断层区域露天边坡稳定性评价及优化设计研究

牟 义,徐 慧,田灵涛,陈清通,李 伟,郭夏飞,吾木提江·许库尔

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭 科学研究总院),北京 100013; 3.国电建投内蒙古能源有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017209; 4.木垒县应急管理局,新疆 昌吉 831999)

露天矿边坡发生失稳破坏,是多种影响因素共同作用的结果,不同影响因素引发的边坡失稳破坏机理不同[1]。对于不同边坡,其影响环境和应力状态是不一样的,对于某个特定边坡要具体分析影响其稳定性的原因,这也是掌握边坡破坏模式和稳定性的关键[2]。影响采场非工作帮边坡稳定的重要因素为人工开挖等工程活动[3]。人工开挖包括坡面、基坑和地下开挖,其对边坡稳定性的影响也是边坡工程中的一个重要因素,人工开挖由于在极短时间内改变了边坡的地形特征和平衡条件,如处理不当,往往容易引发滑坡[4]。如近些年来在我国高速公路建设中发生的大量滑坡,很多都与路基施工时边坡的切脚有关[5]。

对于露天矿端帮边坡,除以上边坡稳定影响因素外,地质构造对边坡稳定的影响也不容忽视,岩层组合特征、构造的形态、构造走向与倾角大小等,对边坡稳定性也起到至关重要的作用[6]。鄂尔多斯某露天矿井田外侧西部邻近高山地势,此山地势较陡,整体地势40°左右,局部地段达到80°,西部矿权境界处有棋盘井逆断层,该断层长度大于6 km,倾角60°～70°,断距大于300 m。受高山及断层影响,在山坡处已出现2处裂缝,一处位于矿田外西北角,另一处位于矿田外西部靠南侧,采掘场西部最上部形成了高50 m的高边坡,目前已出现滑坡现象。在棋盘井逆断层经过的其他露天矿边坡,也有类似断层影响下滑坡现象。为了预防滑坡造成安全事故发生,保障煤矿安全生产,笔者从该矿边坡破坏机理分析入手,进行了边坡现状稳定性评价,然后进行了边坡参数优化设计,对优化后边坡稳定性进行评价,提出了安全可行的剥离边坡方案,可为类似断层影响下解决边坡安全性问题提供借鉴。

1 边坡概况

鄂尔多斯某露天矿边坡存在2处滑坡区域:南部滑坡区域和北部滑坡区域。南部滑坡区域地表有1片裂缝区域、1块剥挖治理区域和3块滑坡区域,裂缝区域与剥挖治理区域连为一体,剥挖治理区域边缘有2块剥挖治理土方滑落形成的滑坡区;北部滑坡区域有单独的1片滑坡区域。南部滑坡区域裂缝长度约460 m,宽约20 m,地表剥挖治理区域平面面积约7 350 m2,滑坡区域平面面积约为31 600 m2;北部滑坡区域平面面积约23 000 m2。裂缝、剥挖及滑块区域如图1所示。

图1 边坡滑坡区域Fig.1 Slope landslide area

经过现场踏勘,滑坡体可见多处拉张裂缝,裂缝宽度0.2～2.2 m。整个滑坡可分为3个滑块呈阶梯状,滑坡后缘壁向下延伸,形成后缘平台,随后倾角变缓,形成滑坡台坎,前缘鼓胀突起。推断滑体地层岩性:二叠系上统上石盒子组(P2s)由厚层状含砾粗砂岩、砂岩等组成,下统山西组(P1s)主要由粗砂岩、中砂岩、砂质泥岩及炭质泥岩、煤层组成,局部夹黏土岩,滑体整体透水性较强,而滑动带地层为砂质泥岩,其透水能力差,遇水湿滑。调查显示,滑坡区构造特征为存在棋盘井逆断层(F1逆断层),该断层位于露天矿区西部边界,系滑坡区主要地质构造,为一低角度逆冲推覆断层。该断裂上盘为奥陶系灰岩地层,下盘为二叠系砂岩、泥岩和石炭系。断层破碎带内岩石呈粉末状且出现断层泥。上述地质特征均有利于滑坡产生,而且该边坡由于露天煤矿开采、开挖坡脚导致斜坡体前缘应力缺失、稳定性遭到破坏,最终导致滑坡产生[7-8]。

2 边坡剖面与岩土力学参数

2.1 边坡剖面选取

选取的平剖面线位于矿区西部南侧,北偏东117°,长约590 m,起源于西部边界附近的滑坡区,向东南依次穿越+1 373、+1 353、+1 348、+1 321、+1 307、+1 292、+1 262、+1 246 m等台阶,剖面形状如图2所示。

