某露天煤矿边坡失稳破坏模式与稳定性分析

1、某露天煤矿边坡失稳失稳破坏模式与稳定性分析黄明利，管晓明（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）摘 要：针对某露天矿边坡工程，介绍了工作帮和非工作帮边坡工程背景和滑坡现状，结合地形与地貌、工程地质和水文地质条件，分析了影响边坡稳定的主要因素及破坏模式。结果表明：持续的降雨和大规模露天开采是滑坡的外在因素，不利的地貌特征、岩土体的自身性质较差及软弱层构造是其内在因素，滑坡破坏模式表现为顺层滑坡、圆弧滑坡、圆弧-顺层滑坡和崩塌4种形式。运用基于有限单元法的MIDAS GTS软件构建了边坡三维地质模型，采用强度折减法计算了稳定系数，进行了稳定性分析和评价，并采用毕肖普法对几种工程性质较差

2、的土层进行了边坡台阶高度参数的优化分析。结果表明：工作帮坡顶砂土位移较大，上部3个台阶均可能发生局部滑坡，稳定系数为1.4125，表明边坡整体保持稳定；非工作帮坡脚的高岭土层位移较大，滑坡结构面类型为高岭土层，加之地表重物堆载加剧滑动，稳定系数为0.8625，表明边坡已经发生失稳破坏。泥岩1和泥岩2在开挖高度为6米时可基本保持稳定；而砂土和粘性土层建议在低于6米台阶高的情况下进行开挖；粉砂岩1在台阶高为8米时都将保持稳定。关健词：露天矿边坡；影响因素；破坏模式；稳定性分析；台阶参数优化中图分类号：TD 824 文献标识码：A Study Analysis on of instability a

3、nd failure mode and stability of an open-pit mine slope and sensitivity of rock mass parameters HUANG Ming-li，GUAN Xiao-ming(School of Civil Engineering, ，Beijing Jiaotong University,，Beijing 100044,，China)Abstract:For an open pit slope engineering, describes the work to help and work to help non-la

4、ndslide slope engineering background and status, combined with the terrain and topography, engineering geology and hydrogeological conditions, analysis of the main factors affecting slope stability and failure mode. The results show that: Continuous rainfall and large-scale open-pit mining is to sli

5、de the external factors, unfavorable topography features, the nature of rock and soil of their own poor and weak layer structure is the internal factors, landslide damage along the landslide model performance, round landslide arc, arc - bedding landslides and avalanches four kinds of forms. Use base

6、d on the finite element method MIDAS GTS software build three-dimensional geological model of the slope, calculated using a stable strength reduction factor for the stability analysis and evaluation, and the Bishop method of using several engineering properties of soil were less Slope step height pa

7、rameter optimization analysis. The results showed that: work to help offset the larger sand hill, the top three steps are possible local landslides, stability factor of 1.4125, indicating that the overall slope stability; non-working to help the larger slope of the kaolin layer displacement, landsli

8、de surface structure type of kaolin layers, coupled with increased sliding surface heap load weight, stability factor of 0.8625, indicating that the slope unstable failure has occurred. 1 and 2 in the mudstone shale excavation height is 6 meters will be basically stable; the proposed sand and clay l

9、ayers below 6 m in the case of high-level excavation; siltstone in steps 1 to 8 meters high will remain stable.Key words: open-pit mine slope；stability；limit equilibrium method；path search method；parameters sensitivity；slope reinforcement1工程概况某露天煤矿位于内蒙古中东部大兴安岭南段西坡，在西乌珠穆沁旗东北78km处，煤炭年生产量达700万t。露天矿地表境界

10、东西平均长4.99km，南北平均宽4.25km，面积21.19km2。露天煤矿区内地形呈现南高北低、东高西低，海拔标高+10001050m，相对高差50m。主要地貌特征为高原低山缓坡丘陵地形，基岩多被风成黄土覆盖。近年来，随着煤炭产量大幅提高，露天矿采掘场长度和宽度都有较大的发展，矿区内采坑边坡不断增高变陡，最大高度已经达到50m，并且形成了多处排土场边坡，最大高度约为25m。目前，随着露天矿生产的不断进行，露天矿工作帮和排土场边坡均出现不同程度的滑坡现象。本文以工作帮（以下简称BH1）滑坡体和排土场非工作帮（以下简称BH2）滑坡体为例简要说明矿区滑坡状况。BH1滑坡体分布在工作帮第四系地层，

