露天矿逆层高边坡稳定性及滑坡机理分析*

邓焱，郝喆，尹亮亮 ，滕达 ，吴超君

(1.辽宁大学环境学院， 辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院， 辽宁 沈阳 110013；3.自然资源部老矿山地质灾害治理及生态修复创新中心， 辽宁 沈阳 110013)

0 引言

阜新海州露天煤矿是世界闻名的大型露天煤矿，也是新中国第一座大型机械化、电气化露天煤矿。闭坑后矿坑仍存在着滑坡、崩塌、地面沉陷、地面塌陷、地裂缝等地质灾害问题[1]，严重威胁着海州露天矿周围企事业单位、居民的生命和财产安全。2019年对海州露天矿进行了全面的地质环境调查，弥补了以往资料的不足，本文依据最新的调查数据进行了边坡稳定性及滑坡机理分析。

多年来，许多学者对海州露天矿边坡稳定性相关问题进行了研究。YANG TH等[2]在大量滑坡试验基础上，以海州露天矿为例，探讨了不同条件下边坡的稳定性及评估和预测方法；HAN Jun等[3]对海州矿进行数值模拟，划分了地质结构和沉积体系；FENG Meisheng等[4]对海州矿滑坡时间进行了统计分析，研究表明，重力场在一定程度上受潮汐影响，滑坡与潮汐变化存在关系；LYU Peiyin等[5]用神经网络对海州矿60多次大型滑坡进行分析，进而验证传统方法确定的滑坡地带；白羽等[6]采用FEPG有限元方法分析了残煤自燃对海州矿边坡稳定性的影响过程；刘向峰等[7]用强度折减法对海州矿部分剖面安全系数进行了计算，提出了加固措施。

本文针对阜新海州露天矿北帮逆层边坡，建立三维地质力学模型，模拟边坡变形和应力分布，同时利用极限平衡法分析，计算各剖面安全系数。三维数值模拟和极限分析法相结合，优势互补，避免了单一分析方法的局限性，进一步剖析了逆层高边坡的滑坡机理，得到更准确的分析结果，为海州露天矿下一步的治理提供了依据，可为其它矿坑闭坑治理提供参考。

1 边坡三维数值模拟分析

1.1 模型建立

海州矿南帮岩体总体上属于逆层露天高边坡，但在空间上有显著的不均一性。为此，采用现场测绘DOM和DEM数据及地下的井工矿开采资料，绘制出各剖面的边坡形态、地层结构和采空区分布，采用分区建模的方法通过CAD、ANSYS、FLAC3D结合进行建模[8]，建立符合实际情况的三维地质力学模型来模拟边坡变形和应力分布特征。针对南帮的3个典型区域：南帮西部区（代表剖面EW0）、南帮中部区（代表剖面E10）和南帮东部区（代表剖面E20），建立三维地质力学模型如图1所示。

1.2 结果与分析

数值模拟的应力及位移云图见图2。

图1 数值模拟模型

图2 南帮西、中和东部区数值模拟结果

分析位移云图可知：南帮西部崩滑区的边坡上部位移较大，下部位移次之，中部位移最小，这是由于边坡上部受边坡角较陡及上部岩层风化程度较高影响，下部受采空区影响，中部受地层逆倾影响；南帮中部崩滑区的边坡上部位移较小，中下部位移量较大；南帮东部崩滑区的中部位移量较大，两端位移量较小，位移量较大均由于下部采空区及煤自燃导致岩体强度指标降低的影响所致；最大剪切应变增量云图清晰反映出剪切应变增量带分布特征，最大剪切应变增量主要分布在采空区及煤自燃发火严重处，剪切破坏分布和临界失稳空间云图及最大位移云图中的最大变形特征一致，充分体现了边坡变形的剪切蠕变特征，表明采空区、煤自燃是边坡失稳的主控因素。从水平应力云图可知：水平应力分布具有从开挖坡面逐渐向坡内增加的特点，随降深增加呈线性正比例关系。从垂直应力云图可知：随埋深增加垂直应力呈线性增长，呈现受重力场控制的分布规律，垂直应力总体分布较均匀；边坡初始开挖后，垂直应力呈现与坡表面平行的层状分布。

2 边坡极限平衡分析

2.1 计算剖面及参数

采用Morgenstern-Price极限平衡法开展南帮边坡滑移的进一步分析[9]。在南帮全长范围内，确定10个计算剖面：W3、EW0、E2、E5、E7、E10、E13、E17、E20、E23。取全坡高进行分析。确定模拟区总高度约400m～450m；水平总长度取为700m～1100m不等。剖面中的第四纪土层、煤层、采空区、平巷、断层均按实际剖面的材料参数真实模拟。参考《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197—2005），因海州矿南帮边坡上无特别重要建筑物，将稳定系数取为1.30。

