安家岭露天矿东帮滑坡治理研究

解廷堃

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036000）

露天矿的采矿方式决定了边坡是从上向下形成，而且与一般的边坡相比，露天矿边坡的高度比较高，基本上在数百米左右。除了高之外，走向也比较长，通常能够达到几公里，由此使得露天矿揭露的岩层相对较多，边坡的地质条件存在比较大的差异，具有变化复杂的特点[1]。而露天开采活动中，端帮边坡的稳定性更是保障安全生产的重要部分，一旦出现失稳滑坡，将极大地阻碍露天生产的连续性，从而严重影响露天矿的安全生产和经济效益[2]。因上部端帮边坡的服役年限要远超下部，正常情况下端帮边坡的服役年限能够达到几十年左右[3]。露天矿端帮边坡的变形和破坏大多与岩土体中软弱夹层的时效蠕变特征和水流渗透压力有着较大的关系，其抗剪强度随时间的增加和水渗流不断降低[4-5]。安家岭矿二采区东帮现状边坡整体高度约为60 m，主要由第四系原状土和排弃的土岩混合物组成，且上部建有供电线、卡调信号塔基。常年受雨水冲刮，容易发生边坡失稳，给安全生产带来不利影响。

1 工程概况

安家岭露天矿实行分区开采，目前正处于首采区向二采区转向过渡阶段。2022 年7 月，安家岭矿二采区东帮剥离区1 处边坡局部发生滑坡，该位置坡体标高1 210～1 270 m，现状边坡整体高度约为60 m，主要由第四系原状土和排弃的土岩混合物组成。经现场勘察，滑坡位置后缘“圈椅状”贯通裂缝已经形成，前缘在1 210 m 标高位置发生明显鼓起。同时在坡顶边缘发现3 处冲沟，坡顶平台出现多条走向为北偏西25°裂缝，最大宽度约为20 cm、落差为5 cm，后缘最远处裂缝位于卡调系统信号塔基座后方。在滑坡影响区范围内有移动变电站、35 kV 高压电路以及卡调系统信号塔等重要基础设施，滑坡影响区和重要基础设施位置如图1。

图1 滑坡影响区和重要基础设施位置图

随着剥采水平的不断延深，滑坡影响区边坡将成为采坑东帮的一部分，暴露时间和高度将进一步增大，边坡稳定的重要性不言而喻。因此，对该区域边坡进行分析评价和治理是十分紧迫的。

2 边坡破坏模式及稳定性

2.1 影响因素

二采区东帮边坡是由原状土和排弃的土岩混合物组成，其稳定性不但受制于混合物料的强度，而且还受到岩土体抗剪强度、降水渗透压及动水压力等因素影响。

1）时间效应。为便于矿产资源开采，露天矿生产活动中并不会对边坡进行任何维护，从而使得露天矿边坡很容易受到风化的作用。其边坡的变形和破坏大多与岩体中软弱夹层的时效蠕变特征有着较大的关系，其抗剪强度随时间的增加而降低[6-7]。安家岭矿二采区东帮滑坡区域表现为圆弧状，为典型的松散体圆弧滑动破坏模式，且其坡顶前缘比后缘变形破坏严重。该区域裸露时间不长，时间效应不是造成其发生滑坡的关键因素。

2）采动影响。露天采矿的过程中，爆破是不可或缺的环节，爆炸时产生的爆破振动会对边坡的结构稳定性造成不利影响。同时，边坡上的运输设备运行时，也会产生一定的振动力，这种振动力长期且持续，对边坡的稳定性影响较大。尤其是运输设备日趋大型化，使得台阶上的载荷随之不断加大，边坡承受的重量越来越大，结构稳定性大幅度降低[8]。二采区东帮滑坡区域主要涉及1 250、1 265、1 280、1 295 m 水平4 个平盘。其中，最上部1 295 m 水平平盘建有矿用卡调信号基站，下部其余平盘均为转向超前剥离区域，爆破采装是影响其滑坡的原因之一。

3）水的影响。通过对大量露天矿滑坡的工程案例全面分析后发现，80% 以上的滑坡都出现在雨后或是雨季，这充分说明水对边坡稳定性的影响非常大。露天矿边坡的含水带以孔隙和构造裂隙为主，夏季雨水多时，岩体孔隙的潜水面会随着降水量增大而不断升高。雨水及地表水入渗增加岩土体容重，坡顶竖向裂缝中或坡面的水压及渗透力导致边坡滑动力增大，同时岩土抗剪强度因含水量增加而下降，滑动力增大、抗滑力减小双重作用下从而导致边坡产生变形破坏[9-11]。经现场勘验，滑坡区域岩土体含水率较高，水渗流是造成其滑坡的最主要原因。

2.2 边坡破坏模式

采用有限元数值模拟软件对安家岭露天矿东帮边坡进行数值模拟分析，从而确定其边坡变形失稳后的破坏模式，进而为边坡稳定性评价及治理提供一定的参考依据。

采用弹塑性模型进行本次数值模拟，破坏准则采用Mohr－Coulomb 准则，流动法则采用相关流动法则，即剪胀角等于内摩擦角，计算中通过强度折减法，计算至边坡破坏标准。

通过对安家岭露天矿东帮滑坡变形区进行综合分析，在潜在滑移方向选取典型剖面建立数值模型。模型长度580 m，左侧高为167 m，右侧高为120 m，由8 890 个单元和9 358 个节点组成。模型前、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，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。

