基于“表-深”联合监测方法的露天煤矿边坡破坏模式研究

李正胜，李刚强

(华北科技学院 安全监管学院，河北 廊坊 101601)

随着露天矿开采强度的增大，我国露天边坡高度正在以每年10m左右的速度向下延伸[1]。露天煤矿产能的増大和数量的不断增多，边坡稳定性问题愈来愈突出。滑坡的数量多、规模大，难于防治，造成的损失极为惨重[2，3]。近年来国内外众多学者针对高陡边坡的稳定性监测与评价进行了大量的研究。陈祖煜发展了塑性力学理论改进和优化了条分法[4]。朱大勇、钱七虎等[5]提出的临界滑动场理论，能够准确地确定边坡的任意形状和临界滑动面。吴浩[6]基于灰色系统理论分析实例边坡的变形监测数据，建立数学模型对边坡变形进行了成功预测。张金贵[7]综合分析了魏家峁露天煤矿工作帮边坡地质条件、边坡现状，对边坡失稳机理及破坏模式进行了分析。张波、王旭、丁参军[8-10]等依据有限差分折减理论，采用数值模拟的手段分析了边坡稳定性失稳机理，并将模拟不收敛的结果默认为边坡已产生失稳破坏。在边坡监测方面，应用较为成熟的手段主要集中在两个方面：边坡位移和应力监测。丁晓利[11]等开发了一机多天线GPS系统，使得一套GPS仪器可以监测多点位置，使用成本大大降低。何满潮[12，13]院士开发了滑坡地质灾害远程实时摄动监测系统(SF-RMWS)，该系统通过监测边坡岩体内的牛顿力变化，实现了边坡的稳定性动态监测。由此可见，现阶段学者的研究都是针对边坡的静态工况进行单一的边坡稳定性评价或者相对稳定的边坡进行监测和分析，监测只是作为一种预防性手段，对于数据的挖掘和研究不够，本文针对已经发生潜在滑移的边坡，通过现场查勘、滑移体地质勘察、边坡深部位移与边坡表面位移联合监测以及数值分析等措施，深度挖掘“表-深”联合监测数据信息，确定边坡的滑移面位置，为滑坡的预测预报提供基本数据支持，保障矿山的安全高效开采。

1 工程背景

魏家峁露天矿西南帮在推进过程中，工作帮中部在1112水平以上的土岩分界面处突遇软弱土层，岩体内部大量积水与淤泥持续涌出，淤泥层不断塌陷滑落。地表最大沉降达到约2.5m且沉降边缘持续外扩，滑坡隐患区域后缘下沉、前缘鼓起，第一级滑体已初步形成。边坡变形区域后缘宽度约355m，前缘宽度约为475m，影响范围大，边坡滑移位置及监测布置如图1所示[14，15]。针对魏家峁露天矿边坡已经产生滑移并且滑移面较大的特点，常规的边坡稳定性评价已经失去意义。本文通过现场查勘、滑移体地质勘察、边坡深部位移与边坡表面位移联合监测等措施，查明了边坡滑移面具体位置，确定了边坡岩体的破坏模式及滑移类型，深度挖掘位移监测数据揭示了边坡滑移破坏演化机理。

2 边坡“表-深”联合监测分析

为了精准确定边坡滑移面位置，掌握滑坡体运动位移特征，采用边坡表面GPS和深部滑动测斜仪联合监测的方式，在滑移区域共布置3个剖面6个深部位移监测点和P-1、P-2、P-3，3条监测线共9个GPS监测站并结合地质钻探工作，查明了滑移区域岩土体的弱层赋存、发育情况以及水文地质条件。

采场滑移区域安装ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6个滑动测斜测仪，利用滑动测斜仪进行地下水平位移精确测定，确定滑带层位。

ZK1、ZK2监测孔远离滑坡后缘，位移数据没有明显变化，其主要作用是揭露地下地层分布(此两点数据不再列出)。对于P-1剖面ZK3，P-2剖面ZK5、ZK6，P-3剖面 ZK4监测孔，监测结果如图1—图4所示。

图1 ZK3位移深度曲线

图2 ZK4位移深度曲线

图3 ZK5位移深度曲线

图4 ZK6位移深度曲线

由监测数据曲线可以看出，ZK3、ZK4、ZK5、ZK6监测点钻孔发生了明显了剪切位移，边坡潜在滑移面在孔口下27～32m处，边坡滑移区域的深部位移曲线呈现出明显的“S”型变化趋势，以此可以看出此次边坡岩体的破坏模式为剪切型破坏。结合现场工程勘察和滑移面深度可以得出滑移面位于强风化泥岩和强风化砂岩交接面处的演化弱层部位，边坡此时处于临滑状态，由于受小范围的底鼓压脚和极寒天气导致土体冻结，边坡变形暂未加速。

