马婧佳，徐勇超，刘 干，滕文伟，王 东

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司，内蒙古 扎鲁特 029200；3.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）

含软弱夹层边坡失稳是露天煤矿常见边坡灾害之一，开展含软弱夹层边坡稳定性验算是确定露天煤矿合理边坡形态、保证煤炭资源安全回采的前提。国内外学者在含软弱夹层边坡稳定性评价及滑移机理方面开展了大量的工作，并取得了丰硕的成果。徐志远等[1]通过结合Closest Point 算法、Kriging 插值算法、三维激光扫描等方法建立了滑坡区域的三维地质模型，模拟了含软弱夹层边坡失稳滑移的过程，并提出了边坡治理预防措施。解廷堃[2]等根据室内三轴压缩结果，建立了含软弱夹层岩体的力学模型，探讨了含软弱夹层边坡的失稳滑移机理。金爱兵等[3]利用极限平衡法和离散元方法对比分析了不同反压高度下含软弱夹层边坡的稳定性，认为通过压脚可以有效的改善边坡的稳定性，可以很好的防治含弱层边坡的滑塌。丁立明等[4]探讨了含软弱夹层边坡的破话机理，分析了其破坏形式，运用ANSYS 软件建立了含弱层边坡模型并进行分析计算，对实际矿山进行了稳定性评价。祖国林[5]等对抚顺西露天煤矿软岩边坡倾倒滑移变形及其对围岩体上构建筑物变形破坏特征及规律进行研究，并根据对研究结果的分析提出了合理的边坡防护措施。芮勇勤对[6-7]阜新海州露天矿边坡的蠕动变形、失稳进行讨论，提出了软弱夹层的一般流变方程，并在此基础上建立了软弱夹层边坡的流变稳定性分析方法。杨天鸿[8]等在弱层流变试验的基础上，依据长期强度的时间效应，对边坡稳定性进行了动态评价，探讨了含弱层边坡失稳预测的方法。王东等[9]利用RFPA2D软件再现了边坡失稳破坏的动态过程，分析得出了顺层边坡的最危险滑动面形成机制。赵耀等[10]运用费歇尔判别分析方法结合测井数据实现了对地层进行软弱层识别，可为边坡稳定性评价提供依据。

1 露天矿工程概况

1.1 露天矿生产概述

扎哈淖尔露天矿位于内蒙古通辽市扎鲁特旗境内，霍林河煤田西南部，隶属于内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司。该矿共有11 个煤层，其中主采层3 层为ⅡB、Ⅲ、Ⅳ煤层，均全区可采；设计产量规模为15 Mt／a，共划分为2 个采区，开采程序为：沿南部煤层露头拉沟降深，工作线沿走向布置，沿倾向推进平行发展。开采工艺为：松散土层剥离采用轮斗-带式输送机连续工艺，上部岩石剥离及采煤均采用单斗-卡车工艺，深部岩石剥离采用单斗-卡车-半固定破碎站-带式输送机-排土机半连续工艺。2016 年扎哈淖尔露天矿产量达到18 Mt/a。

1.2 露天矿工程地质条件

扎哈淖尔露天煤矿属典型软岩露天矿，采场各帮均为软岩边坡，岩土体力学强度较低，边坡自稳能力较差。根据已有资料表明[11-12]，露天矿采场南帮在IVC 煤底板存在泥岩、炭质泥岩弱层，该弱层一旦被揭露至一定长度，极可能发生较大规模滑坡。

露天矿南帮边坡地层自下而上由侏罗系、侏罗系-白垩系、第三系、第四系组成，其中上侏罗-下白垩霍林河群地层控制到扎哈淖尔露天煤矿含煤组地层IV 煤底板，以泥岩、砂岩、煤为主，泥岩所占比重多，砂岩及炭质泥岩较少；第三系由冲积黏土、亚黏土组成，较松散，下部由冲积、洪积沙砾石组成；第四系由洪积砂砾石、泥质亚黏土构成，该层上部为风积砂，分选和磨圆度良好。下部为冲、洪积砂，磨圆度和分选性均较差。风化带为散体和碎裂结构，浅裂隙发育，其包含岩体力学性能较差泥岩结构面，易发生形变位移，应当视为弱层。IV 煤层顶底板岩石多为灰-灰白色泥岩及少量灰-灰黑色炭质泥岩，硬度较低，易风化，塑性较强，其产状与岩层一致，随岩层变化而变化，为层间结构面，可判定IVC 煤层底板赋存软弱夹层。

1.3 露天矿潜在滑坡模式

滑动是露天矿最常见的边坡破坏类型，除此之外露天矿边坡的破坏模式还包括崩落、剥落、倾倒。扎哈淖尔露天矿南帮边坡主要由散体结构的第四系砂土和风化带泥岩、层状结构的泥岩和煤层构成，边坡岩体力学强度普遍较低，岩性组合复杂，边坡稳定性主要受风化带泥岩弱层、IVC 煤层底板弱层及弱层上覆岩土体载荷的控制，易发生以四系与风化带中产生的后缘圆弧裂缝为侧界面、以各弱层为底界面的切层-顺层滑动。值得注意的是，沿IVC 煤层底板弱层产生的滑动将使深部境界某一位置底鼓，形成的鼓胀裂缝将与弱层贯通共同组成滑面。

