弱化后粗粒岩土力学特性及其对边坡稳定性的影响研究

费晓欧，缪海宾，王庆花，马明康，赵 贺

（1.辽宁石油化工大学 矿业工程学院，辽宁 抚顺113001；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）

某露天矿于1975 年开始露天采矿，1992 年停产，后根据需求恢复生产，恢复生产前采坑内全部积水，水位标高1 398 m。经过将近1 亿m3的积水抽排后，矿坑边坡大面积出露，南帮边坡整体高度达到140 m，西帮边坡高度达到150 m。该矿区原始地层岩性较复杂，产状变化大，岩石风化作用、岩溶作用强烈，松散软弱层厚度大。露天矿边坡在经过水的长期浸泡作用后，其岩土体强度已遭受一定程度上的损伤；经过积水抽排及后期风化作用，其岩土体强度进一步弱化。受水的软化及长期风化影响，在抽水后矿区边坡出现较为明显的局部失稳破坏，发生局部片帮和块石滚落现象。为防止露天矿边坡发生大面积滑坡现象，需探清水及风化对矿区边坡岩土体物理力学性质的影响作用。为此采用SZ30-4D 型三轴剪切试验机对风化松散层进行剪切试验，结合已滑坡区域滑坡反分析结果，综合确定研究区域岩土体物理力学性质指标，为露天矿边坡稳定评价及参数优化提供科学依据[1-4]。

1 松散体大三轴剪切试验及结果

1.1 试验方法

由于矿区边坡岩土长期受水及风化影响，采用传统的四联剪切及单轴抗压等试验已无法充分体现边坡岩土的实际力学特性，为此，采用松散体大三轴直剪试验对对广泛分布于矿区边坡的砂砾土、松散泥岩及二者混合物进行试验[5-6]。大三轴剪切试验是测定松散岩土抗剪强度的一种方法，它通常用3～4 个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，对试样进行剪切直至破坏；而后根据莫尔-库伦破坏准则，求得岩土体抗剪强度、黏聚力和内摩擦角等相关力学参数。为得到更加真实的试验指标，本次试验采用的是固结不排水剪（CU）[7-8]。

大三轴直剪试验采用SZ30-4D 型三轴剪切试验机，其适用于测定轴向应力不大于17 MPa、周围压力不大于3.0 MPa 的粗粒土岩抗剪强度及其变形特性。该仪器能进行轴向应力、应变、周围压力、孔隙压力、试样体积变化和固结排水量等参数的测试。设备采用油压方式完成轴向应力加载，对试样的周围压力采用液压比例阀施加，反压力采用气压平衡施加。仪器另配有水头压力、真空抽气、反压力等3 种不同的方式对试样进行饱和。试样尺寸为φ×h=300 mm×600 mm，每3 个样为1 组。

1.2 试验结果

结合矿区岩土体的松散特性，本次试验分别就砂砾土、松散泥岩及二者混合样进行了大三轴剪切试验。砂砾土大三轴剪切试验结果如图1，泥岩大三轴剪切试验结果如图2，砂砾土-泥岩混合样大三轴剪切试验结果如图3。

图1（a）、图2（a）、图3（a）分别为3 组试样主应力差与轴向应变之间关系曲线，相关系数R 分别为0.98、0.97、0.92，相关性较高，说明试验结果可靠。图1（b）、图2（b）、图3（b）分别为3 组试样摩尔圆强度包络线，受水浸泡及风化前后矿区岩土体力学特性对比结果见表1。

图1 砂砾土大三轴剪切试验结果Fig.1 Triaxial shear test results of gravel soil

图2 泥岩大三轴剪切试验结果Fig.2 Triaxial shear test results of mudstone

图3 砂砾土-泥岩混合样大三轴剪切试验结果Fig.3 Triaxial shear test results of gravel soil and mudstone mix sample

表1 抗剪强度对比结果Table 1 Comparison results of Shear Strength

从对比结果可知，该矿砂砾土及泥岩层组抗剪强度急剧弱化，在受长期受水浸泡及风化后，边坡砂砾土的抗剪强度和内摩擦角由8 kPa 和23.2°降低为7.4 kPa 和18.8°，泥岩的抗剪强度和内摩擦角由136 kPa 和27.3°降低为7.8 kPa 和20.7°，砂砾土黏聚力降低80.5%、内摩擦角降低19.0%，泥岩黏聚力降低94.3%、内摩擦角降低24.1%，结果表明水及风化对边坡整体稳定性构成极其不利的影响，且对黏聚力的影响要大于对内摩擦角的影响。

