布沼壩露天礦西幫軟巖邊坡變形機理研究

劉定帥，付 易，孫志輝，張傳偉

（1.云南小龍潭礦務局有限責任公司，云南 開遠 661699；2.昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650011）

露天礦邊坡伴隨著開采作業而存在，邊坡既服務于采礦作業，同時又受到采礦工藝的制約。隨著開采的進行，采場不斷擴幫延深及排土場升段，邊坡暴露的范圍、持續時間也在不斷增加[1]，邊坡失穩幾率及邊坡維護費用會相應增加。人工擾動是導致邊坡滑坡的主要外在因素，而邊坡體結構是導致邊坡滑坡的主要內在因素[2]。其中以松散結構及軟弱巖類層狀結構邊坡最易發生邊坡失穩[3]，導致露天礦邊坡的滑動、崩塌，給礦山人員安全、國家礦產資源和企業經濟效益造成嚴重危害和損失，邊坡穩定性與露天礦安全生產和生產效率密切相關，而且邊坡失穩也對礦區自然形態和地質環境影響重大[4]。因此，充分研究并掌握軟巖邊坡變形機理及過程并采取行之有效的治理措施，對確保安全生產及地質環境保護至關重要[5]。

1 工程概況

布沼壩露天礦西幫局部臺階滑塌發生于采場西幫南段，高程1 160～1 090 m，東西長約180 m，南北寬約140 m，初始變形區范圍2.5 萬m2，變形區后緣位于西幫1 164 m 水平民用道路內側。

1.1 工程地質特征

1）滑塌區邊坡分布有大量的第四系表土、新第三系薄煤段至東升橋黏土巖段（N1－2X1－2）軟弱巖組，其巖體特性不利于邊坡穩定。

2）第四系表土、新第三系薄煤段、新第三系東升橋黏土巖，邊坡巖土體水理性差，具明顯的軟化和膨縮性?；鷧^邊坡在水長期浸潤軟化下，第四系表土層、新第三系薄煤段、新第三系東升橋段黏土巖將處于飽和狀態，轉變為邊坡弱層，形成滑坡。

3）滑塌區邊坡為一套新第三系沉積地層順層邊坡，地層傾角與現狀邊坡角基本一致，邊坡穩定性相對較差。構成布沼壩露天礦西幫邊坡不穩定的軟弱結構面有：第四系表土與新第三系薄煤段－東升橋段黏土巖（N1－2X1－2）的接觸面，新第三系薄煤段與東升橋段黏土巖接觸面，東升橋段黏土巖與基底三疊系中統個舊組白云質灰巖夾薄層泥質砂巖接觸面。根據礦山多年生產經驗，礦山以往發生的滑坡多位于上述結構面中。

4）滑塌區位于原古河道（沖溝）下游方向，古河道位置分布有沙土、礫石層，構成良好的透水層和流水通道，隨著礦山開采古河道地表流水雖已截流，但仍有部分水沿古河道下滲后從邊坡滲出，滲出的地下水造成邊坡巖體軟化，誘發邊坡滑坡。

5）滑塌區原始邊坡地形坡度約2°，隨著礦山開采，滑塌區地形地貌已發生巨大改變，目前滑塌區已形成200 m（1 167～967 m 水平）的高邊坡，邊坡整體坡度12°～15°，因人工邊坡形成的時間相對較短，邊坡開挖后應力重新分布亦將引起邊坡變化。

1.2 變形體形態特征

根據監測數據顯示，變形體移動方位為正東，滑塌前變形區后緣1 160～1 164 m 水平裂縫形成于2021 年7 月2 日—5 日，裂縫呈多組（2～3 組）相互平行、間斷相連。后緣裂縫呈南北向弧形分布，張性裂縫，分布范圍長達75 m，裂縫寬5～20 cm。后緣裂縫走向基本與變形體位移方向垂直。變形體前緣地表裂縫首次發現于2021 年7 月5 日，裂縫呈南北向分布，鼓張性裂縫，裂縫長約33 m。變形體兩翼裂縫顯示出明顯的羽狀剪切裂縫特征，變形范圍較為清晰。2021 年7 月14 日，變形區邊坡發生了滑塌，在礦務局重大風險管控到位，應急處置決策科學、措施得當的情況下，礦山實現成功避險，有效避免了人員傷亡和重大財產損失?；l生后，該區形成1 個東西長570 m，寬145 m，后緣滑塌陡坎約20 m，前緣滑舌高10 m，滑塌周界面積9.44 萬m2的滑動帶。

2 邊坡穩定性

2.1 計算方法和數值模型

此次西幫局部滑塌的主要原因是降雨導致的西幫部分巖土體抗剪強度參數劣化，采用剛體極限平衡法對西幫滑塌區域邊坡進行穩定性求解將使計算結果脫離實際。此外滑體兩側為巖體力學參數較高的灰巖，滑體與兩側灰巖形成軟弱接觸面，二維極限平衡法分析已不能準確反映滑塌區域的穩定性情況。在這種情況下采用能還原巖體力學參數隨降雨弱化過程的強度折減法對滑塌區域進行穩定性分析更為合理[6]。因此，本次分析利用FLAC3D軟件采用強度折減法進行。

