煤矿区黄土边坡特征分析及防治对策_崔丽鹏.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2014-11-09 基金项目 山西省自然科学基金项目（2013011036-2） Foundation itemNational Natural Science Foundation of Shanxi（2013011036-2） 作者简介 崔丽鹏（1988），男，山西晋城人，硕士研究生，从事工程地质工作. E-mail987322292 通讯作者 龙建辉（1972），男，副教授，注册岩土工程师. E-maillongjianhei 引用格式 崔丽鹏，龙建辉，石文慧. 煤矿区黄土边坡特征分析及防治对策［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）87-91. CUI Lipeng， LONG Jianhui， SHI Wenhui. The feature analysis and control measures of loess slope in coal mining area［J］. Coal Geology Explo- ration， 2016， 44（3）87-91. 文章编号 1001-1986（2016）03-0087-05 煤矿区黄土边坡特征分析及防治对策 崔丽鹏 1，龙建辉1，石文慧2 （1. 太原理工大学地球科学与工程系，山西 太原 030024； 2. 山西华晋岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030021） 摘要 由于黄土边坡破坏（失效概率）的不确定性，煤矿区工程建设多忽略矿区黄土边坡的稳定性， 加上煤矿区边坡的特殊现状，边坡事故时有发生。通过对山西省 40 处煤矿区黄土边坡的双参数统计 分析，探寻边坡存在自然风险的内在机理。首先，按岩土结构组合特征将边坡分成 4 种地层结构模 型；在此基础上，重点统计分析了各结构模型下边坡参数（坡高、坡率）与边坡稳定性（稳定系数）的相 关性，建立了煤矿区黄土边坡防治的上限方程；最后，根据工程实践和研究成果提出了边坡的防治 建议。成果可对煤矿区的黄土边坡防治设计提供参考。 关 键 词煤矿区；黄土边坡；统计分析；边坡防治 中图分类号P642.22 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.016 The feature analysis and control measures of loess slope in coal mining area CUI Lipeng1， LONG Jianhui1， SHI Wenhui2 （1. Department of Earth Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China； 2. Shanxi Huajin Geotechnical Engineering Investingation Co， Ltd， Taiyuan 030021， China） Abstract Due to the uncertainly of loess slope failure （failure probability） and the special situation of slope in coal mining area， the stability of loess slope is often ignored and all of these reasons give rise to the slope accident oc- casionally. In order to explore the inherent mechanism of nature risk in slope， 40 loess slopes in coal mining area were studied by two-parameter statistical analysis. Firstly， slopes were divided into four stratum structure models according to the combined characteristics of