斷層區域露天邊坡穩定性評價及優化設計研究

牟 義,徐 慧,田靈濤,陳清通,李 偉,郭夏飛,吾木提江·許庫爾

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭 科學研究總院),北京 100013; 3.國電建投內蒙古能源有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017209; 4.木壘縣應急管理局,新疆 昌吉 831999)

露天礦邊坡發生失穩破壞,是多種影響因素共同作用的結果,不同影響因素引發的邊坡失穩破壞機理不同[1]。對于不同邊坡,其影響環境和應力狀態是不一樣的,對于某個特定邊坡要具體分析影響其穩定性的原因,這也是掌握邊坡破壞模式和穩定性的關鍵[2]。影響采場非工作幫邊坡穩定的重要因素為人工開挖等工程活動[3]。人工開挖包括坡面、基坑和地下開挖,其對邊坡穩定性的影響也是邊坡工程中的一個重要因素,人工開挖由于在極短時間內改變了邊坡的地形特征和平衡條件,如處理不當,往往容易引發滑坡[4]。如近些年來在我國高速公路建設中發生的大量滑坡,很多都與路基施工時邊坡的切腳有關[5]。

對于露天礦端幫邊坡,除以上邊坡穩定影響因素外,地質構造對邊坡穩定的影響也不容忽視,巖層組合特征、構造的形態、構造走向與傾角大小等,對邊坡穩定性也起到至關重要的作用[6]。鄂爾多斯某露天礦井田外側西部鄰近高山地勢,此山地勢較陡,整體地勢40°左右,局部地段達到80°,西部礦權境界處有棋盤井逆斷層,該斷層長度大于6 km,傾角60°～70°,斷距大于300 m。受高山及斷層影響,在山坡處已出現2處裂縫,一處位于礦田外西北角,另一處位于礦田外西部靠南側,采掘場西部最上部形成了高50 m的高邊坡,目前已出現滑坡現象。在棋盤井逆斷層經過的其他露天礦邊坡,也有類似斷層影響下滑坡現象。為了預防滑坡造成安全事故發生,保障煤礦安全生產,筆者從該礦邊坡破壞機理分析入手,進行了邊坡現狀穩定性評價,然后進行了邊坡參數優化設計,對優化后邊坡穩定性進行評價,提出了安全可行的剝離邊坡方案,可為類似斷層影響下解決邊坡安全性問題提供借鑒。

1 邊坡概況

鄂爾多斯某露天礦邊坡存在2處滑坡區域:南部滑坡區域和北部滑坡區域。南部滑坡區域地表有1片裂縫區域、1塊剝挖治理區域和3塊滑坡區域,裂縫區域與剝挖治理區域連為一體,剝挖治理區域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區;北部滑坡區域有單獨的1片滑坡區域。南部滑坡區域裂縫長度約460 m,寬約20 m,地表剝挖治理區域平面面積約7 350 m2,滑坡區域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區域平面面積約23 000 m2。裂縫、剝挖及滑塊區域如圖1所示。

圖1 邊坡滑坡區域Fig.1 Slope landslide area

經過現場踏勘,滑坡體可見多處拉張裂縫,裂縫寬度0.2～2.2 m。整個滑坡可分為3個滑塊呈階梯狀,滑坡后緣壁向下延伸,形成后緣平臺,隨后傾角變緩,形成滑坡臺坎,前緣鼓脹突起。推斷滑體地層巖性:二疊系上統上石盒子組(P2s)由厚層狀含礫粗砂巖、砂巖等組成,下統山西組(P1s)主要由粗砂巖、中砂巖、砂質泥巖及炭質泥巖、煤層組成,局部夾黏土巖,滑體整體透水性較強,而滑動帶地層為砂質泥巖,其透水能力差,遇水濕滑。調查顯示,滑坡區構造特征為存在棋盤井逆斷層(F1逆斷層),該斷層位于露天礦區西部邊界,系滑坡區主要地質構造,為一低角度逆沖推覆斷層。該斷裂上盤為奧陶系灰巖地層,下盤為二疊系砂巖、泥巖和石炭系。斷層破碎帶內巖石呈粉末狀且出現斷層泥。上述地質特征均有利于滑坡產生,而且該邊坡由于露天煤礦開采、開挖坡腳導致斜坡體前緣應力缺失、穩定性遭到破壞,最終導致滑坡產生[7-8]。

2 邊坡剖面與巖土力學參數

2.1 邊坡剖面選取

選取的平剖面線位于礦區西部南側,北偏東117°,長約590 m,起源于西部邊界附近的滑坡區,向東南依次穿越+1 373、+1 353、+1 348、+1 321、+1 307、+1 292、+1 262、+1 246 m等臺階,剖面形狀如圖2所示。

