小龙潭露天矿采场东帮边坡稳定性分析及治理

时间：2024-07-28

苏志强，鄢洪

（云南省小龙潭矿务局，云南开远 661601）

露天矿边坡不稳定是采矿工程建设中的常见问题，这直接关系着采场正常安全生产和人民生命和采场安全。小龙潭露天矿采场东帮工程地质条件较差，地层岩性本身软弱及软弱结构面的不利组合是影响边坡稳定性的主要因素，且容易受到大气降水、地下水和爆破作用等影响，采场东帮边坡表现出失稳模式为沿软弱结构面（带）整体失稳，以重力作用为主的蠕动滑移。通过清方减载治理方案的制定和对比，确定了治理方案且对边坡稳定性计算进行治理效果检验。通过极限平衡法（Morgenstern-Price法），对小龙潭露天矿采场东帮边坡治理前后的边坡整体稳定性进行了分析[1-2]，并根据计算结果对此边坡治理效果进行评价。

1 小龙潭露天矿东帮边坡概况

小龙潭露天矿东帮边坡上部坡体已达到开采境界，坡体上以劣质煤、炭质黏土为主，坡体上岩土体由于风化作用及地表水浸泡软化等作用，已出现大面积变形，区域大致呈扇形，上小下大。变形后缘位于东帮上部标高1 134 m 平台处，前缘在采坑标高1 020 m 平台，变形后缘呈圈椅状，后缘陡壁中部高约5 m，逐步向两侧降低。两侧剪切裂缝在中、上部明显，下部右侧有轻微鼓胀现象，左侧表现为羽张裂缝。变形区上部排水沟被剪断，中、下部边坡台阶坍塌严重，下部鼓胀明显，高1～1.50 m。为此，通过对清方减载治理前后的稳定性分析，指出东帮边坡滑落的可能性和影响滑落的各种因素，指导露天矿东帮采剥设计及安全生产。

2 变形区地层岩性及地质条件

1）地层岩性。经现状调查及查阅相关地质勘探成果，采场东帮边坡变形区分布的地层由新至老有人类活动层（Qml）、第四系坡洪积层（Qdl+pl）、新第三系主煤层段（N1-2x3）、新第三系薄煤层炭质黏土岩段（N1-2x2）、新第三系东升桥黏土岩段（N1-2x1）、三叠系中统个旧组白云质灰岩（T2g4）及三叠系中统个旧组白云质灰岩下段（T2g3）。

2）地下水类型及特征。变形区内岩溶水主要分布于边坡后缘T2g4 层白云质灰岩及T2g3 白云质灰岩中，具地下水位埋深较大，对边坡稳定性影响总体小。主要对变形区主要影响的地下水赋存空间类型及水动力特征如下：孔隙水主要赋存于第四系坡洪积层（Qdl+pl）黏土中，主要分布于边坡顶部一线，透水性和连通性差，地下水位明显受季节变化影响大，具埋藏浅、水量小，无统一水位的特点，含（透）水层富水性较弱，但与地表水交替平凡，常在土岩接触带溢出地表；裂隙水主要赋存于新第三系中，其N1-2x3主煤段中地下水主要赋存于下部炭质黏土内，其含水较弱，空间上无明显界限。N1-2x2以炭质黏土岩为主，N1-2x1以黏土岩为主，泥质胶结，胶结程度较好，裂隙不发育，为良好隔水层。裂隙水由于受炭质黏土岩及黏土岩的阻隔，通常以泉的形式排泄，该类地下水接受大气降水及第四系孔隙水补给后，极易在N1-2x2炭质黏土岩一带富集并运移，长期浸泡、软化等作用下易形成软弱结构面，对边坡稳定性极为不利。

3）地下水补、径、排条件。小龙潭露天矿东帮变形区，总体处于地下水山间盆地承压径流区，边坡区坡体地带浅层地下水为潜水，在坑底具承压性。地下水主要接受大气降水渗入补给，向边坡坡体径流或在剥离台阶排泄或渗入N1-2x裂隙含水层中，排泄点集中分布边坡中下部。近年来东帮边坡地裂缝发育，边坡区内大气降水、地表沟渠水及上部生产生活用水等直接由地裂缝中渗入地下。

4）工程地质条件。东帮边坡倾向与地层倾向基本一致，为顺层边坡；东帮变形区岩层自上而下岩土体工程出现素填土和黏土分布于边坡顶部一线，分布不均匀，地表水长期浸泡、软化等作用下易降低其抗剪强度，含水率达到塑限以上时，易形成软弱结构夹层（潜在滑动面）；褐煤层主要分布于边坡标高为1 015 m 平台以下，分布稳定，浅表层极易受岩体风化及地表水软化等作用下，沿裂隙面及层面产生崩塌及冲蚀现象；炭质黏土岩受地表水长期浸泡、软化等作用下降低其抗剪强度，含水率达到塑限以上时，易形成软弱结构夹层（潜在滑动面）；黏土岩开挖新鲜岩面稳定性较好，但矿坑分台开挖后裸露于地表黏土岩风化及强烈，加之地表水长期浸泡、软化等作用下降低其抗剪强度，沿裂隙面及层面产生崩塌及冲蚀现象；三叠系中统个旧组白云质灰岩（T2g4），仅分布于边坡顶部一线，分布稳定，稳定性较好。

