布沼坝露天矿西帮软岩边坡变形机理研究

刘定帅，付 易，孙志辉，张传伟

（1.云南小龙潭矿务局有限责任公司，云南 开远 661699；2.昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650011）

露天矿边坡伴随着开采作业而存在，边坡既服务于采矿作业，同时又受到采矿工艺的制约。随着开采的进行，采场不断扩帮延深及排土场升段，边坡暴露的范围、持续时间也在不断增加[1]，边坡失稳几率及边坡维护费用会相应增加。人工扰动是导致边坡滑坡的主要外在因素，而边坡体结构是导致边坡滑坡的主要内在因素[2]。其中以松散结构及软弱岩类层状结构边坡最易发生边坡失稳[3]，导致露天矿边坡的滑动、崩塌，给矿山人员安全、国家矿产资源和企业经济效益造成严重危害和损失，边坡稳定性与露天矿安全生产和生产效率密切相关，而且边坡失稳也对矿区自然形态和地质环境影响重大[4]。因此，充分研究并掌握软岩边坡变形机理及过程并采取行之有效的治理措施，对确保安全生产及地质环境保护至关重要[5]。

1 工程概况

布沼坝露天矿西帮局部台阶滑塌发生于采场西帮南段，高程1 160～1 090 m，东西长约180 m，南北宽约140 m，初始变形区范围2.5 万m2，变形区后缘位于西帮1 164 m 水平民用道路内侧。

1.1 工程地质特征

1）滑塌区边坡分布有大量的第四系表土、新第三系薄煤段至东升桥黏土岩段（N1－2X1－2）软弱岩组，其岩体特性不利于边坡稳定。

2）第四系表土、新第三系薄煤段、新第三系东升桥黏土岩，边坡岩土体水理性差，具明显的软化和膨缩性。滑塌区边坡在水长期浸润软化下，第四系表土层、新第三系薄煤段、新第三系东升桥段黏土岩将处于饱和状态，转变为边坡弱层，形成滑坡。

3）滑塌区边坡为一套新第三系沉积地层顺层边坡，地层倾角与现状边坡角基本一致，边坡稳定性相对较差。构成布沼坝露天矿西帮边坡不稳定的软弱结构面有：第四系表土与新第三系薄煤段－东升桥段黏土岩（N1－2X1－2）的接触面，新第三系薄煤段与东升桥段黏土岩接触面，东升桥段黏土岩与基底三叠系中统个旧组白云质灰岩夹薄层泥质砂岩接触面。根据矿山多年生产经验，矿山以往发生的滑坡多位于上述结构面中。

4）滑塌区位于原古河道（冲沟）下游方向，古河道位置分布有沙土、砾石层，构成良好的透水层和流水通道，随着矿山开采古河道地表流水虽已截流，但仍有部分水沿古河道下渗后从边坡渗出，渗出的地下水造成边坡岩体软化，诱发边坡滑坡。

5）滑塌区原始边坡地形坡度约2°，随着矿山开采，滑塌区地形地貌已发生巨大改变，目前滑塌区已形成200 m（1 167～967 m 水平）的高边坡，边坡整体坡度12°～15°，因人工边坡形成的时间相对较短，边坡开挖后应力重新分布亦将引起边坡变化。

1.2 变形体形态特征

根据监测数据显示，变形体移动方位为正东，滑塌前变形区后缘1 160～1 164 m 水平裂缝形成于2021 年7 月2 日—5 日，裂缝呈多组（2～3 组）相互平行、间断相连。后缘裂缝呈南北向弧形分布，张性裂缝，分布范围长达75 m，裂缝宽5～20 cm。后缘裂缝走向基本与变形体位移方向垂直。变形体前缘地表裂缝首次发现于2021 年7 月5 日，裂缝呈南北向分布，鼓张性裂缝，裂缝长约33 m。变形体两翼裂缝显示出明显的羽状剪切裂缝特征，变形范围较为清晰。2021 年7 月14 日，变形区边坡发生了滑塌，在矿务局重大风险管控到位，应急处置决策科学、措施得当的情况下，矿山实现成功避险，有效避免了人员伤亡和重大财产损失。滑塌发生后，该区形成1 个东西长570 m，宽145 m，后缘滑塌陡坎约20 m，前缘滑舌高10 m，滑塌周界面积9.44 万m2的滑动带。

2 边坡稳定性

2.1 计算方法和数值模型

此次西帮局部滑塌的主要原因是降雨导致的西帮部分岩土体抗剪强度参数劣化，采用刚体极限平衡法对西帮滑塌区域边坡进行稳定性求解将使计算结果脱离实际。此外滑体两侧为岩体力学参数较高的灰岩，滑体与两侧灰岩形成软弱接触面，二维极限平衡法分析已不能准确反映滑塌区域的稳定性情况。在这种情况下采用能还原岩体力学参数随降雨弱化过程的强度折减法对滑塌区域进行稳定性分析更为合理[6]。因此，本次分析利用FLAC3D软件采用强度折减法进行。