11、滑坡区平面为长条状，剖面近似三角形，滑坡体物质组成为第四系松散堆积物，为砂土质边坡，土体结构零乱。BH1号滑坡总体延展方向近南北向，长约580m，宽约1040m，厚约25m，滑坡体积约14.5万m358万m3，规模较大。滑坡壁直立，后缘形态近似圆弧形，可见大量拉张裂隙，裂隙长200500m左右，宽度0.20.5m，深度0.51m。BH1滑坡体如图1。 图1 BH1滑坡体分布示意图 图2 BH2滑坡体分布示意图BH2滑坡体是内排土场和非工作帮煤层底板，海拔高度为+10001050m，如图2所示。BH2号滑坡总体延展方向近东西向，长约420m，宽约160m，为土质滑坡。2004年12月6日边坡发生

12、变形滑动，滑坡规模较大。BH2号滑坡体物质组成为露天开采的剥离土和第四系松散堆积物，控制滑坡结构面类型为沿煤层底板分布的高岭土层。BH2号滑坡体平面形态为月牙形，纵剖面形态为凹形或台阶形；滑坡壁直立，滑坡体呈台阶状，最大台阶高度约2m，后缘形态近似圆弧形，滑坡体后缘可见大量深而宽的拉张裂隙，如图3。 图3 BH2滑坡体后缘形态图滑坡是露天矿生产与安全的重大隐患之一，露天开采的边坡的稳定直接关系到整个矿山的持续发展1-5。该露天矿自生产以来大小滑坡时有发生，不仅破坏了矿山的正常和安全生产，而且对矿区作业人员的生命构成了严重威胁。因此，探讨影响露天矿边坡稳定的因素和失稳机理，进行露天矿边坡稳定性分

13、析，对边坡台阶参数进行优化分析，进而对后续边坡开采深度增加导致的潜在滑坡危险进行分析，并在生产中有针对性的采取相应措施，避免和减少不必要的滑坡，对露天矿的安全生产和经济建设具有十分重要的意义。2地质条件2.1地层与岩性矿区内地层经钻孔控制，自下而上发育有白垩系下统巴彦花组(K1b)、第三系上新统(N2)、第四系(Q)。白垩系下统巴彦花组(K1b)地层本组广泛分布于白音华煤层盆地内，也是主要含煤地层。巴彦花组(K1b)地层大部分被第三系、第四系覆盖。岩性以深灰色、黑灰色泥岩、粘土岩为主，褐黑色褐煤次之，共含煤3组，自上而下分别为1煤组、2煤组、3煤组。第三系上新统(N2)统地层岩性由灰色泥岩、浅

14、黄色、杏黄色粗、细砂岩、砂砾岩及棕红色泥岩组成，均呈半胶结状态。第四系(Q)区内广泛分布，表层为腐植土，其下为粉砂，西南厚，而东北薄。2.2地质构造矿区处于下白垩统巴彦花组组成的褶皱带内，除发育一个向西南倾伏的不对称向斜外，还发育有几个次一级的小褶曲。在一、二号矿区的边界处勘探查明一条落差1025m的断层，矿区未见岩浆岩。2.3水文地质地下水较丰富，井田西部和西北部第四系地层底板普遍出水，局部形成泉涌水量不大，但是对边坡稳定影响较大，是不可忽视的因素。基岩孔隙承压含水岩组赋存于井田内煤系地层中。泥岩具有一定的隔水性，遇水后具较强的粘、塑性，透水性极差，在矿区内广泛分布。矿区的地下水补给来源主要