2.2 结果与分析

使用Geostudio软件建立各剖面计算模型，代表性剖面见图3。据此，计算出南帮各剖面的整体安全系数，结果见图4。

图3 典型剖面整体计算模型

由图4可见，海州矿南帮除W3和E23两个西、东边缘剖面之外，其它剖面的安全系数均处于1.0～1.15之间，与安全系数限值差距甚大。EW0～E10区域，是滑坡最危险地带，从地质剖面图可见，中部剖面煤层露头较多，现场也可见中部区域火点密集分布，导致地下采空区和煤岩参数弱化，在其他因素影响下极易诱发滑坡。

图4 各剖面稳定性计算结果

3 滑坡机理分析

根据以上结果分析，将南帮分为3个滑动区段[10]：西部崩滑群W3～E4，中部崩滑群E5～E15，东部崩滑群E16～E23。

（1）西部崩滑群。西部崩滑群的范围为W3～E4。三维计算结果表明，西部代表性剖面EW0的边坡上部位移较大，下部位移次之，中部位移最小，计算安全系数为1.062，推测边坡岩体为背斜构造，而且存在顺倾弱层，处于极限稳定状态。由于边坡上部受边坡角较陡且上部岩层风化程度较高的影响，及下部受采空区的影响，边坡位移较大；中部受地层逆倾影响，位移量最小。最大剪切应变增量云图清晰反映出剪切应变增量带的分布特征，最大剪切应变增量主要分布在采空区及煤自燃发火严重处，剪切破坏分布和临界失稳空间云图及最大位移云图中的最大变形特征一致，充分体现了采空区、煤自燃是边坡失稳的主控因素[11−12]。

（2）中部崩滑群。中部崩滑群的范围为E5～E15，该区域是南帮滑坡最严重的区段。三维计算结果表明，南帮E10剖面边坡上部位移较小，中下部由于下部断层带被压密，在上部岩体和自身重量的作用下，位移量较大，计算安全系数为1.025。该区段边坡虽暂时没有整体滑移趋势，但随着岩面暴露时间增长，局部滑动会时有发生，未滑动区会逐渐变成滑动区，从而危害整个边坡的稳定。采空区和煤自燃仍是该区边坡失稳的主控因素[13]，由于中西部崩滑并导致坡脚失稳，带动上部边坡的拉裂破坏，引发滑坡。

（3）东部滑塌群。东部滑塌群的范围为E16～E23，该区域是南帮滑坡较严重的区段。三维计算结果表明，南帮E20剖面中部位移量较大，两端位移量较小，计算安全系数为1.083，位移量较大是因为受下部采空区及煤自燃导致岩体强度指标降低影响；最大剪切应变增量主要分布在采空区及煤自燃发火严重处。从水平应力云图可知：水平应力分布具有从开挖坡面逐渐向坡内增加的特点，随降深增加呈线性正比例关系。从垂直应力云图可知：垂直应力随埋深增加而呈线性增长，呈现受重力场控制的分布规律，垂直应力总体分布较均匀，边坡初始开挖后，垂直应力呈现与坡表面平行的层状分布。

4 结论

结合三维地质力学数值模拟分析和极限平衡分析，对海州露天矿逆层高边坡稳定性及滑坡机理进行了分析。主要结论如下。

（1）南帮三维模拟结果表明：南帮边坡西部区域的上部位移较大，下部位移次之，中部位移最小；中部区域的上部位移较小，中下部位移量较大；东部区域的中部位移量较大，上下部位移量较小。最大剪切应变增量主要分布于煤自燃发火严重及采空区集中处，表明残煤自燃和地下采空区是南帮滑坡的主控因素。水平应力从开挖坡面逐渐向坡内增加；垂直应力随埋深增加而呈线性增长，总体分布均匀，呈现与坡面平行的层状分布。

（2）南帮极限平衡分析表明：现状边坡的整体稳定性难以满足规范要求，除W3以西和E23以东区域外，其它中部剖面安全系数均处于1.0～1.15之间，与安全系数限值差距较大。EW0～E10区域是滑坡最危险地带，中部区域各剖面煤层露头和内部采空区较多，自燃火点分布密集，导致地下采空和煤岩参数弱化，在其他因素影响下极易诱发滑坡。

（3）南帮滑坡的模式属于切层崩滑：边坡中下部的煤炭露头常年暴露在大气中，同时边坡风化和采动使边坡产生大量的裂隙，给煤炭提供了足够的供氧条件和持续的蓄热环境，导致持续不断产生煤炭自燃现象，自燃后煤岩强度降低、空隙增大，产生崩塌破坏，并引起上部失去支撑而变形滑动，发生崩滑-拉裂破坏，引发边坡大范围滑塌。

（4）依据稳定性分析结果，南帮可划分为3个范围大、滑坡严重的区域：西部崩滑区W3～E4，中部崩滑区E5～E15，东部崩滑区E16～E23，下一步需要重点治理。