生的滑坡为例，东北帮边坡开挖至1360平台，该区域南侧边坡发生滑坡，滑坡后缘位于1380平台，滑坡总高度约25m，涉及1360、1380两个台阶，后缘张裂缝距1380平台眉线最大距离约20m，最大裂缝宽度达50cm。滑坡平面分布形态近似扇形，滑向为NESW。通过三维激光扫描仪得到的3D点云图可知，滑坡前缘跨度约为167m，滑坡体沿滑移方向总长度约96m。滑坡产生的主要原因包括：①滑坡前缘滑面为粉质黏土与全风化泥岩接触面，且泥岩产状倾向坡内，倾角约6．5°；②地下水的不利影响；③滑体为粉质黏土，抗剪强度较低，边坡开挖过程中，坡度较陡，破坏原有平衡状态，致使边帮塌滑。综上所述滑坡类型为重力推移式滑坡。

2 边坡岩土力学试验

通过勘探钻孔、探井和探槽取样，并进行了室内土力学实验和岩石力学实验。土力学试验包括：土物理性质（密度、含水率、比重、颗分等）、界限含水率、直接剪切试验（天然直剪、饱和直剪）、反复直剪强度试验、土三轴压缩试验、土渗透试验、土的湿陷性、土的膨胀性等。岩石力学试验包括：岩石密度、吸水率、岩石颗粒密度（比重）、孔隙率、岩石单轴压缩（天然、饱和）、岩石变角模抗剪试验及变形。根据钻探工艺及取样方法，所取土样质量等级为I级及II级。

图1 东北帮滑坡3D点云图（三维激光扫描）

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）［6］和《港口工程地基规范》（JTJ250－98）［7］，同时参考前期勘察报告及施工场地周边相似工程地质条件下岩土体的经验值，选出全区土层天然状态和饱和状态的物理力学参数建议值。各地层物理力学参数选取见表1。

表1 各地层参数建议值

3 边坡稳定性的极限平衡分析

3．1 首采区分区及剖面的选取

目前工程界在边坡稳定性分析中常用的方法仍然是传统的极限平衡法，如瑞典条分法、Janbu法、Bishop法、摩根斯顿一普赖斯法等［8］。本文运用slide软件的极限平衡法，将露天边坡划分为6个区进行边坡稳定性分析。其中东北帮两个滑坡体合并作为一个滑坡区，选取A－A、B－B、H－H剖面，此外，按照空间位置将整个首采区边坡划分成5个区，见图2。

3．2 边坡稳定性分析

3．2．1 滑坡区稳定性分析

针对矿区易发生滑坡的区域，选取西段滑坡处A－A、B－B两条计算剖面以及东段滑坡处勘察揭露的H－H工程地质剖面，计算剖面中，如剖面深度超过本次勘探深度（进入基岩深度20m），岩体类别参照围岩分布情况及以往地质勘查报告确定，见图3、图4。通过极限平衡力学分析，A－A剖面计算结果见图5，三个剖面计算结果见表2。滑坡区平均安全系数为0．66～0．80，属于不稳定区域，需加以治理。

根据工程地质勘察和稳定性分析结果，发生滑坡的原因主要包括：原设计边坡坡度较陡，矿区普遍发育的粉质黏土层地域性强，物理力学性质特殊，在区域构造营力的作用下粉质黏土地层竖向裂隙发育，从而其竖向渗透系数大于水平向渗透系数，地下水容易在此处聚集。

图2 首采区稳定性分析分区图

图3 A－A，B－B剖面位置图

3．2．2 各分区稳定性分析

分别选取多个剖面计算各分区安全系数，计算结果见表3。其中I区、II区、V区安全系数均大于1．2，边坡稳定，III区、IV区安全系数介于1．10～1．20之间，边坡基本稳定。III区、IV区地层岩性、倾角变化较大，在降雨等外部条件的影响下，极易发生滑坡，应加以治理。

