陳再明，羅 霄,2,3，白潤才

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013）

0 引言

紅黏土是碳酸鹽巖系出露的巖石經(jīng)過復(fù)雜的物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、紅土化地質(zhì)作用而形成的棕紅、褐黃等色的高塑性黏土.作為一類對氣候條件變化極為敏感的土，具有天然含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、液塑限大、孔隙比高、密度低、上硬下軟、干縮開裂、遇水弱膨脹等特殊的物理性質(zhì)[1-3].隨著紅黏土影響區(qū)域在工程建設(shè)活動中的日益增加，引發(fā)邊坡、基坑和地基的失穩(wěn)問題逐漸凸顯.工程實踐證明，紅黏土邊坡的穩(wěn)定性極差，長期暴露在自然環(huán)境下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和礦山生產(chǎn)安全[4].鑒于此，本文依托山西平朔東露天礦北幫紅黏土邊坡穩(wěn)定控制工程實踐，在工程地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上評價和預(yù)測紅黏土對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出有針對性邊坡穩(wěn)定控制措施并進(jìn)行對比和優(yōu)化分析，研究成果對提升礦山經(jīng)濟(jì)效益、保證安全高效生產(chǎn)具有實際意義.

1 研究區(qū)域工程地質(zhì)概況

平朔東露天礦位于山西省朔州市，礦區(qū)范圍東西長4.42～5.47 km，南北寬6.53～10.3 km，總面積約48.73 km2，地質(zhì)儲量1 848.92 Mt，設(shè)計生產(chǎn)能力為 20.0 Mt/a，剝離采用“單斗-卡車”開采工藝，采煤采用“單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)”半連續(xù)開采工藝.勘查結(jié)果表明，東露天礦北幫中部標(biāo)高1 300～1 400 m位置為紅黏土集中賦存區(qū)域.紅黏土具有吸水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度受水體影響明顯的特點(diǎn)[5].勘查結(jié)果表明，該區(qū)域紅黏土與巖層的接觸面整體呈“下凹形”，最低點(diǎn)處紅黏土厚度為105～120 m，巖土分界面與邊坡面順傾，傾角為5°～6°.紅黏土天然含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.1%～42.4%，天然密度為 1.49～2.41 g/cm3，內(nèi)摩擦角為 9.9°～28.9°，一般呈紅色、棕紅色，垂直節(jié)理發(fā)育，可見顆粒狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面可見黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部含鈣質(zhì)結(jié)核.巖土接觸面的產(chǎn)狀、空間展布情況、巖性構(gòu)成特征、物理力學(xué)性質(zhì)等因素決定了該區(qū)域邊坡的整體穩(wěn)定性較差，邊坡屢次發(fā)生局部崩塌破壞.隨著下部煤系地層臺階陸續(xù)靠幫，北幫邊坡整體高度和暴露時間逐漸增大，在降雨入滲、爆破振動等因素的共同作用下，上部坡體是否會沿順層巖土接觸面發(fā)生大范圍蠕滑失穩(wěn)直接影響東露天礦的安全高效可持續(xù)發(fā)展.

選取北幫紅黏土影響區(qū)域邊坡典型剖面DLT-BB-1904，基于已有工程地質(zhì)調(diào)查測繪與無人機(jī)航測成果，采用3Dmine礦業(yè)工程軟件建立邊坡典型工程地質(zhì)模型見圖1.模型長度為540 m，高度為140 m，上部紅黏土臺階總數(shù)為5級，高度約為70 m，巖土分界面順傾角度為6°.邊坡下部地層主要由粉砂巖、中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，巖體結(jié)構(gòu)比較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體邊坡角為31°.

圖1 東露天礦北幫紅黏土影響區(qū)域典型工程地質(zhì)模型Fig.1 typical engineering geological model of area affected by red clay in north side of the east open-pit Mine

2 邊坡變形破壞模式與穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡變形破壞模式的數(shù)值模擬

應(yīng)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件，構(gòu)建東露天礦北幫中部紅黏土順層邊坡典型剖面數(shù)值分析模型，通過模擬計算并分析邊坡水平位移場、豎直位移場和切應(yīng)變增量等值陰影圖，確定邊坡潛在滑動部位、滑面形狀和破壞模式，并在此基礎(chǔ)上合理評價邊坡穩(wěn)定性.

（1）分析模型構(gòu)建

基于本次工程地質(zhì)勘查成果，結(jié)合研究區(qū)域地層結(jié)構(gòu)與地貌特征，考慮紅黏土層、巖層順傾等因素邊坡穩(wěn)定的影響，選取工程地質(zhì)典型DLT-BB-1904構(gòu)建數(shù)值分析模型，研究極限狀態(tài)條件下北幫邊坡破壞模式，模型沿邊坡傾向長度為540 m.所建模型見圖2.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，模型的底部邊界以Z方向位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)的受力平衡.計算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述[6-7].