15、为大气降水。在盆地内地下水以径流方式由西南向北东排泄于区外，在矿区内，地下水径流方向由东向西补给高力罕河，丰水期河流和基岩裂隙水侧向补给地下水，枯水期井田内地下水沿河谷两侧补给河水。蒸发和人为开采也是地下水排泄的主要方式。2.4软弱结构层软弱结构层（面）强度较低，是控制边坡稳定的主要因素。目前，2号煤层底板高岭土分布较均匀，是连续的软弱层。第三系地层其底板与下覆岩层不整合接触是软弱层，并且赋存连续，已发生多起滑坡。工作帮中的泥岩和砂岩均为软弱层，可能成为边坡稳定的不利因素。泥岩成分以粘土矿物为主，且为泥质胶结，遇水泥化，强度降低；砂岩成岩差、胶结程度低，其力学强度很低，容易发生滑动。3边坡稳定

16、影响因素与破坏模式3.1边坡稳定影响因素1、人造地貌特征露天矿内部排土场滑坡的重要原因是人工堆积排弃物，堆积高度达25m，坡形不合理，松散的排弃物坐落在7度的斜坡上边坡稳定性很差，是造成内排土场滑坡的主要因素。2、岩土体物理力学性质露天煤矿边坡地表主要是第四系、第三系松散地层和浅部的全风化泥岩层。第四系风积砂地层松散自稳能力极差，在采矿过程中极易发生崩塌地质灾害；第三系地层内含节理和滑面，遇水泥化、膨胀，易发生小规模滑坡。3、软弱结构面软弱结构面控制着边坡的整体稳定性，沉积岩在具周期性、韵律性沉积过程中形成的成分不同的含薄夹层常常具有软弱性，而且分布连续影响面大。在露天矿东、西、南帮均有沿软弱

17、面滑坡的地质灾害发生。4、地下水和大气降水地下水和大气降水往往诱导滑坡的发生。地下水长期浸泡岩石，使岩土体产生软化、泥化、强度降低是发生滑坡的诱导因素。大气降水使地下水升高，岩土体含水量增大强度降低，往往造成雨后滑坡。5、采矿工程活动对于松散岩土体，其自稳能力极差，在采矿过程中应该有意降低台阶高度，减小台阶坡面角，以提高台阶的自稳能力，同时采掘时要先用勺斗挑下台阶的中上部，防止台阶突然崩塌造成砸镐事故。3.2边坡破坏模式1、顺层滑坡非工作帮岩体构造是层状，岩体力学强度低，遇水膨胀泥化，边坡体内分布的弱层较多，边坡的变形受弱层控制，可视为各向异性弹塑性体，露天矿边坡稳定性很差，尤其是岩体倾角在5

18、7°，为外倾结构面，在地下水的影响下极易发生平面滑坡。而顺层滑坡可能发生边坡整体滑坡，其危害极大。随着露天矿生产的进行延深及边坡高度的不断加大，发生顺层滑坡的可能性逐步增大，滑坡规模及积滑坡岩量也将逐渐增加，对生产与安全的危害也将逐渐增大。2、圆弧滑坡北帮第四系、第三系混合台阶岩体可视为连续均质松散体，生产现场仍可见圆弧面滑坡。3、圆弧顺层滑坡该种形式的滑坡出现在非工作帮内排土场，排弃物料结构松散，底部为高岭土弱层，在重力的作用下排弃物发生圆弧状坐落下移，底部沿着弱层顺层剪出，地下水加剧滑坡。4、崩塌工作帮边坡泥岩顶板是风积砂，极松散，挖后即滑塌，不能单独形成台阶，在生产过程中曾多次

19、突然滑塌、片帮造成砸镐事故。风积砂底板出水加剧滑坡。在水的作用下风积砂边坡一年以后边坡塌落角在1719°。4工作帮、非工作帮边坡现状稳定性分析露天煤矿边坡工程的稳定性分析分别应用有限元法和极限平衡法。对于开挖现状的工作帮和非工作帮边坡的稳定性分析，由于地貌、地质条件较为复杂，应该考虑边坡几何形状、边界条件等各种因素对边坡稳定产生的影响。有限元法能够对复杂边坡进行变形稳定性分析，揭示边坡的变形破坏机制，预测边坡变形的关键部位，并可以采用强度折减法计算出边坡的稳定系数，在边坡稳定性分析中具有广泛应用6-15。边坡台阶开挖参数优化，采用极限平衡法中的毕肖普法进行计算，做对比分析。以下以BH