3 东帮边坡稳定性影响因素分析

根据东帮边坡实际地形条件、岩土体工程地质条件、水文地质条件，综合边坡变形迹象分析，边坡失稳模式为沿软弱结构面整体失稳，表现为以重力作用为主的蠕动滑移，小龙潭露天矿东帮边坡失稳影响因素主要分内因与外因，内因为地层岩性与软弱结构面的组合，外因主要为地表水与地下水。

1）地层岩性及软弱结构面。坡体分布岩土体中，新第三系薄煤层炭质黏土岩段（N1-2x2）顶部及以上地层黏土均为土质，且具膨胀性，有利于坡体塑性变形。新第三系薄煤层炭质黏土岩段（N1-2x2）底部以下3 岩层接触面接触部位上下连接较弱，力学强度差异大。加之地层产状与坡向一致，软弱接触面有利于滑坡形成。地层岩性本身软弱及软弱结构面的不利组合是影响边坡（滑坡）稳定性的主要因素。

2）地表水、地下水的作用。水的作用是边坡产生变形的敏感因素，特别是连续性暴雨季节，大量地表水渗入到边坡岩土体内，在各岩土体接触带及夹层中富集、运移，降低了岩土体的力学强度，使其膨胀软化成较软的泥化夹层，并产生孔隙水压力，从而加速边坡岩土体的破坏。水的作用是边坡变形的直接诱导因素[3-4]。

4 东帮边坡变形破坏机制及力学参数

1）东帮边坡变形破坏机制。小龙潭露天矿东帮滑坡周界清晰，地质勘察报告中给出潜在滑面位置，滑坡体地层岩性为黏土岩夹薄煤层N1-2x2，后缘陡壁高度约0.5 m，呈不规则弧形，滑坡后缘、左、右侧壁都出现较明显的裂缝。潜在滑面主要为黏土岩夹薄煤层N1-2x2和黏土岩N1-2x1接触面，存在沿岩体层间软弱结构面顺层滑动或上部顺层滑动+底部圆弧切出滑动，将以顺层滑动为主；东帮边坡属厚层大型推移式蠕动型滑坡，滑坡主滑方向260°，变形破坏机制为：坡体变形→整体处于蠕滑状态→后缘推移式滑移[5-6]。边坡滑移破坏模式如图1。

图1 露天矿边坡滑移动破坏模式示意图

2）岩土体物理力学指标。小龙潭露天矿东帮边坡主要由素填土Qml、粉质黏土Qdl+pl、褐煤层夹矸（炭质黏土）N1-2x3、炭质黏土岩夹薄煤层N1-2x2和黏土岩N1-2x1组成。根据地质勘察报告中数据确定的东帮边坡各岩土层计算力学指标取用值见表1。

表1 边坡岩土体物理力学指标取用值

5 东帮清方减载前后稳定性分析

计算以近垂直边坡方向延伸的10-10′、11-11′和12-12′为典型计算剖面，对边坡可能存在潜在的滑移面进行计算，得到边坡的稳定系数。小龙潭露天矿东帮边坡典型剖面布置示意图如图2。

图2 小龙潭露天矿东帮边坡典型剖面布置示意图

东帮边坡治理前后稳定计算采用上述边坡岩土体物理力学指标，通过建立地质模型，利用边坡稳定分析软件GeoStudio2007 进行分析计算，对推测的滑移面进行计算，采用极限平衡法[7-8]分别计算了边坡在自重条件下与在自重加地下水条件下的稳定系数。得到的东帮边坡治理前的稳定系数见表2。

表2 小龙潭矿东帮变形区治理前边坡稳定系数

由表2 验算结果，结合从现场调查及勘察报告中地下水情况分析，东帮边坡的现状条件符合工况2，地下水位线高，在自重+地下水条件下，稳定系数均小于1.1，参照DZT 0219—2006[9]滑坡防治工程设计与施工技术规范，不能满足规范要求。

根据东帮边坡治理设计优选处置方案（清方减载），对清方后边坡现状进行稳定性计算，选择10-10′、11-11′和12-12′剖面计算稳定系数；得到的小龙潭矿东帮变形区治理后边坡稳定系数结果表见表3。

表3 小龙潭矿东帮变形区治理后边坡稳定系数结果表

由表3 结果表明，经清方治理，上述3 个剖面的最小稳定系数均能满足DZT 0219—2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范规定的自重+地下水工况下，抗滑动系数1.1 以上的要求。

6 治理后效果

针对小龙潭露天矿东帮边坡蠕动变形不断增大的情况，根据治理设计，优选清方减载方案，减小上部黏土岩有效荷载，减小对下部煤层直接推压作用以减缓变形，从而使边坡稳定，确保安全生产。结合当前清方需要和开采需要的时间，分2 个阶段对东帮边坡进行清方减载治理；通过2 年的治理实施，2 期共完成清方减载土方量73.35 万m3。

2020 年完成治理后，区域内恢复地表监测点进行变形监测，通过监测数据对比，结合昆明理工大学每季度编制的矿区地表形变卫星遥感监测现状诊断报告和人工地表巡查情况，整体边坡变形趋势大幅度下降，下部恢复正常采剥作业。

根据生产现状，2020 年末委托昆明煤炭设计研究院对区域边坡进行稳定性分析与评价，得到的清方减载后区域边坡稳定系数结果表见表4。

表4 清方减载后区域边坡稳定系数结果表

综上，通过清方减载治理，体现了东帮边坡整体边坡角逐渐减小的动态过程，保证了整体边坡的稳定性，确保下部采剥生产安全，东帮治理取得良好效果，也验证了东帮边坡清方减载设计的合理性。