侯成恒

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

我国煤矿露天开采最早可追溯到20 世纪初期，露天矿发展前期规模小、生产能力低，进入20 世纪80 年代后，大型露天煤矿建设步伐加快，目前已占据煤矿产能的18%左右。大型化露天煤矿发展经历了30 多年历史，矿坑基本由前期的浅部开采逐步向深部开采过渡，矿山安全问题尤为突出，尤其边坡高位失稳破坏问题成为制约露天矿安全生产的主要关键问题之一。20 世纪60 年代，谷德振、孙玉科教授首次提出了“岩体结构”概念，将复杂的岩体抽象为科学的结构类型分类依据，包含了岩体结构控制岩体稳定性的重要观点；20 世纪80 年代，加拿大C O Brawner 教授等首次提出边坡破坏模式，即圆弧滑动、块状破坏、整体与非连续节理破坏、平面破坏、锲形破坏和倾倒式破坏等；20 世纪90 年代，张倬元等根据边坡岩土体结构与其变形破坏的力学机制之间联系实际观察和力学分析，最先把边坡变形破坏归纳为为以下6 种模式：蠕滑-拉裂模式、滑移-拉裂模式、滑移-压致拉裂模式、滑移-弯曲模式、弯曲-拉裂模式、塑流-拉裂模式等[1]；21 世纪初，曹兰柱、白润才等引入基于岩体结构控制理论、极限平衡理论思想，研究软岩边坡潜在滑坡模式[2-3]。

以往专家、学者或工程技术人员，对露天矿边坡问题做了大量研究工作，提出了不同的观点与意见，从边坡岩体类型、滑坡模式、岩层产状、地质条件、地质构造及外部影响条件等不同角度，对边坡滑坡类型进行详细划分与深入研究，形成了大量研究成果和治理对策，对露天矿生产过程中边坡稳定问题具有指导性意义。

根据以往滑坡数据统计分析可知，大多数露天矿出现边坡滑坡主要集中在排土场、采场顺倾区，由于逆倾边坡出现滑坡概率相对较低，逆倾边坡方面失稳模式与控制措施研究相对较少，尤其是受弱层影响下逆倾边坡高位滑坡方面研究成果较少[4-5]。为此，以抚顺西露天矿北帮高位边坡滑坡为工程背景，针对高位滑坡危害强、治理难度大、影响范围广等难题，采用深部位移监测方法、滑动反分析手段，确定滑坡体弱层赋存位置、产状及抗剪强度参数；利用数值模拟方法，揭示了弱层影响下逆倾边坡高位失稳模式；在以上研究成果基础上确定了边坡安全控制措施，采用极限平衡法分析不同控制措施边坡稳定程度，在治理施工期间及治理完成后一定周期内，依据基础监测数据，对控制效果进行评估，评估结果显示滑坡区边坡控制效果显著，可满足矿山安全生产需求，为同类型边坡失稳模式与控制研究奠定基础。

1 工程地质概况

抚顺西露天矿走向为东西方向、倾向由南向北倾。通过以往工程地质资料及现场岩层揭露情况，北帮岩土体主要分3 个工程地质空间组合单元：①第四系松散层：上部为人工堆积土与亚黏土、下部为砂与砂砾，厚度不均；②绿色泥岩与褐色页岩互层：层厚比约为3∶1，其中褐色页岩中含泥化夹层（厚度不超过0.2 m）；③硬岩岩组：由油页岩和煤层组成，厚度变化为35～210 m。北帮岩层倾向为北倾、构成边坡岩体倾角不小于20°，北帮边坡整体表现为逆倾状态。随着露天矿不断降深，短时间内无法完全内排至北帮上部边坡，致使边坡暴露时间增加，边坡稳定性有所降低；构成边坡岩体赋存弱层，弱层在水的长期浸润作用下力学强度急剧降低，致使边坡稳定性降低直至发生失稳破坏。

在大气降雨作用下，于2016 年6 月北帮边坡前缘出现剪出错动、后缘出现张拉裂缝；2016 年7 月底边坡发生失稳破坏，破坏区东西走向长度约600 m、南北宽度约400 m、高差约100 m、破坏区地表影响面积约150 000 m2，滑坡发生后导致主要部分运输干线中断。综合基础资料分析、判断，引起边坡失稳破坏主要原因为：边坡体内存在弱层（泥化夹层），在强降雨作用条件下，边坡体内含水量急剧增加，岩体处于饱水状态，浸润作用下弱层抗剪强度降低。为进一步查清滑坡体内弱层赋存位置及产状，在工程地质勘查钻孔内安装测斜管，进行深部位移监测，通过监测数据分析同一剖面测斜管错断部位及连续地下水水位标高，判定弱层赋存位置距离滑后地表45 m、倾角为12°、地下水稳定水位标高为-18～-5 m水平。结合破坏区工程地质资料，选取典型E1000剖面建立工程地质模型，E1000 剖面工程地质模型如图1。