geotechnical structure； Secondly， the slope parameters （slope height， slope ratio） and slope stability （stability factor） in various structural models were analyzed by establishing a limit equation about natural loess slope control in coal mining area； Finally， based on engineering practice and research results， control measures were put forward， which can provide reference for the design of prevention and control of loess slope in coal mining area. Key words coal mining area；loess slope；statistical analysis；slope control 山西煤矿区黄土边坡变形破坏以其发生概率 高、危害严重等成为继公路边坡破坏之后又一类备 受关注的灾害类型。这类灾害破坏规模多以中、小 型为主，但具有突发性，对煤矿区工业广场及其周 边密集建筑造成的破坏极为严重，而其变形破坏导 致财产损失的例子比比皆是，并且呈现加重趋势［1］。 在煤矿区建设过程中，煤矿工业选址受煤系地质条 件控制，往往存在地下含煤地质条件简单而地表地 质条件较为复杂，决定了不少煤矿区分布于山西狭 窄的黄土沟壑内，并造成大量切割黄土边坡的工程 活动发生，又由于这些黄土边坡失效概率的不确定 性［2］，工程建设过程中往往忽略其稳定性。因此， 根据煤矿区黄土边坡特征探寻其存在自然风险的内 在机理为煤矿区建设的关键问题之一。 学者们对于黄土边坡的稳定性判别，多采用工 程类比法、反算法、文献资料法和计算对比法等［3］， 以上方法，多针对局部范围内的特定边坡，同时不 可避免地涉及冗长繁琐的分析过程。为了探求更为 ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 44 卷 简捷、直观的判别方法，李萍等［4］运用自然类比法 对极限状态黄土边坡进行定义，宋飞［5］考虑坡面稳 定建立了黄土边坡临界坡度计算公式。这些方法从 不同角度简化了黄土边坡的稳定性判别方法，但对 于不同地质结构类型［6-7］的黄土边坡缺乏系统研究。 对于黄土边坡的防治研究，刘海松等［6］、王念秦等［7］ 通过地质结构模型分析了黄土边坡的破坏模式，并 提出防治建议；刘庆雪等［8］研究认为“分级放坡宽 大平台坡面防护排水系统”综合治理措施， 在黄土 丘陵、梁峁沟壑区煤矿工业场地建设中具有一定的 适用性和应用前景。 本文对山西省 40 处煤矿区黄土边坡的进行统 计分析，按岩土结构组合特征将边坡分成 4 种地层 结构模型， 重点统计分析了各地质结构模型下坡高、 坡率与边坡稳定系数的关系，建立了煤矿区黄土边 坡防治的上限方程，根据相应的研究结果提出了边 坡的防治建议。 1 煤矿区概况 山西省总面积约 15.6104 km2，含煤地层约 6.48104 km2，占全省面积的 40％左右。根据含煤地 层的发育特征及其构造组合，分为大同煤田、宁武 煤田、西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河东煤田， 拥有煤矿 1 000 余座。 山西地势起伏高低悬殊，东部山地地势挺拔， 西部较之平缓，境内大部分地区分布着黄土。煤矿 区多位于黄土分布的低山、丘陵区，黄土岩性疏松 易于侵蚀，且降水多集中于夏秋，煤矿区自然侵蚀 严重，地面十分破碎。煤田分布及边坡测点位置见 图 1，各煤田地质概况见表 1。 