摘要
本文以胜利一号露天矿南帮边坡为研究对象，分析弱层泥岩的矿物组成、细观结构及力学特性，采用极限平衡法和强度折减法确定边坡潜在危险滑移面，考虑弱层流变效应影响分析边坡稳定性。研究表明，弱层泥岩中黏土矿物占比为63.9%，矿物颗粒多呈不规则薄片状结构，孔隙裂隙高度发育，具有明显弱胶结构造特征。胜利露天矿南帮边坡安全主控因素为弱层塑性流动及断层结构发育，理论计算得到上部岩层沿弱层剪出和断层下盘至坡底剪出两种潜在滑移面，且安全系数分别为1.05和1.75，结合数值模拟结果确定最危险位置为“边坡上部圆弧、弱层共同形成组合滑动”。考虑弱层流变效应影响边坡稳定性降低，建议工程实践中加强弱层处的稳定性监测和支护。
Abstract
Taking the south slope of Shengli No. 1 open-pit coal mine as the research object. The mineral composition, meso-structure and mechanical properties of weak mudstone were analyzed, the limit equilibrium method was used combining with the strength reduction method to determine the potential-slip surface of the slope with weak interlayer, and the influence of weak layer rheological effect on slope stability is considered. The research shows that the proportion of clay minerals in weak mudstone is 63.9%, and the mineral grains are in thin lamellar structure with highly developed pores and fissures. The weak mudstone has obvious weak cementation characteristics. The main controlling factors of slope stability in Shengli open-pit coal mine are the plastic flow in weak interlayer and the development of fault structure, two types of potential-slip surfaces were considered: shear out of the upper strata along the weak interlayer or shear out from the footwall to the bottom of the slope, the factor of safety values were 1.05 and 1.75. The most dangerous slip surface of slope is,“the combination of the upper circular arc and the weak interlayer”. Considering the weak layer rheological effect, the slope stability decreases, so it is recommended to strengthen the stability monitoring and reinforcement at the weak interlayer in engineering practice.
Keywords
0 引言
边坡稳定性对露天煤矿开采工程至关重要，露天煤矿边坡多以软岩为主，局部可能存在极弱岩层 （弱层），边坡岩体易沿弱层产生塑性流动现象（王家臣和孙书伟，2016），同时在地下水影响下，弱层岩体力学强度降低、流变效应更加显著，可能诱发边坡滑移等灾害（马可，2021），严重威胁露天矿安全以及高效生产。
当前含弱层露天煤矿边坡稳定性的研究已取得诸多进展，主要研究内容为基于极限平衡法计算边坡稳定系数，确定含弱层边坡最危险滑移面位置及边坡形态优化方案（刘勇，2018；曹兰柱等，2022； 徐全耀和刘光伟，2022）；采用 FLAC3D数值分析方法，研究含弱层、断层边坡安全系数的变化规律以及变形滑破模式（尤耿明等，2021；钟晓勇等，2021； 王永伟，2022）；利用极限平衡和数值模拟方法，探究单因素变化下含弱层边坡的安全系数和破坏面位置渐变特征，揭示含弱层边坡破坏机理和破坏模式（张社荣等，2014；陈凤阳等，2018；张谦和李贵平，2022）；比较极限平衡法与强度折减法在边坡安全问题方面的异同，结果表明两种方法计算边坡稳定系数和危险滑移面结果高度相似（张鲁渝等， 2003；管晓明等，2018；张文莲等，2022）。