图1 E1000 剖面工程地质模型Fig.1 E1000 section engineering geological model

2 岩土物理力学参数

滑坡区岩土物理力学参数，尤其是滑带土/岩（潜在弱层）抗剪强度参数，是边坡失稳破坏模式及稳定性分析的基础，同时决定了治理措施的选取及治理工程量的规模。本次数值模拟与稳定性分析参数的选取主要通过以下2 种方式获得：①搜集、整理以往历次研究成果资料，分析得出适用于本研究力学参数；②采用滑动反分析方法，通过滑坡前后弱层指标反分析及强度折减程度分析，得到弱层强度指标。采用以上2 种方式，相互对比与验证，以避免岩土体力学实验结果的片面性和局限性[6]。

边坡滑坡相当于现场大型原位剪切试验，通过该方法得到的数据更贴合现场实际，滑动反分析基本原理为：边坡滑坡前为极限平衡状态，滑坡后达到新的极限平衡状态，定义滑坡前、滑坡后边坡稳定系数为1.0，分别计算弱层滑坡前、后弱层黏聚力C 及内摩擦角φ，对不同参数拟合分析，最终得出弱层强度指标。具体反分析方案为：①弱层为泥化夹层，反分析时对黏聚力强度指标进行折减（5%～50%），确定其强度范围；②内摩擦角对边坡稳定敏感性较大，反分析过程中，依据折减结果以一定的等差数列确定内摩擦角反分析范围，边坡稳定系数为1.0 条件下，分别对反分析剖面内聚力反算；③依据反分析结果，对黏聚力C 与内摩擦角正切值tanφ 进行拟合分析，拟合曲线相交点为演化弱层强度指标。

选取E1000 与E900 2 个剖面，采用极限平衡法对滑坡前与滑坡后弱层强度进行反算、拟合，滑坡前弱层抗剪强度拟合结果如图2，滑坡后弱层抗剪强度拟合结果如图3。对比弱层抗剪强度指标反分析结果，滑坡后其数值衰减较大，内摩擦角折减至滑前74%，黏聚力折减至滑前6%。综合分析，边坡岩土体物理力学参数推荐值见表1。

表1 岩土体物理力学参数推荐值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

图2 滑坡前弱层抗剪强度拟合结果Fig.2 Fitting results of shear strength of weak layer in front of landslide

图3 滑坡后弱层抗剪强度拟合结果Fig.3 Fitting results of shear strength of weak layer after landslide

3 边坡失稳破坏模式

3.1 数值模拟模型

为确定露天矿逆倾边坡潜在弱层赋存条件下，发生高位滑坡失稳破坏模式，基于抚顺西露天矿北帮失稳破坏前边坡形态轮廓，根据E1000 剖面工程地质简化模型，采用ANSYS 建立数值分析模型，利用FLAC3D进行后期计算分析，能有效克服FLAC3D前期处理不足。整个模型长度700 m、高度320 m，模型计算选取坐标系为：边坡临空面方向为x 负方向，向上为z 正方向。模型的左边界、右边界和底部边界分别以水平x 方向和垂直z 方向的位移约束，从而构成位移边界条件；介质弹塑性状态采用理想弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡。通过分析边坡水平位移云图、总位移云图、剪应变增量图及位移矢量图，揭示弱层影响条件下高位边坡失稳破坏模式[7-8]。

3.2 数值模拟成果

水平位移云图如图4，总位移云图如图5，位移矢量如图6，剪应变增量如图7。

图7 剪应变增量图Fig.7 Shear strain increment diagram

由图4、图5 可知：北帮边坡变形区集中在地表至-30 m 水平，且前缘（-30 m 水平）出现明显滑动特征，上部第四系主要表现为沉降变形，总体位移指向矿坑方向，大位移变化均发生在弱层上部区域岩层内。

图5 总位移云图Fig.5 Total displacement diagram

由图6 可知：弱层上部岩体位移明显大于下部岩体，总体位移矢量与弱层产状基本一致，北部岩体沉降变形大，前缘-30 m 水平出现明显滑动变形。

图6 位移矢量图Fig.6 Displacement vector diagram

由图7 可知：上部剪入口沿地表第四系，前缘剪出口为-30 m 水平，滑动面沿弱层赋存层位发生完全贯通，表明整个滑体已基本形成，边坡失稳变形已成为必然，仅体现在时间周期上。

根据上述数值模拟结果分析，北帮边坡发生失稳破坏范围为地标至-30 m 水平，前缘所在位置与坑底关系判断，失稳破坏类型属于高位滑坡；受外界影响前缘出现剪出，后缘形成张拉裂缝，最终失稳破坏模式为：沿弱层“坐落-滑移式”变形破坏。

