基于监测数据的软岩边坡变形破坏机理研究

李金典，韩 猛，封海洋

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

露天矿边坡大都为沉积岩边坡，主要以软岩边坡为主，具有致密、低渗透、微孔隙等特征，力学性质受含水率的影响较大[1]，我国内蒙古东部及广大东北地区软岩分布尤为广泛。软岩边坡在形成过程中，由于其自身的物理力学强度较低而且受坡体内软弱夹层的流变特性控制，使边坡体变形具有蠕动特性；边坡蠕动变形进入加速阶段就预示着会因蠕动变形的急剧发展而失稳破坏。由于现阶段露天矿监测技术的不断提升，GNSS 系统因其具有全天候连续监测的特点[2]，广泛应用于各大露天矿山[3-6]。但监测数据的收集与整理并没有同边坡的稳定性分析较好的联系起来，监测数据的价值并没有得到充分的体现。为此，选取内蒙古东部某典型软岩露天矿边坡为研究对象，通过分析监测数据的变化，总结边坡变形规律，得到边坡变形破坏模式。

1 工程概况

研究区位于内蒙古东部，属于典型的软岩露天煤矿。露天矿整体呈向斜构造，边坡顺倾，区内构造简单，断层稀少，没有受到岩浆岩的影响。矿区岩性出露地层由下往上主要有：①中生界白垩系下统龙江组的陆相中酸性火山－沉积岩组合；②白垩系下统梅勒图组的中基性火山岩夹中酸性火山碎屑岩及火山碎屑沉积岩；③白垩系下统大磨拐河组的含煤碎屑岩层；④白垩系下统伊敏河组的含煤地层及第四系海拉尔组的松散沉积物。主采煤层为中生界白垩系下统伊敏组，整体岩性力学性质较差。矿区含水层由上至下为第四系含水层和煤系含水层，2 套含水层不断向矿坑内补充水源，在复杂的水文地质条件下，矿区排水效果并不明显，加之泥岩弱层分布密集而且规律性差，边坡问题尤为严重。

选取露天矿东端帮边坡为研究对象，基于布置在东端帮GNSS 监测系统，收集东端帮典型监测线上5 个监测点2018 年的监测数据。选取2018 年监测数据的意义在于：①数据监测时限包含2018 年东帮滑坡前后，完整性强；②各个监测点能够反映东端帮—内排土场复合边坡的形变过程，对现今的解决复合边坡问题具有指导性意义。研究边坡位于露天煤矿东端帮，东端帮为非工作帮，现已作为内排土场，东帮东侧为外排土场，并与东帮构成东外排土场-内排土场复合边坡。受复合边坡长期蠕动变形影响，内排土场底部留有煤柱以提高边坡整体稳定性。研究边坡剖面模型及监测点分布位置如图1。

图1 边坡剖面模及监测点分布位置

由于露天煤矿东帮2014 年至2017 年均有滑坡发生，于2018 年东帮历史滑坡区域布置监测线对东帮变形进行监测。人工监测点X－3 同GNSS 监测点BP1－4 位于外排土场与内排土场之间，其中监测点X－3 靠近外排土场，监测点BP1－4 靠近内排土场；GNSS 监测点BP1－3、BP1－2、BP1－5 位于东帮内排土场，其中监测点BP1－3、BP1－2 靠近内排土场上部，监测点BP1－5 位于内排土场中部。

露天煤矿东帮于2018 年6 月发生滑坡，各个监测点在滑坡后并未进行较大挪动，收集监测线2018年5 月至2018 年7 月边坡监测数据，对东帮边坡变形特征及破坏机理进行分析。

2 边坡变形数据及变形破坏模式

2.1 边坡变形数据

地表变形监测系统在露天矿边坡的建立，不仅实现变形监测资料的长期积累，而且可用于分析边坡的变形趋势和规律，并作为最终结果来验证定性或定量分析的可靠性[7]。根据露天矿东帮监测线各个监测点收集的监测数据，分析各个监测点在滑坡发生前后的位移变化根据位移变化数据，分析各个监测点矢量位移情况，探究东帮滑坡变形破坏模式。各监测点水平位移变化趋势如图2，各监测点水平位移变化趋势如图3。

图2 各监测点水平位移变化趋势

图3 各监测点垂向位移变化趋势

滑坡发生前期，从整体位移数据来看，X－3 人工监测点靠近东外排土场，相比于其他监测点，水平及垂直位移速度较慢，而且变化幅度较小，表明东帮边坡靠近外排土场一侧变形速度慢，变形幅度小；GNSS 监测点BP1－4、BP1－3、BP1－2、BP1－5 水平及垂直位移速度较快，除5 月28 日至6 月1 日之间变化幅度较大外，整体变化幅度较小而且呈现出高速位移状态，表明东帮靠近内排土场一侧变形速度快，变形幅度大。单从水平位移变化来看，监测点BP1－4位移速度最快，内排土场上3 个监测点，位移速度差别较小，监测点BP1－5 位移速度相对较大；单从垂直位移变化来看，人工监测点X－3 垂向位移变化相对较小，监测点BP1－5 除5 月28 日至6 月1 日变化幅度较大外，整体垂直向上移动，位移速度相对较小；GNSS 监测点BP1－4、BP1－3、BP1－2 整体呈垂直向下运动，而且运动速度相对较大，其中监测点BP1－4 垂直位移速度最大。