图2 剖面形状Fig.2 Profile morphology

2.2 岩石力学参数

通过整理、分析以往矿区试验资料,并结合类似矿山岩土体物理力学指标进行归纳、总结,采用强度折减法得出该矿边坡稳定性分析的岩土体物理力学指标推荐值(表1)[9-10]。参照其他相关资料,初步确定排土场剥离物综合力学指标(表2)[11]。

第四系坡体曾发生过滑坡,在地层岩性分布的基础上,综合考虑现场调查所得的坡体表面风化信息,基于自然边坡稳定性分析确定的危险滑移面,选取安全系数0.98～1.02,对工点各边坡岩土参数采用静力法进行指标反演分析[12-13],分析结果如图3所示。反算得到第四系坡体强度参数c=50.0 kPa,φ=18°。

表1 岩石力学指标推荐Tab.1 Recommended rock mechanics indicators

表2 排土场剥离物综合力学指标统计Tab.2 Statistics of comprehensive mechanical indicators of stripped materials in waste disposal sites

图3 剖面分析结果Fig.3 Profile analysis results

3 边坡变形破坏机理分析

构建该露天矿研究区域典型边坡剖面计算模型,通过有限差分法计算并分析边坡水平位移场、竖直位移场、切应变增量等值阴影图、塑性破坏区分布以及位移矢量图,确定边坡潜在滑动部位与滑面形状,并依此预计边坡总体变形破坏趋势[14-15]。

计算中的岩体采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb屈服准则描述:

式中,σ1、σ3分别为最大和最小主应力;c、φ分别为黏聚力和内摩擦角。

当fs>0时,材料将发生剪切破坏。数值计算结果的可靠度很大程度上依赖于计算模型的建立,即岩体力学参数、本构模型及边界条件选取的可靠性与合理性[16-17]。结合研究区域边坡变形和地貌特征,对剖面构建分析模型如图4所示。模型的前、后、左、右边界为截离边界,模型前、后边界以Y方向位移约束,模型左、右边界以X方向位移约束,模型底部边界以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[18-19]。

边坡水平位移云图和水平速度云图如图5所示。由图5可以看出,坡体变形区域为+1 353 m和+1348m台阶,其余区域基本保持稳定。+1353m和+1 348 m台阶区域以及下部+1 307 m台阶区域存在水平变形速度增大现象。

图5 坡体水平位移、速度云图Fig.5 Horizontal displacement and velocity cloud map of slope body

坡体总应力分布图和剪应变增量云图如图6所示。由图6可知,坡体不存在应力集中分布区域和剪应力增量明显增大区域,不存在塑性变形区域。因此,坡体目前处于稳定状态。

图6 坡体总应力、剪应变增量云图 Fig.6 Cloud map of total stress and shear strain increment of slope body

4 边坡稳定性评价与优化研究

4.1 现状稳定性评价

采用极限平衡法,建立模型计算边坡安全系数,如图7所示,边坡最下部台阶(+1 292～+1 246 m台阶)滑动安全系数为1.403(图7(a)),坡体中部台阶(+1 348～+1 307 m台阶)滑动安全系数为1.675(图7(b)),均大于1.2,边坡处于稳定状态。

图7 边坡现状稳定性Fig.7 Current stability of slope

4.2 边坡参数优化设计

边坡现状最小安全系数为1.403,大于1.2,处于稳定状态,且抗滑力大于滑动力较多。为了保证边坡安全情况下尽可能将煤炭资源采出,需要对边坡参数进行优化,保障利益最大化。设计边坡参数优化采用4种方案,边坡角均按照优化设计37°、台阶角度均按照优化设计的70°来确定,方案1从+1 307 m台阶开始到坑底16煤,方案2从+1 348 m台阶开始到坑底16煤,方案3从优化设计确定的地表界线(+1 348 m台阶处)开始到坑底16煤,方案4从+1 353 m台阶开始到优化设计确定的坑底界线(16煤)。优化台阶如图8所示。

图8 边坡参数优化Fig.8 Optimization of slope parameters

方案1优化区域为从+1 307 m台阶开始到坑底16煤,+1 307 m以上台阶保持不变。将下部+1 307、+1 292、+1 262 m台阶平行向前推进,台阶+1 307 m以下坡体角度设计为37°,整体边坡角,台阶+1 307 m向前推进65 m。方案2优化区域为从+1 348 m台阶开始到坑底16煤,+1 348 m以上台阶不变,坡体剥离至+1 348 m台阶,+1 348 m台阶以下坡体角度设计为37°。方案3优化区域为优化设计确定的地表界线(+1 348 m台阶处)开始到坑底16煤,地表界线以上台阶不变。在方案2基础上将+1 348 m台阶以下坡体整体推进17.5 m。方案4优化区域为从+1 353 m台阶开始到优化设计确定的坑底界线(16煤),+1 353 m以上台阶不变,将下部坡体剥离推进至+1 353 m台阶,推进距离50 m,+1 353 m台阶以下坡体角度设计为37°。

