平庄西露天矿露井联采高陡长大边坡稳定性监测研究

作者：郑晓敏

    由于受到双重采动效应，露井联采边坡岩体变形量值及变形范围己远远超过了原有的单一采动理论认识，其变形破坏机制及稳定性问题极为复杂。掌握露井联采边坡岩移规律及其稳定性状态，是确保安全生产和提出合理防治措施的前提。

    对于如何分析地下采动对边坡稳定性的影响，国外很少见到这方面的研究资料。近10~20年，部分学者结合具体矿山工程实际，应用数值模拟、模型试验、现场监测或综合手段对露井联采边坡岩体的变形破坏规律、两种采动效应间的相互影响、警戒煤柱宽度及顶板安全厚度等问题进行了研究。孙世国等在露井联采边坡的变形规律与机理方面开展了大量的有意义的研究，尤其推导得出了边坡的稳定系数计算式，但要据此方法计算边坡的稳定系数必须先求出中间未知量一岩体的变形参量，鉴于露井联采条件下岩体变形和破坏规律的复杂性，很难准确得出变形参量，因此，未能在工程实际中得到较多的应用和推广。王东等在对露井联采边坡破坏形式进行类型划分的基础上，提出了基于极限平衡理论的露井联采边坡稳定性计算方法，但该方法中涉及到的岩体残余强度很难准确获得，亦未能得到广泛应用。

    迄今为止，位移监测是解决露井联采高陡长大边坡稳定性问题最为有效的手段。本文以平庄西露天矿顶帮边坡为研究对象，通过对比分析地表位移监测数据，研究露井联采高陡长大边坡的岩移规律，同时判定其稳定性状态，为及时采取合理的滑坡灾害防治措施提供依据，为类似条件下边坡稳定性研究提供借鉴。

1  工程背景与边坡工程地质条件分析

    平庄西露天矿顶帮边坡走向长3. 8km，地层倾角10。~ 200，整体到界帮坡角220~ 340，最大高度为336m。受到剥采比的限制，平庄西露天矿主采的1#和2#煤层的深部划分给五家矿四井，采煤方法为倾斜长壁采煤法，顶板处理方法为垮落法。

边坡自上而下的组成岩石为散体状玄武岩(N2P)、新近系沉积岩(Ⅳ)、白垩系沉积岩(J35)、辉绿岩(p。)、以及煤层。煤层顶板辉绿岩体强度高、稳定性较好，对顶帮上部岩体有一定的承托作用。边坡内部有F．、F3两条较大的正断层，与顶帮边坡均向西南方向倾斜，不利于边坡稳定性。坡体内自上而下赋存4个产状基本与煤层一致的弱层，分别为C弱层、B弱层、A。弱层和A弱层，边坡上部经多次滑坡已趋于稳定，仅位于辉绿岩顶板的A4、A弱层对现状边坡稳定性影响较大。按照平面形态、地下空区分布情况、地质构造等条件可将顶帮边坡沿走向方向划分为I区、II区、III区、IV区4个工程地质分区，地下空区分布在II区凸边坡和III区直线边坡下部，为本文重点研究对象。平庄西露天矿顶帮II区和III区边坡的空间几何形态、地层岩性、地质构造以及地下空区与边坡间的空间关系见图1所示。

2典型滑坡位移一时间特征分析

大量滑坡变形监测结果表明，边坡的变形往往具有蠕变特点，即从开始出现变形到最终失稳破坏一般需经历与岩土体蠕变曲线类似的初始变形、等速变形和加速变形3个阶段，见图2中的曲线1。分别求出位移对时间的一阶和二阶导数，即可获得边坡位移速度一时间曲线（图2中的曲线2）和位移加速度一时间曲线（图2中的曲线3）。显然，边坡在初始变形阶段( AB)，位移加速度a<0；在等速变形阶段( BC)，位移加速度a=0；一旦进入加速变形阶段(CD)，则位移加速度a>0。边坡在初始变形和等速变形阶段是稳定的，只有当边坡进入加速变形阶段，即预示着边坡演化将进入整体失稳破坏的临界状态，滑坡即将发生，据此可判定边坡的稳定性状态。

3  监测点布置情况

    结合现场工程地质条件并考虑到采矿工程活动区域，平庄西露天矿共在顶帮边坡布设了68个地表位移监测点（命名原则为“标高一剖面号”）。由于上部边坡经过多年变形、滑动已趋于稳定，同时为反应地下开采造成的边坡移动规律，这些监测点基本布置在井工开采范围上方和顶帮边坡体内的A4、A弱层以上、+572m以下，大致沿边坡走向或倾向线型布置，形成类方格形观测网；采用全站仪进行量测，测量方法为边角边法，监测周期一般依据边坡变形情况与工程活动范围为3 N15天不等。II区和III区分别布置了23个和28个位移监测点，部分监测点布置在地下采区上方，以尽可能反映井工开采引起的地面下沉和边坡的整体变形规律（见图1）。