通过分析二采区东帮滑坡区域边坡的工程地质条件可知，该处主要由第四系原状土和排弃物料构成，下部第四系原状土深部为浅红色砂质黏土，浅部为黄色粉砂质亚黏土，上部排弃物料为土岩混合物。本次数值模拟和边坡稳定性评价所选取的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

在充分考虑降雨及坡脚震动荷载的影响下利用强度折减法逐级对选取的剖面计算模拟，直到形成塑性贯通区为止，计算得到的边坡总位移矢量云图和最大剪应变云图如图2。

图2 边坡总位移矢量和最大剪应变云图

分析滑坡区边坡的总位移矢量云图和最大剪应变云图可知：滑坡边坡总体变形表现为圆弧状，为典型的松散体圆弧滑动破坏模式，且其坡顶前缘比后缘变形破坏严重。模拟结果与现场变形破坏情况基本吻合，分析其主要是由于雨水及地表水入渗增加岩土体密度，以及坡顶竖向裂缝中或坡面的水压力、渗透力及坡脚震动荷载的扰动等作用下导致边坡滑动力增大，同时岩土抗剪强度因含水量增加而下降，滑动力增大、抗滑力减小双从作用下从而导致边坡产生变形破坏。

2.3 现状边坡稳定性

采用极限平衡法对安家岭矿二采区东帮滑坡边坡现状进行边坡稳定性系数验算，通过验算分析确定其边坡变形失稳后的安全系数。根据选取的典型剖面建立滑坡区边坡稳定性评价工程地质模型。

利用极限平衡法分别从正常状态、爆破震动、暴雨入渗、爆破震动和暴雨入渗耦合4 种工况对构建的边坡稳定性评价工程地质模型进行计算，不同工况下边坡稳定性计算结果如图3。

图3 不同工况下边坡稳定性计算结果

正常状态下，研究剖面稳定系数为0.971，稳定状态为不稳定。在爆破震动、暴雨入渗、暴雨＋震动工况下稳定系数明显减小，其中暴雨入渗工况下比爆破震动工况下安全系数更小，说明该区域边坡稳定性受暴雨影响比受爆破影响程度大。最不利状态为暴雨和爆破震动耦合工况，稳定性系数为0.811，边坡存在一定风险，而且变形区域坡顶上部移动变电柜、35 kV 高压电杆及卡调系统信号塔等重要设施均在变形影响区范围内，急需进行治理。

3 滑坡治理

通过查阅《煤矿安全规程》相关规定，确定最上部平盘削坡边界与卡调基站保持30 m 的安全距离，将原变电柜移位同时将原供电线向东移设65 m，滑坡区域下部各平盘按自然安息角进行削帮治理。具体为：在现状基础上将1 280 m 水平平盘北部区域向东削坡30 m、南部区域向东削坡25 m 至边界线，削坡完成后留1 280 m 水平保安平盘宽度为10 m；下部1 265 m 水平平盘和1 255 m 水平平盘分别留设20 m 宽削坡至边界；1 255 m 下部，其余平盘正常采掘到界，各台阶坡面角保证在45°以下。

削破治理完成后分别选取移动变电站及35 kV供电线所在1 290 m 水平平盘2 处典型位置布置研究剖面AJL－DN01、AJL－DN02 对东帮边坡进行稳定性评价。根据削坡治理方案建立滑坡治理后的极限平衡分析模型，分别计算正常状态、爆破震动和暴雨入渗耦合2 种工况下2 处典型剖面位置边坡的稳定性系数，削破后典型剖面边坡稳定性计算结果如图4。相应的东帮滑坡区治理完成后边坡稳定性系数见表2。

表2 东帮滑坡区治理完成后边坡稳定性系数

图4 削坡后典型剖面边坡稳定性计算结果

1）按治理方案削坡后，安家岭矿东帮南部移动变电站所在平盘AJL－DN01 研究剖面潜在滑动位置稳定性安全系数为1.268，稳定状态为稳定。

2）按治理方案削坡后，安家岭露天矿东帮南部35 Kv 高压电杆所在平盘AJL－DN02 研究剖面潜在滑动位置稳定性安全系数1.380，稳定状态为稳定。

3）考虑暴雨以及爆破震动影响两剖面位置在削帮治理后的边坡稳定性系数分别为1.124 和1.241，满足边坡安全储备系数的要求。

4 结语

在对边坡时间效应、采动影响及渗水影响3 方面影响因素进行理论分析的基础上运用有限元数值模拟确定滑坡区域的破坏模式为典型的松散体圆弧滑动。并针对性地提出了削帮治理方案，同时通过建立工程地质模型，对安家岭露天矿二采区东帮滑坡区域治理前后的边坡稳定性系数进行验算评价，结果发现：削帮治理完毕后，考虑周围区域爆破震动及暴雨影响滑坡区域2 个剖面的边坡稳定性系数分别为1.124 和1.241，确定按削帮方案治理后的边坡处于稳定状态。

为确保上部平盘的卡调信号基站及供电设施设备，建议加强以下几点工作：①做好地面防排水工作，降低水对边坡的不利影响，确保各边坡稳定；②切实保护好现场边坡监测点，增加边坡监测数据的连续性，提高边坡监测精度；③及时回填坡顶上部已经形成的裂缝和冲沟，并在裂缝区后缘修筑挡墙，通过明渠方式将地表降水疏排至裂缝影响区范围外，防止地表降水继续入渗至滑动面；④各级管理人员，做好现场边坡巡检工作，发现问题及时上报。