4 边坡稳定控制措施及控制效果

4.1 边坡稳定控制措施

目前露天矿大规模滑坡治理措施主要为：削坡减载、回填压脚、疏干排水、工程加固（抗滑桩、锚索）、岩性改良。滑坡发生后达到新的平衡，滑坡体上部区域具有削坡减载条件，从力学角度分析，采用下滑段减载可提高边坡稳定性；由于北帮边坡滑坡属于高位滑坡，下部区域还未完全到界，短期内无法实现回填压脚；北帮边坡滑坡主要外部条件为持续强降雨，滑坡发生后边坡体内基本为饱水状态，水对边坡体形成一定的压力和岩土体性质弱化双重机制，疏干排水成本行对较低，可考虑采用该措施。工程加固措施治理费相对较高，滑坡体面积较大，全区采取该措施性价比相对太低，可考虑局部加固；由地下岩移监测可知弱层赋存深度不等，但总体深度较大，采用弱层力学性质改良，精准施工难度大，工程造价高，相对其它措施经济合理性低[9]。

综合以上措施分析，从技术可行性、经济合理性分析、论证，北帮边坡高位滑坡主要控制措施：清方减载、疏干排水。控制措施设计图如图8。

图8 控制措施设计图Fig.8 Design drawing of control measures

1）削坡减载控制措施。后缘局部区域形态不规整需进行台阶式处理，前缘堆积物高度较大需采取降段式处理，在上述工作基础上开展主滑体削坡减载，将主滑体标高降至+2 m 水平，形成南北向为3°正向坡度，有利于上部地表水流向南侧矿坑排水沟，避免滑体内水的积聚。

2）疏干排水措施。疏干排水采用大孔径疏干井，滑体达到稳定状态前为有效避免疏干井受损，从而保证疏干效果，疏干井设计深度必须小于滑面实际深度，滑体属于相对松散物料导水性较好，为达到较好的疏干效果（水位标高越低，疏干效果越好），预想疏干水平为-25、-29、-33、-37 m。

4.2 控制效果

4.2.1 边坡稳定性定量分析

运用极限平衡法对治理后边坡稳定性计算，计算结果中稳定系数Fs作为边坡稳定性定量分析参数，确定滑坡区治理后边坡安全储备系数为1.30，计算结果小于1.30 时表示安全储备系数不足，治理效果不理想[10]。通过对削坡减载、疏干排水2 种措施稳定性计算可知：削坡减载后边坡稳定系数为1.104，安全储备系数不足。在削坡减载设计基础上，对不同预想疏干水平边坡稳定性定量计算，最终确定削坡减载为+2 m 水平、疏干水位标高为-33 m 水平，边坡稳定系数为1.316，削坡减载设计方案不同疏干水平边坡E1000 剖面稳定性计算结果如图9。

图9 削坡减载设计不同疏干水平边坡稳定Fig.9 Slope cutting and load reduction design of slope stability with different drainage levels

4.2.2 控制效果评估

为实时掌握滑坡区控制措施实施过程中及实施后边坡稳定状况，同时作为边坡稳定控制效果评估依据，在滑体内新增3 个测量机器人（2016 年9月），定期进行数据采集区分析。工程于2016 年11月开始施工，2017 年6 月基本完成。边坡累计水平位移图如图10，边坡累计下沉位移图如图11。

图10 累计水平位移图Fig.10 Cumulative horizontal displacement diagram

图11 累计下沉位移图Fig.11 Cumulative subsidence displacement diagram

依据数据分析可知：滑坡发生后滑体仍发生蠕动变形，随着工程施工陆续完成，至2017 年7 月中旬开始趋于稳定，其后变形基本为0；滑体内边坡变形基本呈现由南向北逐步递减的趋势。滑坡体控制工程施工完成后逐步趋于稳定，边坡稳定性定量分析后稳定系数大于1.30，同时结合监测数据分析，滑坡体治理后具有显著成效。

5 结 语

针对抚顺西露天矿北帮弱层影响下逆倾边坡高位失稳破坏，采用深部监测手段，确定弱层赋存位置距离滑后地表45 m、倾角为12°，地下水稳定水位标高为-18～-5 m 水平；采用滑动反分析手段，确定弱层内摩擦角折减至滑前的74%，黏聚力折减至滑前的6%。运用数值模拟手段，确定了弱层影响条件下逆倾边坡高位失稳破坏模式为：沿弱层的“坐落-滑移式”变形破坏。通过对削坡减载、削坡减载下不同疏干排水水平控制措施边坡稳定定量分析，确定了削坡减载（+2 m 水平）与疏干排水（-33 m 水平）相结合的控制措施，边坡稳定系数为1.316，满足安全储备要求。监测数据分析结果表明：滑坡后及控制工程施工完成前，边坡仍处于蠕动变形阶段，边坡变形基本呈现由南向北逐步递减的趋势；施工后开始趋于稳定，滑坡区边坡控制效果显著，为安全生产提供必要条件。