图 1 山西省煤类分布及边坡测点位置 Fig.1 Location of measurement points of slope in Shanxi coal fields 表 1 山西省煤矿区概况 Table 1 General situation in Shanxi coal mining area 煤田 相对位置 地貌类型 土层类型 大同煤田 省北部，在西石山与口泉断裂之 间，跨大同、朔州 缓坡黄土丘陵、断块中山 上部 eol 23 Q 型黄土，下部为 N2b 红黏土 宁武煤田 省中北部，芦芽山和云中山之间， 跨朔州、忻州、太原、吕梁 山间黄土盆地、洪积倾斜平原、剥蚀 侵蚀中低山、梁状黄土丘陵 静乐、岚县、娄烦一带上部多为 eol 23 Q 型黄土， 下部为 N2b 红黏土 西山煤田 省中部， 关帝山脉和晋中裂陷盆地 之间，跨太原、吕梁 剥蚀侵蚀中山 分布于古交周围，为 d1 23 Q型黄土 沁水煤田 省东南部， 太行山脉和太岳山脉之 间，北临系舟山，南临王屋山，跨 临汾、晋城、长治、晋中、阳泉、 太原 晋城山间黄土盆地；高平破碎黄 土塬；长治冲积平原；襄垣梁状 黄土丘陵；沁县、武乡破碎黄土塬； 其余为黄土丘陵及中低山区 晋城盆地黄土主要分布在沁水（沁水、阳城）、 丹河（高平、晋城）流域，以 plal 2 Q型黄土为主； 武乡、襄垣、屯留以北分布 plal 23 Q型黄土；屯留 以南长治等地分布 plal 23 Q型亚砂土； 寿阳上部多 为 eol 3 Q 型黄土，下部为 plal 2 Q 型黄土 霍西煤田 省中南部， 吕梁山脉和太岳山脉之 间的汾河河谷及其两侧，跨运城、 临汾、晋中、吕梁 破碎黄土塬、梁状黄土丘陵、梁峁状 黄土丘陵、剥蚀侵蚀低中山 上部 plal 23 Q型黄土，下部为杂色淤泥质土 河东煤田 省西部，吕梁山脉以西，跨运城、 临汾、吕梁、忻州 峁状黄土丘陵、破碎黄土塬、梁峁状 黄土丘陵、梁状黄土丘陵 上部 eol 23 Q 风积型黄土，下部为N2b 红黏土 ChaoXing 第 3 期 崔丽鹏等 煤矿区黄土边坡特征分析及防治对策 89 2 煤矿区黄土边坡特征统计 2.1 煤矿区边坡的结构分类 通过对山西煤矿区 40 个黄土边坡进行调查、 特 征统计，结合地质结构模型思想［6-7］，笔者将山西省 煤矿区黄土边坡常见的几种地层组合进行划分，进 而统计不同地质结构模型下的煤矿区黄土边坡（坡 高、坡度）特征，如表 2 所示。山西煤矿区黄土边坡 共划分了 4 种地质结构模型，分别为地滑堆积型 （Ⅰ）、新黄土和老黄土组合型（Ⅱ）、新黄土和老黄土 及红黏土组合型（Ⅲ）、新黄土和老黄土及基岩组合 型（Ⅳ）。 表 2 煤矿区黄土边坡参数统计 Table 2 Parameter statistics of nature loess slope in coal mining areas 边坡编号 坡高/m 坡度/（）结构模型 稳定系数边坡编号 坡高/m 坡度/（） 结构模型 稳定系数 1 38.8 26 21 55 45 1.020 2 50 17 22 48 46 1.029 3 54 24 23 52 45 Ⅱ 1.049 4 80～90 15 24 42.7 37 1.156 5 50 40 Ⅰ 滑动 25 47.5 41 1.151 6 45 44 1.110 26 50 38.5 1.195 7 27 54 1.126 27 46 40 1.154 8 34 49 1.095 28 40 50 1.136 9 27 55 1.103 29 29 55 1.134 10 52 43.4 1.054 30 56.1 44 1.056 11 52 39.1 1.092 31 73.3 41 1.097 12 22 60 1.079 32 82 39 1.055 13 35 47 1.114 33 78.3 40 1.066 14 32 46 1.154 34 31 51 1.073 15 32 45 1.182 35 82.6 37 滑动 16 42.4 40 1.196 36 74.9 47 Ⅲ 1.01 17 45 38 1.157 37 22.5 34 1.292 18 52 31 ＞1.25 38 26.6 35 滑动 19 35.3 33 ＞1.25 39 20 66 1.035 20 36 55 Ⅱ 1.043 40 50 48 Ⅳ 1.091 于慧丽等［9］曾对吕梁山区 53 个黄土公路边坡特 征进行统计，其中坡高集中在 10～45 m，坡度则相对 集中在 25～45。而山西煤矿区黄土工程边坡特征与 公路工程边坡特征不尽相同，坡高则相对集中在 15～55 m， 超过55 m的高边坡占到了调查总数的18％， 坡度也较公路工程边坡陡，集中在 35～55。 髙矿区黄土边坡具有比公路黄土边坡陡的特 征，还具有安全系数偏低、破坏概率高、危害严重 的特点。