优化方案台阶布置平面如图9所示。

4.3 优化后稳定性评价

根据4种优化方案建立模型,采用极限平衡法计算各方案边坡稳定性如图10—图13所示。搜索潜在滑移面优化方案1滑移范围为+1 348～+1 277 m台阶,临界滑动面安全系数为1.308(图10(a)),滑移范围+1 353～+1 259 m台阶,临界滑动面安全系数为1.388(图10(b))。抗滑力均大于滑动力,安全系数均大于1.2,边坡处于稳定状态。

搜索潜在滑移面优化方案2滑移范围+1 348～+1 277 m台阶,临界滑动面安全系数为1.266(图11(a)),滑移范围+1 353～+1 257 m台阶,临界滑动面安全系数为1.306(图11(b))。抗滑力大于滑动力,安全系数均大于1.2,边坡处于稳定状态。

搜索潜在滑移面优化方案3滑移范围+1 353～+1 277 m台阶,临界滑动面安全系数为1.166(图12(a)),滑移范围从坡顶第四系台阶至+1 277 m台阶,临界滑动面安全系数为1.304(图12(b))。抗滑力大于滑动力,安全系数均小于1.2,边坡处于稳定状态,安全系数不足。

优化方案4临界滑动面安全系数为1.133(图13(a))和1.172(图13(b)),滑移面范围从不同远近坡顶第四系至+1 277 m台阶,为多台阶滑动。抗滑力大于滑动力,安全系数小于1.2,边坡处于稳定状态,安全系数不足。

经过对不同优化方案计算分析可知,方案1—4边坡最小安全系数分别为1.308、1.266、1.166和1.133,安全系数均大于1,抗滑力大于滑动力,坡体均未发生失稳。但出于安全要求,边坡安全系数必须大于1.2,方案3和方案4不满足安全要求,方案1和方案2满足安全要求,方案2资源采出率更高。因此,方案2为最优方案。鉴于目前现状,建议前期采用方案1,剥采结束后,对边坡稳定状况进行进一步论证,再采用方案2继续剥采。

图9 优化方案台阶布置平面Fig.9 Layout plan of optimization plan step

图10 优化方案1边坡稳定性计算Fig.10 Optimization scheme 1 slope stability calculation

图11 优化方案2边坡稳定性计算Fig.11 Optimization scheme 2 slope stability calculation

图12 优化方案3边坡稳定性计算Fig.12 Optimization scheme 3 slope stability calculation

图13 优化方案4边坡稳定性计算Fig.13 Optimization scheme 4 slope stability calculation

5 结论

通过现场调查分析该露天矿西部端帮边坡情况,结合该矿地质条件,分析西部端帮边坡土岩物理力学特性,确定岩土物理力学参数,建立剖面数值模型。通过有限差分法进行边坡变形破坏机理分析,基于剥挖现状对西部边坡现状进行边坡稳定性评价,并对西部边坡进行了4种方案的参数优化,对优化后的边坡进行稳定性分析,对比提出了推荐方案。

(1)该煤矿西侧边坡存在2处滑坡区域:南部滑坡区域和北部滑坡区域。南部滑坡区域地表有1片裂缝区域、1块剥挖治理区域和3块滑坡区域,裂缝区域与剥挖治理区域连为一体,剥挖治理区域边缘有2块剥挖治理土方滑落形成的滑坡区;北部滑坡区域有单独的1片滑坡区域。南部滑坡区域裂缝长约460 m、宽约20 m,地表剥挖治理区域平面面积约7 350 m2,滑坡区域平面面积约为31 600 m2;北部滑坡区平面面积约23 000 m2。

(2)通过整理、分析以往矿区试验资料,并结合类似矿山岩土体物理力学指标进行归纳、总结,采用强度折减法得出该矿此次边坡稳定分析的岩土体物理力学指标推荐值。通过极限平衡分析,计算边坡现状最小安全系数为1.403,边坡安全系数大于1.2,满足安全生产要求。

(3)设计4种边坡参数优化方案,分别对4种方案边坡稳定性进行计算。结果显示,4种方案边坡安全系数分别为1.308、1.266、1.166和1.133。方案1和方案2边坡安全系数大于1.2,均满足安全要求,方案2资源采出率更高。因此,方案2既能保证边坡安全,又能实现资源回收率最大。鉴于目前现状,建议前期采用方案1,剥采结束后,对边坡稳定状况开展进一步论证,再采用方案2继续剥采。