布沼坝露天矿南帮西段边坡滑移分析与治理

杨福卿，时旭阳，张传伟，才庆祥

（1.昆明煤炭设计研究院，云南 昆明 650011；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

煤炭露天开采过程中易形成高大端帮边坡，边坡失稳滑坡严重影响生产和人员安全，因此，保证边坡安全是露天矿山安全高效生产的基本条件[1]。布沼坝露天矿南帮西段为典型含软弱夹层软岩边坡，弱层岩土体力学指标差，在构造应力及地下水影响下易发生软化，强度进一步降低，极易形成沿弱面顺层滑坡[2-6]。边坡岩体内普遍存在软弱结构面或软弱夹层，受开采扰动影响，弱面夹层产生发育扩张，贯通后将形成主动滑面，诱发滑坡灾害[7-8]；水是影响弱面力学特性的另一关键因素，在降雨、地下水补给作用下，结构面或弱层充水甚至达到饱和状态，强度参数进一步弱化，产生边坡失稳隐患[9-11]。一定程度上边坡的稳定性是受结构面和弱层控制，因此无论采用二维极限平衡法或数值仿真手段进行稳定性分析，首先要考虑边坡体中的结构面和弱层[12-15]。

1 南帮西段边坡概况

布沼坝露天矿采场东西长2.6 km，南北宽2.4 km，面积约5.84 km2。采场最高台阶位于西帮1 260 m 水平，最低台阶为坑底960 m 水平。南帮为工作帮，由于征地问题制约，南帮未能正常往前推进，并形成了约16°左右的帮坡角。GPS 边坡位移监测显示，南帮大部分区域边坡较为稳定，而南帮西段一直处于蠕动变形状态。2015 年8 月3 日，南帮西段边坡发生滑移，滑移范围东西长390 m，南北宽340 m，面积为8.35 km2，滑移前缘位于1 070 m 水平，滑移后缘位于1 157 m 水平，相对高差为87 m，其中底部隆起高度达15 m，后方塌陷高度约20 m，滑体体积约28.87 万m3。

2 影响边坡滑移的因素

2.1 构造条件

构造是岩石中不同矿物集合体之间、岩石的各个组成部分之间或矿物集合体与岩石其他组成部分之间的相互关系。它反映的是矿物集合体的形状、大小和空间的相互关系及充填方式，即矿物集合体组合的几何学特征。

布沼坝露天矿南帮西段边坡滑移，其范围从平面上看位于布沼坝向斜的西翼、F4和F7断层之间。布沼坝向斜长轴方位为北东-南西，全长5 km，北西-南东宽2.4～3.0 km，呈椭圆形两端封闭的平缓向斜。北西翼倾角平缓在8°～20°；南东翼较陡为15°～35°，两翼不甚对称。而F4和F7断层的存在，有可能切断下伏地层，直接影响下伏地层的水力联系。因此，边坡滑移区较为复杂的构造条件使得该区域地层及基底岩层较为破碎，节理、裂隙发育，并有可能破坏原有各地层间的水力联系。

2.2 水文地质条件

1）隔（含）水地层条件。从地层上来看，本区地层主要有第四系、新第三系、三叠系地层，其中第三系的N5 河头煤组砂层孔隙含水组在本区不分布。除第四系外，其余2 个地层均有隔水层。由于各地层所处的工程位置不一样，其功能不一。第三系与煤层开采紧密相关，N4 泥灰岩相对隔水层、N1-2 薄煤段-东升桥黏土岩段相对隔水组对煤层开采起着总要的作用；三叠系地层是组成采场基底的地层，T2g1 隔水层对原煤生产及变坡稳定均起着重要的作用。小龙潭盆地四周高山环绕，灰岩裸露，利于降雨渗入补给。岩溶地下水从四周向盆地集中汇聚，在西南盆地及南盘江河谷2 个排泄带以溢出泉形式出露，具有典型的山区岩溶水的显著特点：即山区即为潜水补给区，山间盆地为承压径流区，盆地边缘及河谷为地下径流排泄带。

2）充水来源。目前布沼坝采场主要的充水来源为：煤层裂隙水、第四系钙华（钙砾）层水、三叠系石灰岩岩溶裂隙水、大气降水等。其中第四系钙华（钙砾）层水的出水点受降雨和地表水影响较大；煤层裂隙水在坑内出水点流出形态为股流和渗出的形式；三叠系石灰岩岩溶裂隙水主要为T2g5 灰岩裂隙水，以上升形式溢出，季节性变化小；大气降水是矿坑最主要的充水因素。大气降水一是直接进入矿坑、二是渗入补给第四系和煤层露头地段入坑、三是降水渗入裸露的的三叠系石灰岩进入矿坑。滑坡区域刚好位于矿区最主要的隔水层T2g1 的上部，处于高水位区和低水位区的分界线，水文地质条件较为复杂，边坡分析应着重考虑水的影响。

2.3 工程地质条件

井田内与露天采煤条件有关的岩层主要有Q～N1-2 间各组岩层，其次还有T2g5、T2g4 等基底灰岩。各地层中，第四系岩层组成边坡的顶段，其稳定性主要决定于水的浸软与冲刷程度；新第三系泥灰岩质地均一，虽浸水后强度有所降低，但由于组成逆向边坡为主，对采场边坡稳定性较为有利，除局部有可能崩塌外，一般不易构成完整的滑动面；薄煤段与东升桥黏土岩段总的来说以松软岩层为主，岩石强度低，对于保持较陡边坡角难度较大，与煤层接触段容易产生顺层滑动，若在浸水膨胀情况下，抗剪强度显著降低，边坡更不稳定。