2 露天矿南帮西侧区段边坡形态优化

2.1 边坡稳定性计算方法

极限平衡方法是最常用的边坡稳定性分析方法，也是被露天矿设计规范认可的边坡稳定性计算方法。常用的极限平衡分析法主要有剩余推力法、简化Bishop 法、Spencer 法、Janbu 法及陆军工程师团法等。扎哈淖尔露天矿南帮滑坡的潜在滑坡模式是由地表裂纹剪断至第四系底板，与各弱层相接，最后按45°-φ/2 剪切角剪出的组合滑动，滑动面形状为圆弧-折线复合型，常规方法难以实现此种类型滑弧的稳定性计算。因此，基于Bishop 法与剩余推力法2种算法的原理，进行计算软件的二次开发，实现了上部圆弧-下部斜切的组合滑动面稳定性计算。

2.2 边坡安全储备系数

扎哈淖尔露天矿南帮原设计边坡角25°，采用纵采方式进行降深，边坡的暴露时间小于10 年，按照GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范中的规定，其安全储备系数宜为1.1～1.2。考虑到煤层露头处的弱层形态捕捉不清，且南帮上部存在破碎运输系统等重要设施，曾出现过张裂缝、地鼓裂缝与大变形等滑坡迹象，综合确定南帮横采条件下的安全储备系数为1.2。

2.3 边坡稳定性参数及剖面位置

扎哈淖尔露天矿边坡稳定性分析计算采用的岩土体物理力学指标及各指标确定方法见表1。

结合扎哈淖尔露天矿南帮边坡的工程实际、变形破坏情况以及工程地质补充勘探结果，在西侧未开挖区域选定了垂直于南帮边坡走向的7 个剖面，分别为B19、B20、B21、B24、A10、11、20。研究过程中绘制了各剖面地层岩性、地质构造剖面图，以B20剖面图为例进行分析讨论。

表1 岩土体力学参数及确定方法

2.4 边坡稳定性验算及形态优化

根据地质剖面图可知，南帮西侧未开挖区域浅部主要由第四系砂土和风化带泥岩构成，风化带至地表约65～80 m，岩体力学性能和稳定性较差，风化带中存在的泥岩结构面对边坡稳定影响较大，露天矿开采以后风化带边坡易发生小范围的滑坡事故，影响车辆通行与人员安全。因此，在南帮边坡形态设计时应当优先给出风化带以上边坡的稳定形态参数。设定不同的风化带以上边坡角度，开展边坡稳定性计算，结果表明，当边坡角为14°时，各剖面风化带以上边坡的稳定性系数均能满足安全储备要求，风化带以上B20 面稳定性计算结果如图2。

图2 风化带以上B20 剖面稳定性计算结果

为避免浅层岩体坍塌给露天矿生产造成影响，在风化带底板标高附近设计留设20 m 宽的清扫平盘。考虑到南帮边坡存在剥离运输环线，按照内排土场排土平盘标高每降深24 m 留设至少30 m 宽的运输平台，对各剖面边坡降深至IV 煤时的稳定性进行了计算分析，计算风化带以下不同角度边坡稳定性，直至边坡稳定性系数满足储备安全系数的要求，风化带以下B20 面稳定性计算结果如图3。根据各剖面稳定性计算结果，优化各剖面边坡形态，西侧未开挖区域风边坡形态设计参数见表2。

图3 风化带以下B20 剖面稳定性计算结果

计算结果表明：由于IV 煤层底板弱层倾角较缓或是弱层上覆岩土体载荷较少的原因，20、A10、B21、B24 剖面均能以30 m 宽的运输平台、24 m 为段高直接降深至IV 煤。对于11 剖面，IV 煤层底板弱层倾角在露头附近基本在13.5°以上，加之弱层上覆岩土体较多，载荷较大，采用横采内排追踪压帮开采方式仍不能使南帮边坡稳定系数达到安全储备要求，只能降深至III 煤。由于地层产状变化的特性，11 剖面附近B19、B20 剖面也有着类似11 剖面的情况，其若要降深至IV 煤，则需损失一定的煤炭资源。

3 结论

1）分析了露天矿工程地质条件和已揭露岩层边坡变形情况，得出露天矿南端帮西侧未开挖区域潜在滑坡模式为由地表裂纹剪断至第四系底板，与各弱层相接，最后按45°－φ/2 剪切角剪出的组合滑动。

表2 西侧未开挖区域风边坡形态设计

2）参照GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范并综合考虑边坡重要性、服务年限以及工程地质条件、力学参数掌握程度，确定采场南帮边坡安全储备系数为1.2。

3）分阶段、分区段对采场南帮西侧未开挖区段现状边坡稳定性进行了分析，并结合以往三维稳定性分析称过优化设计了采场南帮的边坡形态：①风化带以上稳定边坡角为14°；②20、A10、B21、B24 剖面以24 m 高台阶、30 m 运输平盘向下降深至IV煤；③11 剖面无法安全降深到IV 煤，仅可按24 m 高台阶、30 m 运输平盘降深至III 煤；④B19、B20 剖面按24 m 高台阶、30 m 运输平盘降深至III 煤满足安全要求，若想降深到IV 煤，须减缓风化带以下、III煤以上边坡角，即增加IV 煤需要以牺牲III 煤为代价，应进一步进行经济比选。