吉郎德露天矿端帮顺倾边坡稳定性分析与防治措施

时间：2024-07-28

郭向东，王振伟，姜海涛，李营作，王一涵

（1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中岩矿科（北京）矿山工程技术研究院有限公司，北京 100043）

滑坡是露天煤矿频发的地质灾害之一，露天矿内排土场由于采排的时间效应和空间状态的变化，临空边坡体局部应力变化集中，岩土体强度弱化产生裂缝，在内部因素和降雨渗透等外部因素的条件作用下，失去对上部岩土体的支撑作用，极易引发失稳滑坡灾害，开采过程中的高陡边坡失稳将严重影响着露天矿的经济发展、工程安全，因此，高效防治滑坡灾害发生是露天矿贯彻始终的一项任务。

国内外众多学者、专家对露天矿边坡稳定性分析与防治措施做了大量研究[1-12]。杨天鸿等[1]提出岩体渐进损伤破坏作为边坡岩土体失稳前的本质特征，在开挖卸荷过程中，边坡岩体主要受剪切破坏影响发生拉裂性滑移破坏；谢建兵等[3]基于极限平衡理论，通过建立反演模型，为滑坡稳定性分析和治理提供参数的正确性和可靠度;李芳玮等[5]针对压帮条件下横采内排的边坡稳定性，利用数值模拟，分区段优化了断层与顺倾弱层影响下岩体边坡形态，并建立模型模拟破坏形式，分析计算边坡稳定性,通过研究端帮煤开采时边坡变形破坏，将变形时滑动面破坏分为3 个阶段，并对各阶段岩土体性质分析总结出滑动面破坏变形规律；王玉川等[8]通过软岩边坡的开挖过程，发现斜坡坡面后缘产生拉裂缝，同时采空区的塌落也会使松散岩体发生震动破碎，进一步扩张拉裂缝；马刚等[10]针对含弱层的顺倾边坡破坏模式进行了防固措施，采用上覆削坡减载防治进行治理，边坡变形得到有效控制。

综上，以哈密市吉郎德露天矿端帮顺倾边坡为研究对象，针对内排土场边坡裂隙带和坡面剪出现象，通过整理、搜集和分析相关地质资料，采用现场地质勘查及工程地质钻探、岩土体力学试验、理论分析和数值模拟方法进行分析，确定了地质构造特征、地下软弱岩层及煤层分布情况、变形区破坏特征及岩土体力学强度指标；并研究分析了边坡在放缓边坡角、快采内排防治措施下的稳定规律；从而解决吉郎德端帮边坡稳定性破坏问题。

1 工程概况

吉郎德煤矿位于新疆维吾尔自治区东北部哈密市，矿区出露地层从老至新分别为下石炭统灰绿色凝灰砂岩（南明水组）、中石炭统凝灰岩及火山角砾岩（石钱滩组）、下侏罗统灰白色、灰绿色砂岩及灰黑色泥岩（八道湾组）、下侏罗统灰色泥岩及粉砂岩（三工河组）、中侏罗统浅灰黑色粉砂岩、细砂岩、泥岩及夹煤层和煤线（西山窑组）、新近系（昌吉河群）褐色与红紫色泥岩和粉砂岩。矿田位于纸房大断裂[13]西南部，受断裂影响，主体区域构造类型呈褶皱向斜，矿田构造为受断层控制和破坏的不完整向斜和1 个残留断块。现状条件下整体边坡角约27°～34°，东帮南侧地层倾角为70°～80°，由南侧向北侧方向整体边坡角度逐渐变缓，开采深度200 m 左右，东帮地表已开采至最终境界。2020 年地表出现裂隙带，台阶坡面有剪出现象，通过GNSS 监测数据显示出边坡整体有向矿坑方向位移趋势，最大位移变化量为1～2 mm/d，随着开采继续降深，东帮边坡仍存在失稳隐患[14]。

为进一步确定边坡存在的失稳隐患，通过工程地质现场调查及工程地质钻探方法，结合以往勘察成果，在变形区域内进行补充勘察工作，共计布置工程地质钻孔2 个，全程采取岩心，总进尺120 mm，发现滑坡后缘长度约为259 m 的地表裂缝，裂缝宽度0.10～25 cm，走向大致平行于边坡台阶走向，台阶变形向矿坑有明显位移，东帮上部台阶标高+1 404 m平盘及标高为+1 416 m 平盘台阶坡面上出现了不同程度的剪切裂缝，剪切裂缝贯通，其中东帮上部台阶标高为+1 404 m 平盘出现了滑体的剪出口。

根据工程地质勘察成果以及东帮边坡地层特征，结合以往研究成果，建立的东帮边坡典型工程地质剖面图如图1。

图1 工程地质剖面图

2 岩土体力学强度

岩土体力学强度指标是边坡稳定性评价及边坡整体分析的基本工作数据和依据，通过进行岩体物理力学实验获得常规岩体力学性质数据，为后续理论研究和数值模拟提供力学参数支持。

确定岩土体力学强度指标的方法主要分为以下3 种：①对以往工程地质勘察资料、边坡调研、钻探等资料的收集、整理、综合分析出岩土体物理力学参数；②通过最新工程地质现场勘察、采取岩土试样，开展岩土物理力学试验，获取符合现场实际的力学参数；③采用边坡“反分析”方法，对滑坡发生前后的极限平衡状态进行反演分析，以此获取岩土物理力学参数，此方法适用于已经有滑体发生的边坡。