小龙潭矿区赋存的煤层是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天矿生产时期，有较多的煤台阶。由于该煤层层面裂隙及垂直层面裂隙较发育，煤层中有数层厚度不等的薄层透镜状夹矸，岩性以炭质黏土岩、含炭黏土岩为主，夹粉砂质黏土岩及少量钙质条带、含炭灰岩。小龙潭矿区赋存的煤层是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天矿生产时期，有较多的煤台阶。由于该煤层层面裂隙及垂直层面裂隙较发育，煤层中有数层厚度不等的薄层透镜状夹矸，岩性以炭质黏土岩、含炭黏土岩为主，夹粉砂质黏土岩及少量钙质条带、含炭灰岩。且该层上部分布较少，向煤盆底部及边缘有增多的趋势，其间黏土岩类浸水易软化，构成局部软弱结构面，在一定程度上减低了煤体在边坡的稳定性，尤其在顺层坡的情况下，加之煤层本身垂直层面裂隙有水，易沿夹层产生顺层滑动。根据对褐煤段的试验，逆层抗剪强度为2.31 kg/cm2，而顺层抗剪强度仅为0.21 kg/cm2，比逆层抗剪强度小得多。综上所述，本次边坡滑移，滑坡体主要包含第四系表土、新第三系主煤段，岩性均为不坚固类别，尤其主煤段，顺层和逆层存在高达10 倍的抗剪强度差别。主煤段与上覆、下伏岩层之间的钙质条带、黏土岩类在水的作用下浸水软化，构成软弱结构面，对上覆岩层岩该弱面滑动提供了直接条件。

3 稳定性分析与治理措施

3.1 剖面和计算方法

通过边坡稳定验算，可以准确的确定边坡滑移的模式，及失稳条件。本次设计在边坡滑移区域找出2 个典型剖面进行边坡稳定验算，其中A 剖面为地质报告IV 勘探线，B 剖面为正南北向穿过滑坡区的剖面。

对该区域边坡以圆弧滑动和顺层滑动2 种滑移模式来模拟计算，以确定边坡滑移模式及滑面的位置。设计边坡稳定验算采用中国水利水电科学研究院编制的STAB 边坡稳定分析程序进行计算。针对不同的边坡滑移破坏模式采用不同的二维极限平衡法。

1）传递系数法。也称推力法，适用于边坡为折线型滑面的稳定性计算，为通用方法。边坡滑移破坏模式为顺层滑移时边坡稳定性计算采用本法。

2）简化BISHOP 法。圆弧形滑移破坏模式计算方法较多，但计算结果一般都偏于保守例如瑞典法、Fellenius 法等。

3.2 稳定性分析

典型剖面边坡稳定验算结果见表1。

表1 布沼坝露天矿南帮西段边坡稳定验算结果表

稳定性分析结果如图1。圆弧滑动是发生在均质边坡内部的一种常见滑移模式。本次边坡稳定验算，假定的圆弧滑移模式，滑面贯穿了第四系表土、主煤段、薄煤段-东升桥黏土岩3 个地层，且最危险滑面与实际边坡滑移范围有很大的差距，证明本次边坡滑移模式为沿弱面的顺层滑移模式。同时，从不同水头压力下边坡稳定系数的计算结果，证明水头越高，边坡稳定系数越低，本次边坡失稳水头压力较高是最重要原因之一。

图1 稳定性分析结果

3.3 治理措施

布沼坝露天矿南帮西段边坡靠近褶皱发育、工程地质、水文地质条件较为复杂的区域时，容易产生小范围的崩塌或滑坡现象，对该区域进行削缓坡角，减轻滑体自身重量是有必要的，工程实施有利于保持边坡稳定。

1）削坡范围。根据边坡稳定分析结论，同时考虑到生产实际和施工条件，本次削坡减载范围确定如下：本次设计削坡减载范围为：东西长430 m，南北宽340 m，高程1 070～1 157 m，水平投影面积：11.63 hm2。减载工程量为61.94 万m3，其中剥离物39.47 万m3，煤量22.47 万m3。

2）台阶参数。①台阶高度：根据布沼坝露天矿设计台阶高度为10 m，本设计台阶高度取5 m，2 个台阶组合为1 个10 m 台阶；②台阶坡面角取50°；③平盘宽度：运输平盘宽度取20 m，其余平盘宽度取15 m。

3）削坡减载结果。滑移前西南帮帮坡角为16°，下部底鼓区达到17°，削坡减载后帮坡角为15°，下部底鼓区域最高清理高度约23 m。削坡减载实施后，典型剖面1/3 水头压力条件下稳定系数均超过1.302，在1/2 水头压力条件下稳定系数也达到1.230，满足设计要求。

4 结语

南帮西段边坡滑移，是由大气降水引起的第四系地层充水，并向N3煤层径流，导致煤层水头压力抬高，并且弱化了N3煤层底板，引起了沿煤层底板面顺层滑移。水是导致边坡滑移的最重要外因，削坡减载仅暂时确保了边坡的安全稳定，未保证边坡的长期稳定，应对第四系岩层进行有效的排水，防止渗透、软化岩体，必要时还应当超前降低地下水位。