發生局部臺階滑塌后，小龍潭礦務局公司根據《煤礦安全規程》要求，立即對滑塌區域開展應急地質補充勘察工作，進一步查明地層分布特征并獲取了詳細的巖土體力學參數，同時結合以往勘察資料，確定各邊坡穩定性分析所需各項力學指標，確保了邊坡分析的準確性，也為后續綜合治理打下基礎。

根據西幫邊坡的形態和結構特征，利用FLAC3D分析軟件建立模型。此次數值模擬旨在分析降雨及地下水導致的西幫巖土體抗剪強度劣化所引發的局部臺階滑塌。采用有限差分分析程序對西幫邊坡進行了數值模擬分析。模型四周邊界約束法向速度，底部約束x、y、z 方向速度，其它邊界為自由邊界。

2.2 邊坡穩定性分析結果

1）位移。位移云圖如圖1。通過FLAC3D分析軟件位移云圖分析表明，滑塌前變形區域巖土體最大水平位移集中于坡頂臨空面附近的第四系黏土層、鈣華、黏土、粉土、人工填土及炭質黏土巖處。坡體1 164～1 135 m 水平易發生較大位移。1 164 m 水平的第四系黏土運動趨勢以坐落為主，1 135 m 水平的黏土、人工填土、粉土的運動趨勢以底鼓為主。

圖1 位移云圖

2）應力場。應力分布圖如圖2。通過應力場分析，邊坡體的應力分布特征為：在邊坡巖體自重的作用下，在坡表層一定深度范圍內，應力分布基本平行于斜坡面，且從邊坡上部向坡腳拉應力逐漸減小，壓應力逐漸增大，坡腳處壓應力最大。從坡表層向深部，這一變化特點逐漸減弱，當達到一定深度之后，將恢復初始地應力狀態。另外，F4和F7斷層破碎帶的存在阻礙了坡體水平方向的應力傳遞，使破碎帶周圍的巖土體形成明顯的應力梯度，有利于破碎帶附近巖土體的裂紋發育，更易發生破壞。

圖2 應力分布圖

3）潛在滑移面位置分析及破壞模式分析?；瑒用嫖恢眉捌茐哪Ｊ綀D如圖3?；笪鲙途C合治理區潛在滑動面有1 處，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?；蟮幕履Ｊ綖椤巴埔剖健被?。

圖3 滑動面位置及破壞模式圖

2.3 監測預警及處置

邊坡監測預警是發現邊坡初期變形的重要技術手段[7]，有利于露天礦提前采取防治措施，科學的監測預警有利于避免人員傷亡和減少財產損失[8]。在邊坡變形影響因素中，水是影響邊坡穩定的主要因素[9]，因此將此次滑塌前監測數據及降雨量數據進行對比分析，累計位移與降雨量歷時曲線圖如圖4。2021 年6 月初，礦區持續降雨，受降雨影響，336－338 線邊坡監測數據顯示存在蠕動變形，露天礦加強了監測數據跟蹤分析。

2021 年7 月2 日，位移速度超過20 mm/d，當天巡查發現道路側出現地表裂縫。露天礦發布4 級預警，增設了監測點位，開始實施清方減載，對該區域植被進行清理并梳理排水溝，要求進行每日巡查，24 h 專人值守，每日匯報監測數據情況。2022 年7月11 日，位移速度超過60 mm/d，發布三級預警，露天礦領導及相關業務部門到崗、到位，劃定變形區域警戒范圍，切斷供電線路及帶式輸送機，無關人員禁止入內，封堵周邊道路，每12 h 匯報1 次監測數據情況。2022 年7 月12 日，位移速度超過80 mm/d，發布二級預警，應急搶險指揮部、應急行動小組、應急搶險隊員駐礦待命。2022 年7 月14 日，位移速度超過100 mm/d，發布一級預警，人員設備撤離，所有應急人員到達現場安全區域集結，完成疏散及現場秩序維護，準備搶險。晚上20：00 發生滑塌，無人員傷亡，設備損失降到最低，完成邊坡滑坡成功處置。變形速度曲線圖如圖5。

圖5 變形速度曲線圖

2.4 滑塌原因

根據以上分析結果，布沼壩露天礦西幫軟巖邊坡變形滑塌內因是：該區邊坡為順層結構邊坡，邊坡內部軟弱結構面發育，且邊坡巖體松散、軟弱，水理性較差，邊坡巖體具有膨脹和極強的軟化特性，邊坡穩定性較差。誘發因素是：受大氣降水浸潤軟化，土體容重增加，應力重新分布，軟弱結構層抗滑力不足，導致邊坡發生變形、滑塌。

3 結語

以布沼壩露天礦西幫局部臺階滑塌為主要研究對象，通過邊坡體結構、監測數據分析說明了西幫軟巖邊坡滑塌的主要特征及影響因素，同時利用FLAC3D進一步闡釋、論證了露天礦軟巖邊坡變形機理及特征。針對隨生產推進與日俱增的邊坡風險，深入全面的隱蔽致災因素分析及變形機理分析愈發具有重要性。此次露天礦西幫局部臺階滑塌從前期數據、變形特征、工程地質特征收集較為全面，處置較為成功。同時通過深入分析，也充分揭示了軟巖邊坡的變形機理與特征，對后續露天礦邊坡分析與防治工作具有重要的現實意義。