某露天矿南端帮边坡稳定性分析及治理措施

陈亚飞，纪玉石，韩 猛

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

某矿南端帮边坡自2015年以来曾多次发生滑坡或片帮现象，截止到2017年9月,在原有滑坡的基础上，滑坡后缘向南延伸了25 m，地表出现了众多平行于滑坡后缘边界线的裂缝，裂缝宽度0.5～10 cm不等，裂缝逐渐接近剥离生活区，滑体东西宽约150 m。该矿南端帮地表标高为+653 m,原滑体前缘578平盘裂缝宽度达0.5～1.0 m，数量众多，平盘出现严重底鼓与隆起现象，且滑体前缘底鼓与隆起位置向前移动了约60 m，至566水平，滑体有进一步向前滑动的趋势，现已影响到南端帮岩土剥离工作，后续将严重影响南端帮下部煤层开采工作。因此，对南端帮进行综合治理已迫在眉睫。

1 地质条件概况

矿区全部被第四系地层所覆盖，区内发育的地层自上而下有：新生界第四系海拉尔组（Qh）、伊敏组（K1ym）、大磨拐河组（K1d）、甘河组（K1gh）、中生界白垩系下统的龙江组（K1lj）。研究地层主要涉及新生界第四系海拉尔组（Qh）和伊敏组（K1ym）2组地层。

1）新生界第四系海拉尔组（Qh）。上部为腐植土、风成砂，下部为砾石、黏土及亚黏土,该组地层厚度为18.8～61.0 m,平均29.4 m，与下伏伊敏组地层呈不整合接触。

2）中生界白垩系下统伊敏组（K1ym）。本组地层为一套粗碎屑岩夹特厚煤层沉积的含煤地层，地层厚度为230.0～280.0 m,平均250.0 m，与大磨拐河组地层呈整合接触。该组地层由泥岩、碳质泥岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和煤层组成。可采煤层为9煤和10煤，9煤层是本区的主采煤层，埋藏深度最小22.0 m，最大270.0 m，煤层可采厚度最小5.10 m，最大50.94 m，平均31.94 m。10煤层埋藏深度最小22.0 m，最大280.39 m，煤层可采厚度最小0.40 m，最大7.28 m，平均2.01 m。

2 岩土物理力学参数

该矿影响边坡稳定的不利地质因素较多，而关于南端帮的专向地质资料有限，因此在南端帮滑坡区域新增1条勘探线，4个钻孔，从南至北依次为ND17-1、ND17-2、ND17-3、ND17-4，用以查清软弱层位置、厚度、不良地质构造、滑坡参数等。根据本次滑坡区补充地质勘察所得试验成果、以往岩石物理力学性质试验成果及岩石-岩体折减结果，同时参考以往地质资料，结合滑坡反分析所确定的弱层指标。岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学推荐指标

3 南端帮边坡稳定性评价

极限平衡法又称条分法，常用于边坡稳定性评价当中，该方法主要具备计算模型简单易懂、计算参数相对固定、计算结果物理意义明确等特点。该方法主要思想是假设潜在的滑动破坏面，并将滑体划分为若干条块，通过对每个条块建立静力平衡方程来建立整个滑体的平衡方程，并将潜在滑面上的抗剪力与剪切力之比作为潜在滑体的稳定性系数。随着极限平衡法的发展，出现了很多更为简化的方法，例如 Bishop法、Ordinary法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-price法、Sarma法、不平衡推力法和传递系数法等[1]。本次稳定性计算采用Morgensternprice法来求解边坡的安全稳定性系数[2]，该方法考虑了全部平衡条件与边界条件来消除计算方法的误差，使得计算结果更加精确。

本次南端帮边坡安全储备系数的确定主要按照《煤炭工业露天矿设计规范》之有关规定，边坡稳定系数Fs见表2。依据对研究区域工程地质条件的认识程度和对所收集到的资料的掌握程度，以及边坡稳定性对露天矿生产的重要程度，确定南端帮边坡安全储备系数为1.1[3]。

表2 边坡稳定系数Fs

本次在南端帮共建立剖面15和剖面16进行现状边坡稳定性分析计算。剖面15和剖面16地形剖面图及稳定计算结果如图1～图5。

图1 剖面15滑坡后地形剖面图

图2 剖面15现状边坡滑体沿滑面继续下滑稳定计算结果

图3 剖面15现状边坡滑体后缘后扩并沿弱层下滑稳定计算结果

经计算剖面15区域现状边坡滑体沿滑面继续持续下滑的稳定系数为1.023，滑体后缘后扩并沿弱层剪出时的稳定系数为1.029，边坡稳定性处于临界状态。经计算剖面16区域现状边坡稳定性系数为0.995，潜在剪出位置为602水平，边坡处于不稳定状态。