圖2 DLT-BB-1904數(shù)值分析模型Fig.2 DLT-BB-1904 numerical analysis model

（2）計算參數(shù)選取

通過對以往東露天礦及周邊礦山已有巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果進(jìn)行收集、整理、歸納和分析，同時結(jié)合邊坡實際片幫、崩塌情況開展巖土體力學(xué)參數(shù)的反演分析，最終獲得本次研究所需的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 parameters of mechanical properties of rock and soil

（3）計算結(jié)果分析

研究剖面邊坡剪應(yīng)變增量見圖3.增量較大的位置主要集中在紅黏土臺階坡腳位置，由于邊坡順傾角度有限，巖土接觸面內(nèi)部剪應(yīng)變增量不明顯，最大值約為0.137.研究剖面邊坡水平位移與豎直位移見圖4和圖5.由圖4可知，端幫上部紅黏土邊坡易發(fā)生兩級臺階為一組朝向臨空面的滑動，尤以最上部兩級臺階的組合滑動最為明顯，最大值約為2 m.由圖5可知，各紅黏土臺階坡頂巖土體均存在明顯的向下移動，尤以最上部的黃土臺階最為明顯，最大值約為1.18 m，而坡腳位置存在明顯隆起，最大值約為0.79 m.綜合分析表明，東露天礦北幫紅黏土順層邊坡變形破壞模式為紅黏土臺階內(nèi)部的圓弧滑動.

圖3 DLT-BB-1904剖面邊坡剪應(yīng)變增量Fig.3 slope shear strain increment of section DLT-BB-1904

圖4 DLT-BB-1904剖面邊坡水平位移Fig.4 DLT-BB-1904 section slope horizontal displacement

圖5 DLT-BB-1904剖面邊坡豎直位移Fig.5 vertical displacement of the slope of DLT-BB-1904 section

2.2 基于GEO-SLOPE的邊坡穩(wěn)定性分析

基于北幫典型工程地質(zhì)模型，在邊坡變形破壞模式分析的基礎(chǔ)上，采用 Geo-studio極限平衡分析軟件進(jìn)行建模.分析采用廣義極限平衡法[8]，計算過程中綜合考慮以下因素：① 選取最危險滑面位置（滑動面位置是計算程序自動搜索得到的最危險滑面位置）的安全系數(shù)作為計算結(jié)果；② 綜合考慮軟弱夾層、降雨和裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響.廣義極限平衡法考慮了其他各種方法涉及的關(guān)鍵因素，基于兩個平衡方程得出的安全系數(shù).一個安全系數(shù)由力矩平衡給出，另一個由水平方向力平衡給出，并且允許條帶間法向力和切向力的變化.

廣義極限平衡法通過力矩平衡計算得到的安全系數(shù)為

通過水平力平衡得出的安全系數(shù)為

式中，c′為有效凝聚力，kPa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，°；U為孔隙水壓力，kPa；N為條帶底部法向力，N；W為條帶重量，kN；D為線載荷，kN/m；α為條帶底部傾角，°.

采用極限平衡分析方法對紅黏土區(qū)域影響條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，安全儲備系數(shù)是評價邊坡穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性與安全性《.煤炭工業(yè)露天煤礦設(shè)計規(guī)范》6.0.8條明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍[9].結(jié)合東露天礦非工作幫服務(wù)年限一般小于10 a的具體情況，選取安全儲備系數(shù)Fs為1.2，即當(dāng)Fs小于1.2時，被認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性不滿足要求.

計算結(jié)果見圖6.由圖6可知，邊坡上部紅黏土臺階局部穩(wěn)定系數(shù)Fs為 1.157，穩(wěn)定性不滿足要求，分析原因主要如下：① 受雨季降水影響，紅黏土吸水基本達(dá)到飽和，孔隙水壓力消散速率較慢，土體抗剪強(qiáng)度顯著降低，又由于局部紅黏土單臺階高度和坡面角過大，最終導(dǎo)致蠕滑變形甚至失穩(wěn)；② 降雨逐漸由地表入滲至土巖接觸面，導(dǎo)致土巖接觸面抗剪強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)接觸面巖土體抗剪強(qiáng)度不能抵抗上部土體提供的下滑力時，紅黏土臺階整體沿土巖接觸面發(fā)生順層滑動.由于北幫邊坡下部作業(yè)設(shè)備和人員集中，倘若紅黏土臺階發(fā)生失穩(wěn)，后果不堪設(shè)想.