圖2 剖面形狀Fig.2 Profile morphology

2.2 巖石力學參數

通過整理、分析以往礦區試驗資料,并結合類似礦山巖土體物理力學指標進行歸納、總結,采用強度折減法得出該礦邊坡穩定性分析的巖土體物理力學指標推薦值(表1)[9-10]。參照其他相關資料,初步確定排土場剝離物綜合力學指標(表2)[11]。

第四系坡體曾發生過滑坡,在地層巖性分布的基礎上,綜合考慮現場調查所得的坡體表面風化信息,基于自然邊坡穩定性分析確定的危險滑移面,選取安全系數0.98～1.02,對工點各邊坡巖土參數采用靜力法進行指標反演分析[12-13],分析結果如圖3所示。反算得到第四系坡體強度參數c=50.0 kPa,φ=18°。

表1 巖石力學指標推薦Tab.1 Recommended rock mechanics indicators

表2 排土場剝離物綜合力學指標統計Tab.2 Statistics of comprehensive mechanical indicators of stripped materials in waste disposal sites

圖3 剖面分析結果Fig.3 Profile analysis results

3 邊坡變形破壞機理分析

構建該露天礦研究區域典型邊坡剖面計算模型,通過有限差分法計算并分析邊坡水平位移場、豎直位移場、切應變增量等值陰影圖、塑性破壞區分布以及位移矢量圖,確定邊坡潛在滑動部位與滑面形狀,并依此預計邊坡總體變形破壞趨勢[14-15]。

計算中的巖體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb屈服準則描述:

式中,σ1、σ3分別為最大和最小主應力;c、φ分別為黏聚力和內摩擦角。

當fs>0時,材料將發生剪切破壞。數值計算結果的可靠度很大程度上依賴于計算模型的建立,即巖體力學參數、本構模型及邊界條件選取的可靠性與合理性[16-17]。結合研究區域邊坡變形和地貌特征,對剖面構建分析模型如圖4所示。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界,模型前、后邊界以Y方向位移約束,模型左、右邊界以X方向位移約束,模型底部邊界以Z方向位移約束,從而構成位移邊界條件,以保持整個系統的受力平衡[18-19]。

邊坡水平位移云圖和水平速度云圖如圖5所示。由圖5可以看出,坡體變形區域為+1 353 m和+1348m臺階,其余區域基本保持穩定。+1353m和+1 348 m臺階區域以及下部+1 307 m臺階區域存在水平變形速度增大現象。

圖5 坡體水平位移、速度云圖Fig.5 Horizontal displacement and velocity cloud map of slope body

坡體總應力分布圖和剪應變增量云圖如圖6所示。由圖6可知,坡體不存在應力集中分布區域和剪應力增量明顯增大區域,不存在塑性變形區域。因此,坡體目前處于穩定狀態。

圖6 坡體總應力、剪應變增量云圖 Fig.6 Cloud map of total stress and shear strain increment of slope body

4 邊坡穩定性評價與優化研究

4.1 現狀穩定性評價

采用極限平衡法,建立模型計算邊坡安全系數,如圖7所示,邊坡最下部臺階(+1 292～+1 246 m臺階)滑動安全系數為1.403(圖7(a)),坡體中部臺階(+1 348～+1 307 m臺階)滑動安全系數為1.675(圖7(b)),均大于1.2,邊坡處于穩定狀態。

圖7 邊坡現狀穩定性Fig.7 Current stability of slope

4.2 邊坡參數優化設計

邊坡現狀最小安全系數為1.403,大于1.2,處于穩定狀態,且抗滑力大于滑動力較多。為了保證邊坡安全情況下盡可能將煤炭資源采出,需要對邊坡參數進行優化,保障利益最大化。設計邊坡參數優化采用4種方案,邊坡角均按照優化設計37°、臺階角度均按照優化設計的70°來確定,方案1從+1 307 m臺階開始到坑底16煤,方案2從+1 348 m臺階開始到坑底16煤,方案3從優化設計確定的地表界線(+1 348 m臺階處)開始到坑底16煤,方案4從+1 353 m臺階開始到優化設計確定的坑底界線(16煤)。優化臺階如圖8所示。