图4 剖面16地质剖面图

图5 剖面16现状边坡稳定计算结果

通过对剖面15和剖面16进行稳定性分析计算，得出剖面15区域边坡处于临界状态，剖面16区域边坡处于不稳定状态。

4 南端帮边坡治理措施

通过前面的稳定性分析，得出该矿南端帮边坡稳定系数不能满足安全储备要求，因此需采取必要的边坡治理措施，以防止边坡滑坡范围持续扩大，并保证后续剥离及开采工作人员、设备安全。建议南端帮边坡治理措施应以削坡减载、清理滑体、调整边坡参数为主，同时辅以地下水防治措施及边坡监测措施[4-9]。

4.1 削坡减载和清理滑体及调整边坡参数措施

由于南外排距南端帮最近距离为542 m，因此在扩帮的同时应考虑南端帮与南外排的安全距离。选剖面15为计算剖面，以2018年设计边坡坡脚为基准。当边坡角为15°时，须要向南扩帮131 m，此时边坡稳定性系数为0.675。当边坡角为14°时，需向南扩帮166 m，此时边坡稳定性系数为0.708。当边坡角为13°时，需向南扩帮205 m，此时边坡稳定性系数为0.739。当边坡角为12°时，需向南扩帮254 m，此时边坡稳定性系数为1.103。当边坡角为11°时，须向南扩帮317 m，此时边坡稳定性系数为1.274。坡角-稳定系数关系表见表3。

根据边坡角与稳定性关系可以看出在坡角从13°到12°变化期间，稳定系数发生非线性变化，这是因为此时边坡上部滑体基本清理干净，滑坡模式从大于13°时以滑体松散物滑动为主转化为沿深部弱层滑动为主，因此在该处产生明显的拐点。为保证扩帮后南外排土场-采场复合边坡稳定性，同时以尽量减少扩帮工程量为出发点，推荐采用滑体全部清理、以12°（边坡稳定性系数Fs=1.1）作为现阶段边坡参数调整方案。

表3 坡角-稳定系数关系表

4.2 防排水措施

通过不同含水率试验可知，随着含水率的增大，岩石的抗剪强度急剧降低，尤其是对黏聚力的影响更为明显。南端帮第四系边坡为主要持水边坡，砂土砾石层为主要含水层，砾石层下方黏土层为主要隔水层，同时也是潜在弱层，当黏土层在地下水长期滞留浸泡作用下，黏土层强度势必降低，对边坡稳定较为不利，本次地质调查发现南端帮出水位置主要在砂土砾石层与黏土层交界处，南端帮最初滑坡也是沿着该层，因此第四系潜水对边坡稳定的影响必须加以重视。

1）地表水处理。露天矿南端帮地面区域总体地势较低，极易造成汇水滞留，地质调查时发现南端帮地面有汇水存在。地面汇水对南端帮第四系边坡稳定极为不利，建议采用疏水明渠或积水坑的方式，及时进行地面汇水疏排。

2）滑坡区防水措施。建议在滑坡区周围设置防水围堰，防止地面汇水沿裂缝渗入地下,活化滑面及弱层。同时，一旦发现滑体内有地下水渗出必须立即疏排，严禁水体在滑体前缘滞留。

3）地下水疏干。通过补充地质调查发现，南端帮涌水主要来自风成砂层和第四系地层交界处。因此，建议针对南端帮风成砂层的潜水进行疏干，以提高南端帮四系层岩体力学强度。

4.3 边坡监测

南端帮现状边坡处于不稳定状态，既存在既有滑体持续下滑风险，又存在滑坡范围扩大风险，因此在后续剥离尤其扩帮清理滑体过程中，必须保证在边坡实时监测条件下进行，防止灾害性滑坡发生。综合考虑南端帮工程地质条件差、滑坡灾害频发、与南外排土场最终形成约330 m高大复合边坡的客观现实，其边坡监测必须满足“全覆盖”、“面监测”、“实时预警”等要求，结合目前国内边坡监测领域各类技术的优缺点及适用条件，建议采用MSR边坡雷达监测预警系统作为边坡监测主要措施[10-11]。

5 结语

研究区域地层自上而下由腐植土、风成砂，砾石、黏土及亚黏土，泥岩、碳质泥岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和煤层组成。综合推荐岩土体弱层指标为：第四系弱层黏聚力C=8.8～11.3 kPa,内摩擦角φ=10.1°～11.2°, 密度 ρ=1.78 t/m3。泥岩弱层 C=9.5～12.7 kPa，φ=7.9°～9.4°，ρ=17.8 t/m3。通过稳定性分析计算，得出剖面15区域边坡处于临界状态，剖面16区域边坡处于不稳定状态。南端帮边坡治理措施应以削坡减载、清理滑体、调整边坡参数为主，同时辅以防排水措施及边坡监测措施。