据调查结果边坡中发生崩塌、滑坡破坏 的占到了 26.5％，其中中型滑坡 7 个，小型滑坡 4 个；顶部裂缝发育的占 12.2％，大多数边坡都存在 着坡面破坏，并发育有落水洞、坡面泥流以及冲沟 等。此外，边坡坡脚分布有煤矿区重要建筑及拟建 设施，无形中加剧了黄土边坡的危害性。由此可见， 煤矿区黄土边坡更加值得深入研究。 2.2 边坡的稳定性特征分析 土体强度参数的正确选择对于合理评价边坡的 稳定性十分重要［3］。根据室内直剪试验，结合参数反 演分析， 最终确定了各边坡稳定性计算的强度参数值。 同时根据表 2 中调查的坡高、坡度值，采用 GeoStudio2007 岩土工程设计分析软件中 SLOPE/W 模块， 对黄土边坡稳定性进行计算， 计算结果如表 2。 3 煤矿区黄土边坡双参数分析 矿区黄土边坡中Ⅲ和Ⅳ地质结构边坡破坏机制 具有某些相同之处， 边坡底部红黏土层或基岩层较上 部黄土层强度大、 稳定性好， 边坡破坏往往发生在上 部黄土层或沿着红黏土与黄土、 基岩与黄土接触面发 生破坏，因此本文将Ⅲ和Ⅳ类型进行统一分析。 3.1 地滑堆积型 这种地质结构的黄土边坡破坏以朱家店煤矿［10］ （边坡编号 2）老滑坡体复活为代表， 其典型特征是一 般发育有近水平或缓倾坡外的老滑面，滑面通常产 生于红黏土与泥岩或黄土与红黏土界面，后缘表现 ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 44 卷 出明显的张裂带。复发机理可概括为老滑坡体复 活时滑带土达到残余状态，并表现蠕滑特性［11］，前 缘开挖则加速了滑体蠕变，诱发新的滑坡。具体而 言滑体稳定性受滑面控制，在自重应力的长期持 续作用和驱动下处于持续的蠕滑阶段；当外力改变 时，如前缘开挖，致使抗滑力降低，加速了滑体蠕 变，并导致坡体后缘拉裂的扩展，中部滑带土剪应 力增加并超过其残余强度，发生突发的脆性破坏。 这类机理的滑坡共调查 5 处，稳定性主要是靠 中部滑带土的抗剪强度维系，与边坡坡率没有定量 关系。因此，其灾害防治的原则是在阻止中部滑带 土剪应力超过其残余强度。考虑煤矿区工程建设开 挖老滑坡前缘的事实，加固重点应是通过工程手段 在前缘增强抗滑力、后缘减小下滑力，从而降低蠕 滑速率，防止中部剪应力集中。 3.2 新黄土与老黄土组合型 笔者分析煤矿区 18 处此类地质结构的黄土边 坡特征和稳定性，结果如下 4 处极限状态［4］的黄土边坡稳定性系数处于 1.00～1.05，其坡高、坡率满足对数的数理方程 22.65ln134.74DH -， 20.957 9 R （1） 式中 D 为坡度；H 为坡高；R 为相关系数。 另有 8 处矿区黄土边坡稳定性处于 1.05～1.15， 边坡坡高、坡率的对数方程为 21.69ln126.01DH -， 20.9685 R （2） 调查结果中，还有 4 处边坡稳定性位于 1.15～ 1.20，边坡坡高、坡率的相关数理方程为 19.66ln113.23DH -， 20.986 4 R （3） 另外2处稳定性系数大于1.25，边坡坡度也较稳 定性系数1.15～1.20的边坡坡度小。 分析表明相同坡高条件下，边坡的稳定性随 着坡度的降低而提高（图2）；相近的稳定性条件下， 边坡坡高、坡率满足对数方程。通过曲线分析表明， 边坡稳定性由1.00～1.05提高到1.05～1.15，边坡坡度 图 2 Ⅱ型黄土边坡双参数分析图 Fig.2 Two-parameter analysis diagram of loess slope of type Ⅱ 降低 5～6，稳定性由 1.05～1.15 提高到 1.15～1.20， 坡度降低 5～7。 3.3 新黄土和老黄土及红黏土（或基岩）组合型 这两类型地质结构的边坡共调查 17 处，超过 50 m 的高边坡 7 处；对其特征进行统计规律研究， 发现稳定性处于 1.05～1.15 的 8 处黄土边坡坡高、 坡 率同样满足对数函数方程（图 3） 14.02ln101.18DH -， 20.9628 R （4） 式中 D 为坡度；H 为坡高；R 为相关系数。 