根据以往资料以及本次现场钻探取样，分别对不同岩性的岩土体进行力学试验，试验主要分为以下几项：①岩土体密度和含水率试验；②直接剪切试验；③单轴压缩变形试验。最终计算边坡稳定分析及边坡参数优化的岩土物理力学指标推荐值汇总见表1。

表1 岩土物理力学指标推荐值汇总表

3 边坡稳定分析及防治措施

3.1 边坡现状稳定性分析

为研究边坡变形破坏机理及变形破坏时内部的应力应变，采用数值模拟分析方法，数值计算主要方法有[15]：有限元法、有限差分法、边界元法和离散元法等，本次采用有限元数值模拟软件FLAC3D对边坡变形破坏机理进行对比分析。FLAC3D基于拉格朗日显式有限元差分法，可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性，在给定边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，能够更有效地模拟岩土体的不连续和变形问题[16]。

选取采场东帮中南部为典型工程地质剖面模型，其在位置边坡存在软弱带且形成的台阶数量较多，模型长1 000 m,底部标高1 100 m，垂直高度为450 m。采用FLAC3D软件前处理板块Building Blocks对吉郎德东帮边坡所选取剖面图进行三维建模，导出模型并进行不同岩层的分组。为了得到更接近平衡的初始应力减少模型计算误差，先采用弹性模型对边坡进行平衡计算，然后重置位移属性及初始条件，再次输入最终初始条件和材料强度参数。最终模型选用Mohr-Coulomb 塑性破坏准则，数值模型的边界条件为：左右为x 方向，位移边界固定，前后为y方向，位移边界条件固定，底部z 方向，位移边界固定，上部与边坡面为自由边界面。数值模型达到相对平衡后，边坡数值分析云图如图2～图7。

图2 边坡垂直方向应力云图

图3 边坡水平方向应力云图

图4 边坡水平位移云图

图5 边坡垂直位移云图

图6 边坡剪切变形增量云图

图7 边坡剪切应力云图

边坡的整体失稳将集中于位移变化较大区域及应力集中区域；从垂直、水平位移云图反映出边坡坡面变形主要发生在第四系坡顶区及软弱层坡脚处；随着开采矿产的继续、开挖深度的增加及地应力的重新释放调整，岩土体单元产生不同程度的塑性变形，边坡内部产生与之相应的变形区；竖直方向在边坡坡顶区域形成最大沉降变形区域，水平方向变形量指向矿坑产生位移；一旦塑性变形区域相互贯通，坡面整体将在贯通面发生整体失稳，因此可通过塑性区是否贯通来评价边坡失稳。

由于对底部煤炭资源的开采，破坏端帮边坡原始平衡条件，使边坡出现临空面及采空区，造成东帮边坡岩体卸载松弛，产生顺倾下滑或倾倒变形，变形增量主要集中在薄煤层上方坡脚处和勘测第四系坡顶裂隙带周围。

通过数值模拟与现场勘查结果分析可知，边坡主要变形区域存在软弱结构层，并与坡面呈顺向倾斜状态，软弱层在长期风化作用下，逐渐与边坡走向形成一定角度，导致边坡稳定性减弱，出现裂缝和剪出口，边坡滑动模式为“滑动牵引+倾倒剪切破坏”组合型模式，水平位移较大，结合坡顶应力分布特点，进而说明在工程勘察中第四系的坡顶后缘发生拉裂破坏出现拉裂缝，随着采收底部煤层不断挖深，坡面中部和底部的应力重分布，边坡上半部整体牵引作用增加，第四系坡顶后缘张拉破坏面逐渐贯通，从而升级裂缝的发展，坡脚向采场矿坑产生位移引发坡面整体滑动倾倒，边坡体发生滑移过程中，受到岩土体阻挡，随着位移量不断增加，产生的推力也不断增大，导致坡脚处出现勘测剪出口。

3.2 边坡综合治理措施

露天矿边坡失稳破坏防治措施主要可分为5种：削坡、固腰、压脚、支挡、加固。根据吉郎德露天矿现场勘查试验以及数值模拟分析情况，东帮边坡整体角度较大，第四系岩层已出现明显裂缝与剪出口，开采回收端帮压煤造成坡脚应力增大，潜在滑动面容易形成牵引式滑坡。考虑综合防治措施的经济性及安全性，采取削坡减载+快采内排边坡治理措施，利用极限平衡分析软件Geo-Slope 2007 进行边坡稳定性计算，采用摩根斯坦-普瑞斯法确定边坡稳定系数，边坡综合治理措施选取1.10 作为整体边坡安全储备系数，削坡减载边坡角变化及不同内排压脚高度的边坡稳定性计算如图8。

图8 削坡前后及压脚高度稳定性计算结果

在边坡综合治理方案中，第四系边坡+1 430 m水平平盘向东削坡20 m，+1 416 m 水平平盘向东削坡15 m，第四系边坡28°降低至26°，第四系边坡稳定系数由原始0.943 提高至1.247，满足1.10 安全储备要求。坡脚采取快采内排措施，考虑到边坡时间效应，稳定性系数随内排压脚高度而提高，当内排土高度达到20 m 时，边坡稳定性系数为1.035；内排土高度继续增加为40 m 时，边坡稳定系数呈指数上升状态，边坡角随即减缓，边坡稳定性系数为1.105；当内排土高度为60 m，此时边坡稳定性为1.203，满足安全储备系数1.10 要求，为保证边坡安全稳定，内排土高度不低于40 m。

为确保露天矿回收压煤资源过程中的边坡稳定状况，运用边坡雷达监测系统及地表GNSS 监测系统，实时监测地下岩土体变形量及变形规律，稳步保障露天矿安全高效生产过程中，实现边坡有效监测及滑坡预警功能。