圖8 邊坡參數優化Fig.8 Optimization of slope parameters

方案1優化區域為從+1 307 m臺階開始到坑底16煤,+1 307 m以上臺階保持不變。將下部+1 307、+1 292、+1 262 m臺階平行向前推進,臺階+1 307 m以下坡體角度設計為37°,整體邊坡角,臺階+1 307 m向前推進65 m。方案2優化區域為從+1 348 m臺階開始到坑底16煤,+1 348 m以上臺階不變,坡體剝離至+1 348 m臺階,+1 348 m臺階以下坡體角度設計為37°。方案3優化區域為優化設計確定的地表界線(+1 348 m臺階處)開始到坑底16煤,地表界線以上臺階不變。在方案2基礎上將+1 348 m臺階以下坡體整體推進17.5 m。方案4優化區域為從+1 353 m臺階開始到優化設計確定的坑底界線(16煤),+1 353 m以上臺階不變,將下部坡體剝離推進至+1 353 m臺階,推進距離50 m,+1 353 m臺階以下坡體角度設計為37°。

優化方案臺階布置平面如圖9所示。

4.3 優化后穩定性評價

根據4種優化方案建立模型,采用極限平衡法計算各方案邊坡穩定性如圖10—圖13所示。搜索潛在滑移面優化方案1滑移范圍為+1 348～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.308(圖10(a)),滑移范圍+1 353～+1 259 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.388(圖10(b))?？够笥诨瑒恿?安全系數均大于1.2,邊坡處于穩定狀態。

搜索潛在滑移面優化方案2滑移范圍+1 348～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.266(圖11(a)),滑移范圍+1 353～+1 257 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.306(圖11(b))?？够Υ笥诨瑒恿?安全系數均大于1.2,邊坡處于穩定狀態。

搜索潛在滑移面優化方案3滑移范圍+1 353～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.166(圖12(a)),滑移范圍從坡頂第四系臺階至+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數為1.304(圖12(b))?？够Υ笥诨瑒恿?安全系數均小于1.2,邊坡處于穩定狀態,安全系數不足。

優化方案4臨界滑動面安全系數為1.133(圖13(a))和1.172(圖13(b)),滑移面范圍從不同遠近坡頂第四系至+1 277 m臺階,為多臺階滑動?？够Υ笥诨瑒恿?安全系數小于1.2,邊坡處于穩定狀態,安全系數不足。

經過對不同優化方案計算分析可知,方案1—4邊坡最小安全系數分別為1.308、1.266、1.166和1.133,安全系數均大于1,抗滑力大于滑動力,坡體均未發生失穩。但出于安全要求,邊坡安全系數必須大于1.2,方案3和方案4不滿足安全要求,方案1和方案2滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2為最優方案。鑒于目前現狀,建議前期采用方案1,剝采結束后,對邊坡穩定狀況進行進一步論證,再采用方案2繼續剝采。

圖9 優化方案臺階布置平面Fig.9 Layout plan of optimization plan step

圖10 優化方案1邊坡穩定性計算Fig.10 Optimization scheme 1 slope stability calculation

圖11 優化方案2邊坡穩定性計算Fig.11 Optimization scheme 2 slope stability calculation

圖12 優化方案3邊坡穩定性計算Fig.12 Optimization scheme 3 slope stability calculation

圖13 優化方案4邊坡穩定性計算Fig.13 Optimization scheme 4 slope stability calculation

5 結論

通過現場調查分析該露天礦西部端幫邊坡情況,結合該礦地質條件,分析西部端幫邊坡土巖物理力學特性,確定巖土物理力學參數,建立剖面數值模型。通過有限差分法進行邊坡變形破壞機理分析,基于剝挖現狀對西部邊坡現狀進行邊坡穩定性評價,并對西部邊坡進行了4種方案的參數優化,對優化后的邊坡進行穩定性分析,對比提出了推薦方案。

(1)該煤礦西側邊坡存在2處滑坡區域:南部滑坡區域和北部滑坡區域。南部滑坡區域地表有1片裂縫區域、1塊剝挖治理區域和3塊滑坡區域,裂縫區域與剝挖治理區域連為一體,剝挖治理區域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區;北部滑坡區域有單獨的1片滑坡區域。南部滑坡區域裂縫長約460 m、寬約20 m,地表剝挖治理區域平面面積約7 350 m2,滑坡區域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區平面面積約23 000 m2。

(2)通過整理、分析以往礦區試驗資料,并結合類似礦山巖土體物理力學指標進行歸納、總結,采用強度折減法得出該礦此次邊坡穩定分析的巖土體物理力學指標推薦值。通過極限平衡分析,計算邊坡現狀最小安全系數為1.403,邊坡安全系數大于1.2,滿足安全生產要求。

(3)設計4種邊坡參數優化方案,分別對4種方案邊坡穩定性進行計算。結果顯示,4種方案邊坡安全系數分別為1.308、1.266、1.166和1.133。方案1和方案2邊坡安全系數大于1.2,均滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2既能保證邊坡安全,又能實現資源回收率最大。鑒于目前現狀,建議前期采用方案1,剝采結束后,對邊坡穩定狀況開展進一步論證,再采用方案2繼續剝采。