圖6 北幫邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.6 results of stability analysis of northern slope

3 邊坡穩(wěn)定治理方案及對比分析

根據(jù)露天礦邊坡服務(wù)年限的長短，將邊坡分為臨時性邊坡與永久性邊坡，不同性質(zhì)的邊坡防治技術(shù)也不相同.常見的防治措施有內(nèi)排措施、削坡和壓腳、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨桿擋墻、抗滑樁等方式.國內(nèi)許多學(xué)者采用工程實踐和模擬研究相結(jié)合的方法對以上控制措施進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，坡腳反壓與削坡減重可以主動有效地防治邊坡失穩(wěn)變形，研究成果在許多露天礦成功運(yùn)用[10-13].例如，平朔礦區(qū)安家?guī)X露天礦運(yùn)用坡腳反壓與削坡減重相結(jié)合的方法成功解決了 2002年北幫受井工開采影響引起1 280 m和1 310 m平盤沿弱面發(fā)生大范圍的技術(shù)難題，在保證安全的前提下，實現(xiàn)了煤炭資源的高效生產(chǎn)[12].基于現(xiàn)場實際情況，綜合考慮北幫含紅黏土邊坡的穩(wěn)定性較差，提出采用削方減載、反壓坡腳兩種治理方案.

3.1 坡腳反壓

坡腳反壓是在滑坡前緣抗滑段及其以外回填土石增加抗滑力的工程措施.回填壓腳的作用原理，就是增加抗滑力而穩(wěn)定滑坡，實際上也是一種支擋工程.根據(jù)紅黏土邊坡可能沿土巖接觸面發(fā)生坐落式“圓弧-順層”組合滑動的特征，充分利用露天礦得天獨(dú)厚的內(nèi)排優(yōu)勢，實現(xiàn)內(nèi)排快速跟進(jìn)、及時反壓.優(yōu)化分析結(jié)果表明，能夠確保紅黏土邊坡穩(wěn)定的反壓標(biāo)高至少應(yīng)為1 390 m，此時典型剖面紅黏土邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs由最初的 1.157提高至1.215，滿足安全儲備系數(shù)的要求.具體坡腳反壓方案的分析模型及效果見圖7.

圖7 坡腳反壓措施對東露天礦北幫邊坡穩(wěn)定的控制作用分析模型Fig.7 analysis model of control effect of slope foot back pressure measures on slope stability of north side of the East Open-pit Mine

3.2 削方減載

削方減載是在滑坡體的上部主滑段和牽引段挖去部分滑體，減小滑動力的工程措施.采用極限平衡分析方法對最小削坡范圍進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明：最小削坡范圍是將1 425 m平盤向后削坡48 m，同時將1 400 m平盤向后方削坡27 m，1 425 m平盤沿邊坡走向削坡長度為300 m，1 400 m平盤沿邊坡走向削坡長度為200 m，削方工程總量為44萬m3，經(jīng)過削坡減載處理過后紅黏土邊坡局部安全系數(shù)由原來的1.157提高到1.223，滿足安全儲備系數(shù)Fs大于1.2的要求，具體削方減載方案的分析模型及效果見圖8.

圖8 削方減載措施對東露天礦北幫邊坡穩(wěn)定的控制作用分析模型Fig.8 analysis model of control effect of cutting square and load reduction measures on slope stability of the north side of East Open-pit Mine

3.3 方案比選

坡腳反壓和削方減載兩種方案均能將安全系數(shù)提高到安全范圍內(nèi)，均能滿足《煤炭安全規(guī)程》、《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化考核定級辦法試行）》和《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化基本要求及評分辦法（試行）》中的相關(guān)規(guī)定，削方減載需要剝離的工程量約44萬m3，支出費(fèi)用約1 000萬元，成本花費(fèi)較高，同時在1 400～1 425 m平盤安置設(shè)備困難，實際可操作性不強(qiáng).相比而言，在具備條件的情況下，坡腳反壓方案僅需要很少的工程量，而且在保證邊坡穩(wěn)定的同時，縮短了排土運(yùn)距，在一定程度上節(jié)約了生產(chǎn)成本，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、現(xiàn)場生產(chǎn)實際和工程組織等因素，最終推薦采用坡腳反壓措施.

4 結(jié)論

（1）由于紅黏土具有天然含水率高、液塑限大、遇水易軟化的特點(diǎn)，在巖層面與邊坡面順傾的情況下，紅黏土將會對露天礦邊坡的穩(wěn)定性造成很大威脅，不利于礦山的安全生產(chǎn).

（2）采用FLAC3D數(shù)值分方法對東露天礦北幫紅黏土邊坡變形破壞模式進(jìn)行了模擬研究，通過對比分析邊坡水平位移場、豎直位移場和剪應(yīng)變增量等值陰影圖，認(rèn)為紅黏土影響條件下端幫邊坡的變形破壞模式為紅黏土臺階內(nèi)部的圓弧滑動.

（3）采用極限平衡分析法對賦存紅黏土的北幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算.結(jié)果表明，1 360～1 440 m臺階的安全系數(shù)為1.157，不滿足安全儲備系數(shù)的要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出坡腳反壓和削方減載兩種較為合理可行的方案，兩種方案均能使邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)提高到安全范圍內(nèi)，綜合經(jīng)濟(jì)合理性、實際水文地質(zhì)條件等因素，經(jīng)過對比分析，推薦使用坡腳反壓治理方案，既可以提高端幫邊坡的穩(wěn)定性又可以增大露天礦排土量，縮短排土運(yùn)距，對露天礦安全生產(chǎn)具有重要實際意義.