本文以胜利一号露天矿含弱层边坡为研究对象，探究了弱层泥岩的矿物组成、细观结构和宏观力学特性，利用数值分析方法确定了边坡危险滑移面，揭示边坡破坏模式，开展了弱层流变效应对边坡安全影响分析，为防治滑坡灾害并保证露天矿安全提供理论支持。
1 工程地质概况
1.1 工程地质条件
胜利一号露天矿区位于内蒙古自治区东部锡林浩特市，坐落于大兴安岭西延北坡（图1），地形以 NE-SW向高原、丘陵为主。露天矿区内地层自下而上有：中生界下白垩统巴彦花群锡林组（K1bxl）和胜利组（K1bsh）、新生界新近系上新统（N2）、第四系 （Q4），矿区区域地层表见表1。地层总体向北和北西倾斜，倾角均小于 5°。露天矿边坡岩体内存在单斜构造的极弱软岩夹层，并发育有多条 NE 向向斜构造断层。
图1露天矿区域位置图
表1露天矿区地层
1.2 水文地质条件
依据地质勘查报告，胜利一号露天矿勘查区含水层为第四系孔隙潜水含水层组、煤系顶砾岩段孔隙、裂隙含水层组（Ⅱ）、5 煤裂隙承压含水层组 （Ⅲ）、6煤裂隙承压含水层组（Ⅳ），均为弱富水性含水层。矿区主要充水水源为大气降水，多年平均降水量 276.05 mm，年平均蒸发量 1871.16 mm，补给条件一般。
1.3 边坡稳定性影响因素
根据工程地质与水文地质条件，确定影响南帮边坡稳定性的主要因素如下：
（1）弱层：弱层主要分布于 5 煤顶板，其中含有大量黏土矿物，遇水易崩解。在上覆压力下，弱层发生流变、蠕变现象导致其抗剪强度大幅降低，诱发边坡沿弱层滑移。
（2）断层：断层带为边坡提供天然边界面，破坏了边坡岩体结构，易形成雨水、地下水渗入通道使其力学强度显著降低，导致边坡沿断层带滑移。
（3）地下水：坡体内含 4 条弱富水性含水层，其中第四系水丰富且长期浸泡松散岩石，岩石在浸泡影响下抗剪强度显著降低，诱发边坡失稳。
2 边坡弱层特性分析
2.1 矿物组成分析
弱层泥岩的力学性质与其矿物组成密切相关，可据此分析弱层对边坡稳定性的潜在影响。试验所用岩样取自胜利一号露天矿南帮边坡5煤顶板弱层处，将岩样破碎、研磨至细度为200目的粉末状固体，实验仪器为 Rigaku D/MAX-2600 型号 X 射线衍射仪，岩样矿物组成及含量结果见图2。
图2弱层泥岩XRD图谱及矿物含量分析
由图2可知，胜利一号露天矿南帮边坡弱层由石英、伊利石、斜绿泥石、蒙脱石和高岭石构成，其中伊利石、斜绿泥石、高岭石、和蒙脱石属黏土矿物，含量占比高达63.9%。黏土矿物遇水易软化、泥化，塑性变形明显，外部载荷作用下会产生明显的流变效应（汪洪民等，2020）。在地下水作用下，边坡弱层力学指标大幅降低，易引发局部滑坡。
2.2 细观结构分析
弱层泥岩的力学性质同样与其细观结构特征相关。本文采用 ZEISS Gemini300 型号扫描电镜 （SEM）对块状弱层泥岩进行微细观结构观测，岩样在不同放大倍数下的结构特征见图3。
图3弱层泥岩细观结构特征
a—200倍数；b—500倍数；c—2000倍数；d—5000倍数
由图3可知，弱层泥岩表面致密毛糙，凹凸不平，岩石颗粒松散，有明显的裂纹缺陷发育。高倍观察下岩石微粒呈不规则的薄片状结构，粒间片状结构为伊利石和蒙脱石（周灿等，2022），具有明显的弱胶结结构特征，宏观表现为岩样黏聚力低、抗剪强度弱。
2.3 力学特性分析
岩石力学性质是影响岩质边坡稳定的关键因素，据此对弱层泥岩进行宏观力学性质测定，试验结果见表2。弱层泥岩水浸易崩解，因此未进行饱和含水率、饱和单轴抗压和膨胀性试验，岩样遇水崩解见图4。
表2弱层泥岩力学性质参数
由表2可知，弱层泥岩平均抗压强度为 2.7 MPa，平均黏聚力为 0.69 MPa，强度极低，属于极软岩石。弱层泥岩遇水迅速软化膨胀，抗剪强度显著弱化，弱层泥岩与水的关联作用增加边坡失稳的可能性（马可，2021）。
图4弱层泥岩水浸崩解
a—原岩岩样；b—岩样崩解
3 边坡危险滑移面确定及模拟验证
3.1 极限平衡法边坡稳定性计算
采用国能北电胜利能源有限公司基于极限平衡法 Bishop 原理自主研发软件对边坡稳定性进行理论计算，可自动检索边坡沿弱层滑动的滑移面并计算安全系数。对胜利露天矿南帮边坡稳定分析时，结合边坡弱层、断层位置形态考虑 2 种滑面位置，考虑地下水的影响，对边坡岩层分别赋予天然、饱和力学参数。具体方案见图5，计算结果见表3。
图5南帮边坡剖面图
a—边坡滑移面1；b—边坡滑移面2
表3南帮边坡稳定性评价结果
据表3可知：当发生以边坡上部圆弧、弱层共同形成组合滑动，边坡安全系数为 1.05，安全系数偏低，满足临时边坡的工作条件；当发生以边坡断层下盘至坡底圆弧滑动，边坡安全系数为1.75，边坡稳定性高，满足边坡所需安全储备系数需求。比较可知，弱层为影响南帮边坡稳定性的主控因素，弱层受地下水影响抗剪强度极低，弱层与边坡上部裂缝向下延伸形成贯通滑面，导致边坡沿贯通面滑移。弱层的存在破坏边坡整体性，应针对弱层制定相应的防滑措施（马刚等，2018），以保证工程的安全生产。