图4 A－A剖面图

图5 A－A剖面计算危险滑面（圆弧）图

表2 滑坡区计算结果

表3 各分区稳定性分析计算结果

根据《煤炭工业露天矿设计规范》等相关规范，将首采区边坡分成稳定区、基本稳定区和不稳定区三类区域，见图6。边坡稳定区主要集中在非基建期南端帮、非基建期西端帮以及基建期南端帮部分区域，边坡基本稳定区主要集中在北帮和东北帮部分区域。

图6 露天边坡稳定性分区图

4 露天边坡滑坡区域治理

4．1 各区边坡角调整分析

对于不稳定区处于不稳定状态，极易发生滑坡，在遵循适度放缓，局部封闭，有效排水的原则下。提出了可行性的调整建议：松散层边坡总体坡角由原设计的26°调整为23°，粉土层坡面角保持原设计，粉质黏土层坡面角调整为34～36°，以及具体的坡面防护措施和排水措施对于基本稳定区主要针对粉质黏土层进行调整，台阶坡脚调整为50°，其他层破体采用原设计即可。做好边坡粉质黏土层及下伏全风化、强风化泥岩层的封闭、排水工程，重点防护部位为粉质黏土与下伏泥岩层界面附近。

对于稳定区采用原基建帮边坡设计参数，其余剖面松散层边坡的总体坡度建议取值范围为26～32°。

4．2 滑坡区处置方案

1）滑坡体刷坡。首先对滑坡体进行刷坡，根据适当放缓的原则，刷坡后松散层边坡总体坡角由原设计的26°调整为23°，粉土层台阶坡面角保持原设计60°，粉质黏土层台阶坡面角调整为34～36°，采用建议的不稳定区边坡断面参数，滑坡散体基本被清除。

2）滑坡体坡面防护。根据局部封闭的原则，刷坡后在粉质黏土层及下伏全风化、强风化泥岩层出露坡面进行挂土工网、喷射混凝土防护。

3）滑坡体排水。根据有效排水的原则，应尽量将滑坡体的坡外来水、坡面积水以及坡体内的水采取截、排水措施排出坡外。

4）整体施工。鉴于东北帮整体边坡基本处于临界状态，滑坡体的处治工程可与东北帮调整坡角后的施工一并展开。

5 结 论

1）通过运用slide软件的极限平衡法将首采区分成稳定区、基本稳定区和不稳定区三类区域，不稳定区主要集中在东北帮及其它帮局部区域。在实际开采过程中，需要通过边坡断面参数调整、坡面防护、坡体坡面排水及加强不稳定区边坡的变形监测等手段，确保边坡的稳定性。

2）露天矿区工程地质条件十分复杂，边坡工程勘察不可能一劳永逸，随着矿区的开挖，岩体的揭露，应不断地收集工程地质和水文地质新的信息，及时对这些新的信息及时进行研究和分析，不断补充，完善或修正已取得的研究成果。

［1］ 胡柳青，李夕兵，温世游．边坡稳定性研究及其发展趋势［J］．矿业研究与开发，2000，20（5）：7－9．

［2］ 齐更生，彭少民．国内外滑坡防治与研究现状综述［J］．地质勘探安全，2000（3）：16－19．

［3］ 夏元友，朱瑞赓，李新平．边坡稳定性研究的综述与展望［J］．金属矿山，1995（12）：9－12．

［4］ 彭德红．浅谈边坡稳定性分析方法［J］．上海地质，2005，3：44－47．

［5］ 刘立平，姜德义，郑硕才，等．边坡稳定性分析方法的最新进展［J］．重庆大学学报：自然科学版，2000，23（2）：115－118．

［6］ GB50021－2001．岩土工程勘察规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2009．

［7］ JTJ250－98．港口工程地基规范［S］．北京：人民交通出版社，1998．

［8］ 陈昌富，杨宁．边坡稳定性分析水平条分法及其进化计算［J］．湖南大学学报，2004，31（3）：72－75．