4边坡岩移规律与稳定性分析

    结合平庄西露天矿顶帮边坡地表位移监测点布置的整体情况，人为选取并假定了布置在矿井东、西部边界附近的2条监测线、边坡走向方向的2条监测线和倾向方向的3条监测线，对监测数据进行整理，用于分析边坡稳定性。由于没有准确的位移速率阈值来判断边坡所处的状态，仅绘制了各个监测线的位移历时曲线与位移加速度历时曲线。为消除初始监测时间差异，取各监测点同一时间区段（2008年9月- 2010年6月）内的监测数据进行对比分析。

4.1  井采边界监测线数据分析

图3和图4分别为5家4井西部与东部边界监测线的监测结果，可用于分析露天与井工联合开挖效应的地表移动规律，确定井工开采对顶帮边坡的影响范围。对比分析可知，井采西部边界附近岩体的水平位移受断层影响较大，与F1和F3断层之间的距离越大，水平位移量越小；岩体的垂直位移累积量自南向北逐渐减小，距离采空区较远的608 _4300监测点并未受到地下开采影响。对于井采东部边界附近岩体，水平位移表现为II区凸边坡最为显著，III区直线边坡也较大，I区凹边坡最小，表明边坡平面形态是影响边坡变形和稳定性的重要因素；岩体垂直位移约以572水平为分界线，上部明显大于下部，表明+572m基本就是地下开采影响的边界。

    总体上看，井采边界附近岩体处于等速变形阶段；地下开采下山一侧岩体的水平位移主要受F，断层影响，距离F．断层越近，水平位移量越大，而上山一侧岩体的水平位移主要受露天开挖和边坡平面形态影响；地下开采影响的边界在边坡表面的出露标高大致为+572m。

4.2边坡走向方向监测线数据分析

边坡滑移主要受辉绿岩顶板A4、A弱层控制，故选取弱层附近的512水平走向监测线和464水平走向监测线进行分析，目的是通过对比分析走向方向不同位置的变形情况评价现状边坡的稳定性状态，同时预测边坡相对危险的区域。两条走向方向监测线监测结果分别见图5和图6（为减小篇幅，不再重复列出各监测点的位移加速度历时曲线）。分析可知，受到边坡形态的影响，II区凸边坡较III区直线边坡变形明显，为顶帮边坡的相对不稳定区域；A弱层以上一定范围内岩体位移呈上升趋势，而下部上升趋势较明显，基本趋势是距离A弱层越近，上升越明显，表明岩体向露天采空区滑移过程中要受到逆倾A弱层的控制；边坡无明显加速变形现象，整体上处于等速变形阶段。

4.3边坡倾向方向监测线数据分析

为进一步揭示地下开采对露天矿边坡稳定性的影响，根据边坡下是否含地下空区和边坡平面形态，分别选取3条典型的倾向方向监测线进行详细对比分析，其中0线剖面处边坡为凸边坡、含地下采区，3 700剖面处边坡为直线边坡、含地下采区，4 500剖面处边坡为直线边坡、不含地下采区。三条倾向方向监测线监测结果分别见图7—图9。分析可知，各个倾向剖面的上部岩体均表现为下沉，弱层以上附近岩体表现为上升，说明下部岩体滑移主要受A弱层控制；4 500剖面由于不含地下采区使得上部岩体下沉量较小，但相对于受到地下空区影响的0线剖面和3 700剖面，水平位移量明显减少，这似乎和被广泛认可的露井联采位移叠加理论相矛盾。详细分析其原因就会发现，由于地下开采引起的F1断层活化造成地下空区上方岩体沿该断层滑移、下沉，进而推动边坡整体向露天采空区移动。从边坡稳定性状态上看，4 500剖面最好，3 700剖面次之，0线剖面最差，表明边坡外凸和地下开采均不利于边坡的稳定性。

5结论

    1)边坡岩移规律及稳定性主要受到断层、弱层、地下开采及边坡平面形态等因素的综合控制，A弱层是边坡整体滑移的下部边界；现状边坡整体处于等速变形阶段，但II区凸边坡变形相对明显，为顶帮边坡的相对不稳定区域。

    2)地下开采下山一侧岩体的水平位移受F．断层影响显著，距离F1断层越近，位移量越大；上山一侧岩体的水平位移主要受边坡形态和露天开挖影响，凸边坡岩体位移量较直线边坡大，露天开挖也会造成位移量增加。

  3)地下开采对边坡稳定性影响范围的边界大约为边坡表面出露标高+572m，若边坡潜在滑面上部出露于该标高以上，其稳定性将受到一定影响；地下开采引起的F．断层活化使得地下空区上方岩体沿该断层滑移、下沉，是边坡滑移的主要原因。

6摘要：为掌握平庄西露天矿露井联采顶帮边坡的岩移规律与稳定性状态，揭示地下开采对边坡稳定性的影响，基于对典型滑坡位移一时间特征的认识，提出用位移历时曲线与位移加速度历时曲线形态判断边坡稳定性状态，并详细对比分析了布置在井工开采边界以及边坡走向与倾向方向上各监测线的地表位移监测数据。结果表明，平庄西露天矿顶帮现状边坡整体处于稳定状态，II区凸边坡为相对不稳定区域；边坡岩移规律及稳定性主要受断层、弱层、边坡平面形态、地下开采及其引起的断层活化等因素综合控制；地下开采对边坡稳定性影响范围的边界大约在边坡表面出露标高+572m。