3.2 理想弹塑性强度折减法边坡稳定性计算
为验证基于 Bishop 原理计算所得南帮边坡危险滑移面的合理性，采用 Rhino 及 FLAC3D （陈正东等，2020；王伟等，2020；张文康等，2023），运用强度折减法对南帮边坡稳定性进行模拟分析。边坡模型尺寸见图6，坡高219 m，坡角18°，弱层倾角3°，断层倾角 60°，上下盘落差 10 m。以接触面的形式表征断层和弱层，接触面参数包括法向刚度、切向刚度、黏聚力和内摩擦角，接触面两侧的岩体可发生错动和挤压（王襄禹等，2014）。法向刚度、切向刚度与等效刚度 Ke有关（赖允瑾等，2010），Ke的计算公式为：
(1)
式（1）中：ΔZmin为接触面相邻单元法向最小尺寸，K为岩体体积模量，G为岩体剪切模量。计算确认弱层法向刚度为 3.82 GPa，切向刚度为 2.6 GPa。根据泥岩计算参数确定接触面内摩擦角 18°，黏聚力130 kPa。
各岩层赋予摩尔-库伦本构模型，模型边界约束为铰支约束，即左右边界无水平位移，底边界无水平、竖直位移，并控制所有节点y方向位移。各岩层力学参数见表4。
南帮边坡稳定性模拟分析结果见图7。边坡安全系数为1.348，边坡整体稳定，有足够的安全储备，与工程实际相符。
表4岩层物理力学参数
图6南帮边坡模型
图7南帮边坡数值模拟计算结果图
a—水平方向位移云图；b—剪切应变增加量云图；c—弱层剪应力云图；d—弱层滑移图
由图7a、b可知，边坡发生沿弱层滑移现象，此时边坡的滑坡模式、滑面位置与极限平衡法计算结果高度相似。边坡破坏模式为组合破坏，坡顶处为张裂破坏段，中间为剪切破坏段，下部为沿弱层滑移破坏段，边坡上部张拉裂缝逐步向深部岩层传递，并与弱层形成贯通滑面使滑体沿弱层剪出。
由图7c、d可知，弱层中前部产生应力集中现象，此时的剪应力大小接近弱层抗剪强度，边坡受不利因素影响将从此处发生屈服破坏。
3.3 考虑流变效应强度折减法边坡稳定性计算
露天矿南帮边坡弱层易发生流变、蠕变现象导致其抗剪强度大幅降低，诱发边坡沿弱层滑移（王家臣和孙书伟，2016）。为探究流变效应对边坡稳定性影响，将上节模型弱层处本构模型改为FLAC3D 自带 Burgers-mohr 模型，其他岩层不做改变进行计算，特征监测点位移突变为边坡失稳判别依据。设定蠕变时间为 365 d，特征监测点见图8，不同折减系数计算下特征监测点水平方向位移见图9，边坡最大剪切应变增加量云图见图10。
图8监测点位置图
由图8可知当折减系数为 1.2、1.25、1.3、1.302 时，监测点位移分别于第 20 d、第 29 d、第 59 d、第 64 d 趋于稳定；当折减系数为 1.305、1.31 时监测点位移随蠕变时间增加而持续增长，此时边坡有失稳风险。因此可得考虑弱层流变效应时边坡安全系数为1.302，与上节所得结果1.348相比降低3.41%。
图9特征监测点水平位移图
a—折减系数1.2；b—折减系数1.25；c—折减系数1.3；d—折减系数1.302；e—折减系数1.305；f—折减系数1.31
图10边坡剪切应变增加量云图
a—折减系数1.25；b—折减系数1.3；c—折减系数1.302；d—折减系数1.305
由图9可知，当折减系数为 1.25 时滑移面不明显；当折减系数为1.3、1.302时剪切应变增量沿边坡弱层扩张，在弱层中前部产生应力集中，滑移面位置明显；当折减系数为 1.305 时滑移面上部剪切应变增量急剧增大，滑移面由坡顶上部至弱层贯通，可判定为边坡失稳。此外由图9可知当边坡台阶坡角较大时，台阶处易发生局部失稳现象。
4 结论
本文以胜利一号露天矿南帮边坡为研究对象，分析了弱层泥岩的矿物组成、细观结构及力学特性，采用极限平衡法和强度折减法确定了含弱层边坡潜在危险滑移面，开展了考虑弱层流变特性效应分析边坡稳定性，研究结果如下：
（1）胜利一号露天矿南帮边坡弱层泥岩黏土矿物成分占比高达63.9%，在地下水作用下易软化、泥化，塑性变形明显；弱层泥岩岩样内部孔隙裂隙高度发育，岩石颗粒呈不规则薄片状分布，具有明显的弱胶结结构；弱层泥岩抗压、抗剪强度极低，水浸崩解，边坡易沿弱层滑移。
（2）基于 Bishop 原理计算胜利一号露天矿南帮含弱层边坡稳定性，考虑上部岩层沿弱层剪出和断层下盘至坡底剪出两种潜在滑移面，分析得出最危险滑移面为“边坡上部圆弧、弱层共同形成组合滑动”。
（3）FLAC3D强度折减法计算结果与极限平衡法计算结果一致，验证了弱层是影响南帮边坡稳定性主控因素的合理性。在工程实际中应加强对弱层的支护，建构弱层上部隔水层，提高边坡稳定。
（4）考虑弱层流变效应影响下边坡安全系数与理想弹塑性条件下边坡安全系数比较相对降低 3.41%，弱层流变效应对边坡稳定性分析结果影响较大，在工程实际中应考虑弱层处流变效应影响降低位移监测预警值。