滑坡发生后，并没有对各个监测点进行较大的人为挪动，从水平位移数据来看，人工监测点X－3和GNSS 监测点BP1－5 并未发生较大的水平运动，位移速度较慢，趋于稳定状态；而监测点BP1－4 仍处于高速运动状态，而且变化幅度较大；监测点BP1－3 和监测点BP1－2 由稳定状态逐步转变为高速运动状态。从垂直位移数据来看，监测点BP1－4处于高速运动状态，而且变化幅度较大；监测点BP1－3 和监测点BP1－2 由稳定状态逐步转变为高速运动状态，而且呈垂直向下运动，波动幅度较大；人工监测点X－3 和GNSS 监测点BP1－5 垂向位移速度相对较小，而且变化幅度较小。

根据滑坡前各个监测点的位移变化情况，各个监测点的矢量位移变化如图4。

图4 各监测点的矢量位移变化图

从图4 中可以看出，人工监测点X－3 位于东帮靠近东外排土场一侧，以水平位移为主，而且位移量较小；监测点1－4 位于东帮靠近内排土场一侧，以水平且垂直向下的位移为主，而且位移量较大；监测点BP1－3 和BP1－2 位于内排土场的上部，均以水平且垂直向下的位移为主，两者位移量相，其中监测点BP1－3 较BP1－2 向下位移更为明显；监测点BP1－5位于东帮内排土场中部，以水平位移为主，而且位移量较大。

2.2 变形破坏模式

从监测点矢量位移变化数据来看，监测点BP1－4、BP1－3、BP1－2、BP1－5 位于同一滑体之上，上部剪入口位于人工监测点X－3 和GNSS 监测点BP1－4之间，表明东帮滑体并未同东外排土场构成东外排土场－东帮内排土场复合边坡问题；从监测点BP1－4的位移变化来看，滑坡滑移面位于煤层或是泥岩弱层之中；从监测点BP1－5 的位移变化来看，剪出口位于该点位置之下靠近坑底一侧，根据实际情况，坑底并未出现底鼓，滑坡从内排土场下部排弃物料中剪出。整体来看，监测点BP1－4 控制区域首先出现形变，当形变积累到某一数值或因此而形成拉张裂缝后，变形范围逐渐向下部延伸，带动内排土场上监测点BP1－3、BP1－2 控制区域的逐步变形滑动，最终从监测点BP1－5 控制区域西侧（靠近采煤界面一侧）剪出，为典型的“坐落式”滑坡模式。

3 气候条件及软岩特征

3.1 气候条件特征

滑坡的产生与降雨有着密切联系，雨水入渗不仅可以改变边坡土体的水分分布，而且可以导致土体强度大大降低，从而可能成为触发边坡失稳破坏的主要因素[8]。中国是滑坡灾害最严重的国家之一，发生的滑坡灾害中有68.5%是由降雨作用引起的[9]，降雨作用是导致和诱发滑坡的主要因素[10-12]。收集的矿区所在地区2018 年逐月平均降水量以及逐月平均气温资料如图5。

图5 矿区逐月平均降水量及气温变化图

由图5，2018 年逐月平均降水量及气温变化图中可以看出，7 月份降水量与气温达到最高值，5—7月份为降水量增速最快的时期；从边坡变形数据可以反映5 月末至6 月末（滑坡发生）边坡均处于高速变形阶段，滑坡发生后，也是降水量最大的月份，滑坡前缘BP1－5 控制区域趋于稳定，但滑体上部分区域自7 下旬仍在高速运动。

3.2 含水率对软岩力学性质的影响

岩石在一定的渗透压力或水动力条件下产生的物理、化学和力学作用过程是导致岩体发生变形破坏的根本原因[13-15]。岩石吸水后，矿物颗粒成分、粒间胶结成分、胶结方式、孔隙分布和毛管压力效应等均发生变化，造成岩石结构面弱化、强度降低[16]。由于滑坡发生于降水量迅速增高的阶段，滑坡发生后滑体上部内排土场区域仍处于高速变形阶段，故而探讨含水率对软岩力学性质的影响，进而分析降水量对边坡稳定性的影响。测试了泥岩在不同含水率下的力学性质，测试在煤矿安全技术国家重点实验室开展，不同含水率条件下泥岩力学性质变化如图6。

图6 不同含水率条件下泥岩力学性质变化

从图6 中可以看出，随着泥岩含水率的提高，黏聚力与内摩擦角逐渐降低，故而进一步加剧了边坡失稳风险增大。由此可见，露天矿边坡稳定性受水的影响较大。

4 变形规律分析

基于GNSS 监测数据，分析各个监测点的位移变化趋势，结合当地气候条件，探讨地下水对边坡泥岩弱层的影响，得出露天煤矿软岩边坡变形规律：

1）根据对边坡变形数据的分析。变形范围几乎涵盖整个东帮但并未涉及东外排土场，随着内排的增高存在引发东外排土场—东帮内排土场复合边坡问题的可能，且滑移面可能会向深部发展。

2）结合边坡变形位移分析。滑坡体上各个监测点水平位移变形速度快，同时在滑坡发生后滑体上部与中部仍以较高的速度发生变化。

3）边坡变形由上部开始，产生一系列张裂缝，进而向下部延伸，带动下部岩土体逐步滑动，为典型的“坐落式”滑坡模式。

4）发生滑坡后，应力释放逐渐减少并趋于稳定，等到次年雨季来临边坡位移会进一步增大。

5 结语

通过对蒙东地区某露天矿软岩边坡GNSS 数据分析，并结合气候条件及软岩自身特性进行综合分析。通过边坡监测数据分析并结合现场情况，确定研究边坡滑动模式为典型的“坐落－滑移式”；整体边坡滑动变形并未构成复合边坡，但随着内排的增加以及受大气降水同软岩弱层自身特性的影响，整体失稳风险加剧；基于边坡形变及气候条件及软岩特征分析，应加强防范春季冻融对边坡稳定性的影响。