2 滑坡反分析

滑坡的产生相当于一次大型岩体的剪切原位试验，它是采矿和地质综合作用的结果。因此，利用滑坡反分析得到的岩体抗剪强度往往更具代表性[9-11]。根据地质资料分析及调查结果发现，矿区风化层厚度一般为60～100 m，最大可达120～130 m，矿区曾发生过较大的滑坡现象，滑坡剖面设为FS-1 剖面和FS-2 剖面，滑坡层位均发生在风化层中。FS-1 剖面滑坡前后对比图如图4，FS-2 剖面滑坡前后对比图如图5。在进行滑坡反分析时，边坡处于极限平衡状态，此时边坡稳定系数取为1.0。

图4 FS-1 剖面滑坡前后对比图Fig.4 Comparison of section FS-1 before and after landslide

FS-1 及FS-2 2 个剖面滑坡反分析结果显示砂砾土抗剪强度和内摩擦角为7.2 kPa 和19.0°，泥岩抗剪强度抗剪强度和内摩擦角为8.1 kPa 和21.1°，与弱化后砂砾土及泥岩试验结果相近，证明试验及滑坡反分析结果是可靠的，可作为该矿研究区域边坡稳定性评价依据。

图5 FS-2 剖面滑坡前后对比图Fig.5 Comparison of section FS-2 before and after landslide

3 边坡稳定性影响

露天矿的边坡工程实践表明，露天矿边坡具有以下特点：①工程的时效性:边坡大多属于临时性边坡，服务年限长短不一，只要能保证相应期间的生产与安全即可，边坡工程的时效性决定了其稳定性也具有时效性;②边坡的可变形性:可以允许产生一定的破坏，只要这种变形及破坏不致影响露天矿的安全生产即可，确保露天采矿能取得最大技术经济效益的;③边坡工程的动态稳定性:露天矿自始至终处于复杂的动态开挖、回填过程之中，边坡稳定是一个动态稳定的过程;④边坡稳定性认识的阶段性:随着露天矿开采，对矿山工程地质条件的认识不断的深化，边坡稳定性评价的认知也具有阶段性，是与露天矿生产不同阶段相适应。

根据GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范之有关规定[12]，结合研究区边坡工程地质水文地质条件的勘察程度、岩土体力学性质的掌握情况、采矿活动影响、边坡的服务年限和边坡类型等综合分析，永久边坡的安全储备系数Fs=1.3。同时，为了考虑到全部平衡条件与边界条件，消除计算方法上的误差，本次边坡稳定计算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法来确定矿坑现状边坡的安全系数，矿坑现状边坡稳定性计算结果见表2。

露天矿的现状边坡稳定性计算结果显示：①DW-1 剖面及DS-1 剖面稳定系数大于1.3，作为永久边坡，其稳定系数满足安全储备要求；②DW-2 剖面和MS-3 剖面，稳定系数分别为1.203 和1.205，均不满足安全储备要求, 根据地质资料分析，DW-2剖面2 处相距150 m 的钻孔资料显示均存在1 层厚约2 m 的泥岩弱层，长期受水浸泡及后期风化后，可认为该剖面弱层已贯通，易形成沿该弱层滑动的整体滑坡；MS-3 剖面所在区域风化强度大、裂隙发育、风化厚度深（约150 m），是稳定系数不足的主要原因。

表2 矿坑现状边坡稳定性计算结果Table 2 Slope stability results in current pit condition

4 结 语

长期停产后复采的露天矿边坡受水浸泡、风化等因素影响，极易出现局部边坡失稳破坏；采用大三轴剪切仪分别对砂砾土、泥岩及两者混合样进行了试验，试验结果显示砂砾土黏聚力降低80.5%、内摩擦角降低19.0%，泥岩黏聚力降低94.3%、内摩擦角降低24.1%，不利于边坡的稳定；对露天矿滑坡区域进行了滑坡反分析，反分析结果与试验结果吻合，认为试验结果是可靠的；对露天矿现状边坡进行了稳定分析，由于长期受水及风化影响，边坡内部弱层贯通，极易形成沿弱层滑动的整体滑坡，稳定性不足。