20、1和BH2滑坡体为例，利用有限元和强度折减法对工作帮和非工作帮边坡进行稳定性分析，并采用毕肖普法对几种工程性质较差的土层进行边坡台阶高度的参数优化分析。4.1工作帮边坡稳定性分析1、建立模型根据露天煤矿BH1勘察资料，建立三维有限元模型，如图4所示。长×宽×高120m×60m×50.2m，前6级台阶高8m，第7级台阶高2.2m，台阶坡角均为65°。三维有限元模型的边界条件为：临空面自由，底面固定，而各侧面相应的垂直于其面的位移被约束。共划分12250个单元，14120个节点。计算采用摩尔一库仑等面积圆屈服准则。模型所受荷载仅为岩层自重。地层岩性

21、分布自上而下依次为砂土、砂质泥岩、1号泥岩、2号煤、1号粉砂岩、2号泥岩、2号粉砂岩。图4 BH1边坡三维图2、计算参数根据现场勘探资料、室内岩样物理力学性质试验研究，基于 RMR法和BQ法岩体质量分级评判，以及对各帮坡工程地质条件的分析和评价，选取岩土体物理力学计算参数，如表1所示。表1 工作帮现状物理力学参数选取表岩层序号岩性厚度（m）容重（kN/M）内聚力(kPa)内摩擦角弹性模量（GPa）泊松比1砂土31914200.60.42砂质泥岩11.320.525200.90.3531号泥岩22.419.525200.90.3542号煤13.514110301.80.351号粉砂岩19.720

22、.980231.10.3462号泥岩21.221.230221.00.3572号粉砂岩22.222100281.20.333、计算结果及分析采用有限元强度折减法进行计算，计算结果如图7、图8所示。图5 BH1三维位移图图6 BH1三维最大剪应变图主要结论如下： 由图5可知，位移自上而下逐渐减小，边坡中上部发生了较大位移，位移最显著的区域主要集中于砂土和砂质泥岩层，坡顶最大位移达到了0.07m；由图6可知，工作帮上部3个台阶均发生不同程度的滑坡； 计算所得边坡稳定系数为1.4125，说明整体保持稳定； 工作帮上部3个台阶出现失稳的主要原因是第四系松散风积砂自稳能力差，经常在台阶的后缘形成拉张裂缝

23、，当电铲采掘挖断根部时，岩体突然脱离母体翻滚而下形成崩塌，常常发生砸镐事故，对生产的影响较大，必须采取相应的治理措施。4.2非工作帮边坡稳定性分析1、建立模型根据露天煤矿非工作帮BH2边坡勘察资料，建立三维有限元模型，如图7所示。长×宽×高140m×60m×55m。弱层倾角取5.6°，整体坡面角取30°。三维有限元模型共划分13680个单元，15420个节点。模型的其他假定及边界条件和上述帮坡一致。地层岩性分布自上而下依次为物料、砂土、粘土、高岭土、2煤底板。图7 BH2三维模型2、计算参数采用同上的方法，得到BH2物理力学参数如表2

24、。表2 临时排土场物理力学参数选取表岩层序号岩性厚度（m）容重（kN/M）内聚力(kPa)内摩擦角弹性模量（GPa）泊松比1物料251910240.40.362砂土121914200.60.43粘土819.518221.10.384高岭土217.510120.30.452煤底板202230282.40.33、计算结果及分析采用有限元强度折减法进行计算，计算结果如图7、图8所示。 图8 BH2三维位移图 图9 BH2三维最大剪应变图主要结论如下： 由图8可知，位移最显著的区域主要集中于坡脚的高岭土层，坡脚最大位移达到了0.15m；由图9可知，BH2整体呈圆弧折线滑坡。在高岭土弱层以上出现圆弧滑坡