另外 4 处黄土边坡稳定性处于 1.15～1.20，坡 高、坡率的数理方程为 13.17ln90.58DH -， 20.542 7 R （5） 调查边坡中 2 处极限状态［3］边坡稳定性处于 1.00～1.05，其数理方程为 14.39ln109.11DH -， 21 R （6） 图 3 Ⅲ、Ⅳ型黄土边坡双参数分析图 Fig.3 Two-parameter analysis diagram of loess slope of type Ⅲ，Ⅳ 另外 3 处黄土边坡坡度均小于稳定性系数 1.15～1.20 所对应曲线的边坡坡度，其中 1 处稳定性 系数大于 1.25，而其它 2 处发生了滑坡破坏。对这 2 处滑坡调查分析表明柳林金家庄煤业工业广场 滑坡（编号 35）为外倾的软弱结构面控制型，滑面为黄 土与泥岩接触面，而泥岩是大型滑坡体的软弱带，其 物质组成与结构性质影响了滑坡动力学演化过程［12］。 马家岩煤矿区旁滑坡（编号 38）诱发因素为工程活动 导致边坡中上部形成高陡的单级黄土边坡，致使顶 部黄土推挤下部红黏土发生滑坡。 Ⅲ、 Ⅳ级地质结构模型的边坡与Ⅱ型地质结构模型 边坡具有某些相似的特征，即相同坡高条件下，边坡的 稳定性随着坡度的降低而提高；相近的稳定性条件下， 边坡坡高、坡率满足对数方程。而边坡稳定性由 1.00～1.05 提高到1.05～1.15，边坡坡度降低6～7，稳定 性由 1.05～1.15 提高到 1.15～1.20 坡度则降低 7～8。 4 黄土边坡防治的上限方程 上限方程，就是边坡地质结构和坡高相同时， 通过多级削坡治理黄土边坡，如果边坡坡度满足上 ChaoXing 第 3 期 崔丽鹏等 煤矿区黄土边坡特征分析及防治对策 91 限解，边坡可能产生坡顶裂缝、局部滑坡、崩塌等 破坏；当坡度大于上限解时，边坡发生大的变形破 坏；当坡度小于上限解时，将在长时间内，即使经 历一定的自然因素作用，如降雨等，边坡也能满足 上限方程对应的安全系数。此时，满足上限方程的 边坡安全系数处于 1.00～1.05。 结合矿区黄土边坡双参数分析结果，Ⅱ型地质 结构的边坡上限方程为D-21.69lnH126.01，调 查中 14 处边坡坡度小于上限解， 边坡没有发生变形 破坏。Ⅲ和Ⅳ型地质结构模型边坡上限方程为 D-14.02lnH101.18；调查中 15 处边坡坡度小于上 限解，其中 13 处边坡没有发生变形破坏，另外 2 处 受到软弱结构面影响以及顶部单级高陡边坡影响发 生了滑坡破坏。 因此，自然条件下采用上限方程解为基准，在 没有软弱结构面影响以及合理的单级坡高情况下， 采取一定的防护措施（如排水，工程防护等）或稍加 放缓坡度，可作为边坡设计的最佳选择。 5 煤矿区黄土边坡治理设计 目前，山西省黄土边坡安全系数处于 1.05～ 1.20， 但仍有部分边坡稳定性系数处于 1.00～ 1.05， 甚至发生了滑坡破坏，对于这部分边坡更加需要 引起人们的重视。因此，本文结合以上统计分析 结果和近几年煤矿区工程防治经验，总结了煤矿 区黄土边坡治理的几种组合方式，如表 3。 表 3 边坡治理组合方式 Table 3 Combination modes of slope treatment 适用条件 治理方式 削坡后边坡稳定性 单级坡高 单级坡率 平台宽度 地质结构 削坡空心六棱砖植物防护 截排水 ≥1.20 坡高一般不超过10 m 不超过1∶1.0 削坡拱形骨架植物防护截 排水 ≥1.15 坡高不超过10 m 适合1∶0.75～ 1∶1.5，常为 1∶1.25，超过1∶1.0慎用 削坡锚杆（锚索）格构梁植物 防护截排水 1.05～1.15 坡高不超过15 m 适合于1∶0.5～1∶1.0 Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 削坡预应力锚索抗滑桩锚杆 格构梁植物防护截排水 适用于老滑坡体治理或软弱结构面控制的边坡 小平台宽 2～3 m，大平 台宽4～6 m Ⅰ 6 结 论 a. 通过对煤矿区黄土边坡进行双参数调查、统 计，分析了边坡参数（坡高、坡率）与边坡稳定性（稳 定系数）的相关性，建立了煤矿区黄土边坡防治的上 限方程。 b. 针对煤矿区特殊黄土边坡特征，提出了黄土 边坡的防治建议。 c. 对于煤矿区黄土边坡的特征分析，主要集中 在坡高、坡率以及边坡稳定系数的复合规律研究， 但涉及到边坡参数的离散性对边坡的可靠度还缺乏 系统研究与分析。 参考文献 ［1］ 龙建辉，崔丽鹏，郭启明，等. 关于山西省工程地质环境“3F” 问题链的探讨［J］. 工程地质学报，2014，22（5）965-974. 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