发生局部台阶滑塌后，小龙潭矿务局公司根据《煤矿安全规程》要求，立即对滑塌区域开展应急地质补充勘察工作，进一步查明地层分布特征并获取了详细的岩土体力学参数，同时结合以往勘察资料，确定各边坡稳定性分析所需各项力学指标，确保了边坡分析的准确性，也为后续综合治理打下基础。

根据西帮边坡的形态和结构特征，利用FLAC3D分析软件建立模型。此次数值模拟旨在分析降雨及地下水导致的西帮岩土体抗剪强度劣化所引发的局部台阶滑塌。采用有限差分分析程序对西帮边坡进行了数值模拟分析。模型四周边界约束法向速度，底部约束x、y、z 方向速度，其它边界为自由边界。

2.2 边坡稳定性分析结果

1）位移。位移云图如图1。通过FLAC3D分析软件位移云图分析表明，滑塌前变形区域岩土体最大水平位移集中于坡顶临空面附近的第四系黏土层、钙华、黏土、粉土、人工填土及炭质黏土岩处。坡体1 164～1 135 m 水平易发生较大位移。1 164 m 水平的第四系黏土运动趋势以坐落为主，1 135 m 水平的黏土、人工填土、粉土的运动趋势以底鼓为主。

图1 位移云图

2）应力场。应力分布图如图2。通过应力场分析，边坡体的应力分布特征为：在边坡岩体自重的作用下，在坡表层一定深度范围内，应力分布基本平行于斜坡面，且从边坡上部向坡脚拉应力逐渐减小，压应力逐渐增大，坡脚处压应力最大。从坡表层向深部，这一变化特点逐渐减弱，当达到一定深度之后，将恢复初始地应力状态。另外，F4和F7断层破碎带的存在阻碍了坡体水平方向的应力传递，使破碎带周围的岩土体形成明显的应力梯度，有利于破碎带附近岩土体的裂纹发育，更易发生破坏。

图2 应力分布图

3）潜在滑移面位置分析及破坏模式分析。滑动面位置及破坏模式图如图3。滑塌后西帮综合治理区潜在滑动面有1 处，位于1 175～1 135 m 水平，剪切入口在1 175 m 水平附近，剪出口在1 135 m 水平附近。滑塌后的滑坡模式为“推移式”滑坡。

图3 滑动面位置及破坏模式图

2.3 监测预警及处置

边坡监测预警是发现边坡初期变形的重要技术手段[7]，有利于露天矿提前采取防治措施，科学的监测预警有利于避免人员伤亡和减少财产损失[8]。在边坡变形影响因素中，水是影响边坡稳定的主要因素[9]，因此将此次滑塌前监测数据及降雨量数据进行对比分析，累计位移与降雨量历时曲线图如图4。2021 年6 月初，矿区持续降雨，受降雨影响，336－338 线边坡监测数据显示存在蠕动变形，露天矿加强了监测数据跟踪分析。

2021 年7 月2 日，位移速度超过20 mm/d，当天巡查发现道路侧出现地表裂缝。露天矿发布4 级预警，增设了监测点位，开始实施清方减载，对该区域植被进行清理并梳理排水沟，要求进行每日巡查，24 h 专人值守，每日汇报监测数据情况。2022 年7月11 日，位移速度超过60 mm/d，发布三级预警，露天矿领导及相关业务部门到岗、到位，划定变形区域警戒范围，切断供电线路及带式输送机，无关人员禁止入内，封堵周边道路，每12 h 汇报1 次监测数据情况。2022 年7 月12 日，位移速度超过80 mm/d，发布二级预警，应急抢险指挥部、应急行动小组、应急抢险队员驻矿待命。2022 年7 月14 日，位移速度超过100 mm/d，发布一级预警，人员设备撤离，所有应急人员到达现场安全区域集结，完成疏散及现场秩序维护，准备抢险。晚上20：00 发生滑塌，无人员伤亡，设备损失降到最低，完成边坡滑坡成功处置。变形速度曲线图如图5。

图5 变形速度曲线图

2.4 滑塌原因

根据以上分析结果，布沼坝露天矿西帮软岩边坡变形滑塌内因是：该区边坡为顺层结构边坡，边坡内部软弱结构面发育，且边坡岩体松散、软弱，水理性较差，边坡岩体具有膨胀和极强的软化特性，边坡稳定性较差。诱发因素是：受大气降水浸润软化，土体容重增加，应力重新分布，软弱结构层抗滑力不足，导致边坡发生变形、滑塌。

3 结语

以布沼坝露天矿西帮局部台阶滑塌为主要研究对象，通过边坡体结构、监测数据分析说明了西帮软岩边坡滑塌的主要特征及影响因素，同时利用FLAC3D进一步阐释、论证了露天矿软岩边坡变形机理及特征。针对随生产推进与日俱增的边坡风险，深入全面的隐蔽致灾因素分析及变形机理分析愈发具有重要性。此次露天矿西帮局部台阶滑塌从前期数据、变形特征、工程地质特征收集较为全面，处置较为成功。同时通过深入分析，也充分揭示了软岩边坡的变形机理与特征，对后续露天矿边坡分析与防治工作具有重要的现实意义。