25、，与高岭土相交后，沿高岭土弱层直线滑坡； 计算所得边坡稳定系数为0.8625，说明边坡已经发生失稳破坏； 由于非工作帮滑坡体主要是排弃物，控制滑坡结构面类型为沿煤层底板分布的高岭土层，滑坡体物质组成为露天开采的剥离土和第四系松散堆积物，工程性质比较差，是滑坡的主要因素。同时地表有排土物料堆积，重力作用加剧滑坡。滑坡对生产的影响较大，必须采取相应的治理措施。4.3边坡台阶开挖参数优化由煤矿边坡的稳定性分析结果可知，在第四系松散砂、第三系粘土以及风化泥岩等土层中进行台阶开挖，经常出现台阶失稳，对安全生产产生不利影响。因此，对几个工程性质相对较差的土层进行台阶高度的参数化分析。分别比较台阶高度6米、

26、8米和10米的安全系数。计算方法为极限平衡法中毕肖普条分法，并分别给出安全系数以作比较。1、建立模型分别建立6米、8米和10米三种台阶高度的模型，台阶高度取65°。如图12、13、14所示。岩土体计算参数同前。 图10 6米高台阶模型图图13 8米高台阶模型图图14 10米高台阶模型图2、计算结果及分析各个岩层在不同台阶高度下的安全系数，如表5-6所示。表5-6 各种台阶高度下的稳定系数表岩性6米台阶8米台阶10米台阶砂土1.0220.7320.676粘土1.1510.9070.8281号泥岩1.1590.9010.8142号泥岩1.371.0580.9541号粉砂岩3.092.38

27、32.069图11 各种台阶高度稳定系数图主要结论如下：煤矿现在的开采台阶高度为8米，根据上述的计算结果，在开挖高度为8时，砂土、粘土和泥岩1都将出现滑坡失稳，泥岩2的安全系数虽然大于1，但是安全储备过低，也具有滑坡的危险。可以看到泥岩1和泥岩2两种岩层在开挖高度为6米时可基本保持稳定，而砂土和粘性土层由于其工程性质极差，建议在低于6米台阶高的情况下进行开挖。粉砂岩1在8米台阶高时都将保持稳定，特别是粉砂岩在10米台阶高时依然具有较高的安全系数。5结论 露天矿边坡受人造地貌特征、岩土体自身物理力学性质、软弱结构面、地下水和大气降水和采矿工程活动的不利影响，容易发生顺层滑坡、圆弧滑坡、圆弧-顺层

28、滑坡、崩塌等4种形式的滑坡。 工作帮边坡坡顶砂土和砂质泥岩层自稳能力差，在台阶后缘形成拉张裂缝，位移变化较大，而且上部3个台阶均可能发生不同程度的滑坡；计算所得边坡稳定系数为1.4125，说明边坡整体保持稳定。 非工作帮滑坡体组成为露天开采的剥离土和第四系松散堆积物，工程性质比较差，是滑坡的主要因素；控制滑坡结构面类型为沿煤层底板分布的高岭土层，同时地表有排土物料堆载，重力作用加剧滑坡。非工作帮边坡位移最显著的区域主要集中于坡脚的高岭土层。计算所得边坡稳定系数为0.8625，说明边坡已经发生失稳破坏，呈圆弧折线滑坡。 泥岩1和泥岩2两种岩层在开挖高度为6米时可基本保持稳定，而砂土和粘性土层由于

29、其工程性质极差，建议在低于6米台阶高的情况下进行开挖。粉砂岩1在8米台阶高时都将保持稳定，特别是粉砂岩在10米台阶高时依然具有较高的安全系数。参 考 文 献1 何满潮露天矿高边坡工程M北京：煤炭工业出版社，1991(Qin Siqing，Zhang ZhuoyuanAn introduction to nonlinear engineering geologyM. Chengdu：Southwest Jiaotong University Press，1993.)2 王树仁，何满潮，武崇福等复杂工程条件下边坡工程稳定性研究M北京：科学出版社，20073 黄润秋20世纪以来中国的大型滑坡及其发生

30、机制J岩石力学与工程学报，2007，26(3)：433-454(Huang RunqiuLarge-scale landslides and their sliding mechanisms in China since the 20th centuryJChinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(3)：433-454)4 王家臣，常来山，夏成华等露天矿节理岩体边坡稳定性研究J岩石力学与工程学报，2005，24(18)：3350-3354WANG Jia-chen，CHANG Lai-shan，XIA Cheng-huaStudy on stability of jointed rock s