2.2 边坡表面位移监测

在滑体上设置3条监测线P-1，P-2，P-3共9个监测站进行地表位移监测，GPS监测累计位移值位移历时曲线如图5、图6所示。

图5 边坡水平位移变化历时曲线

图6 边坡垂直位移变化历时曲线

DW1-DW7这7个监测点位移累计位移量较大，移动明显，且方位角较为接近，为31°～ 48°，边坡表面位移数据统计见表1。由此可确定滑体范围以及滑体的滑动方向为北东方向。+1128m、+1144m平盘上监测点(DW6、DW7、DW8、DW9)的水平位移量较+1260m平盘上监测点(DW1、DW2、DW3)的水平位移量大，而竖直位移量上则是+1260m平盘上监测点较大，说明了+1260m及以上平盘位置处岩土的移动以坐落为主，+1128m、+1144m平盘位置处岩土的移动以向临空面滑移为主。此外，DW4、DW5位于滑坡范围外。

3 边坡破坏模式分析

根据研究区域的工程地质模型，选取工作帮剖面GZB-1进行数值分析。计算模型沿边坡倾向长度为860m，最大垂直高213m。模型的前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后以Y方向位移约束，模型的左、右方向以X方向位移约束，模型的底部以Z方向位移约束，构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。计算采用摩尔库伦模型来描述，边坡岩土体力学参数参照文献[7]。

通过边坡X方向的位移如图7所示，由图7可知，边坡的位移最大值发生在边坡坡肩位置，并在前缘坡脚位置达到最大值，说明边坡发生的是应力卸荷后的牵引式滑坡，坡体的位移明显看出边坡是沿软弱夹层的圆弧状滑移；同时位移矢量的方向与表一监测数据完全吻合，此次模拟显示的边坡滑移面位置正好处在泥岩底板与砂岩交界面处，这与现场深部表面位移监测得出的边坡滑移面深度高度吻合，再次证明了此次计算的准确性。

边坡塑性区如图8所示，由图8可知，边坡整个岩土体发生了拉剪混合破坏，并且整个破坏贯穿坡体全部，边坡坡肩粉砂层位置出现了拉张破坏，表明此处边坡岩体在经历了开挖卸荷后出现了剪切屈服破坏，从力学机理上可以断定边坡发生了“开挖卸荷—剪切破坏”，从塑性区宏观模式上边坡岩土体表现为“蠕滑—拉裂”牵引式滑坡，这也与边坡联合监测的位移趋势吻合度较高；边坡塑性区的贯通破坏区域主要集中在+1112～+1165m水平，长度范围为175m，边坡坡脚的逐步滑移造成边坡内部锁固段的链式破坏失稳，产生了大量的伴生裂缝，伴生裂缝的汇集造成了整个坡体的拉裂破坏，造成边坡整体失稳。

图8 边坡塑性区

通过边坡“表-深”联合监测数据监测和数值模拟分析可以看出边坡位移呈现出 “急剧增长-缓慢平衡-再次调整”的“L”型变化过程，这说明此处边坡的稳定性由软弱结构面和边坡岩体共同控制，边坡发生的为沿软弱夹层滑移的圆弧形破坏；另外此次滑坡主要受坡体局部上层滞水的影响，下部泥岩经过长期的浸泡，形成了典型的演化弱层，呈淤泥状，其强度指标极低。现场剥离推进后，应力释放，导致边坡发生了蠕动变形，边坡沿着软弱夹层发生底部圆弧状的滑动，并引起上覆粉土、粉砂层的破坏，坡体内目前塑性区贯通，边坡处于欠稳定状态下，结合现场“表-深”联合监测以及数值模拟分析可以得出此次魏家峁矿边坡岩体的破坏演化机理和边坡破坏模式如图9所示。

图9 边坡破坏演化过程

4 结 论

1)联合监测的位移都呈现出“急剧增长-缓慢平衡-再次调整”的“L” 型变化过程，说明岩土体产生了明显的剪切位移，边坡潜在滑移面在孔口下27～32m处，现阶段边坡处于临滑状态。

2)边坡移动方位角为31°～48°，滑体的滑动方向为北东方向。边坡岩体的破坏模式为剪切型破坏，边坡滑移主要呈现出 “开挖卸荷—剪切破坏”力学机理。

3)此次滑坡在宏观模式上为“蠕滑—拉裂”型牵引式滑坡，系坡体局部上层滞水造成泥岩长期浸泡，形成淤泥状的演化弱层，剥离推进后，应力释放，边坡发生沿软弱夹层的圆弧状的滑动。