煤系岩石水致抗剪强度劣化及其工程意义：以中国抚顺西露天矿为例

《Applied Sciences》：Water-Induced Shear-Strength Degradation of Coal-Measure Rocks and Its Engineering Implications: A Case Study of the Fushun West Open-Pit Mine, China

　　

在煤系地层中开挖的边坡容易发生降雨诱发滑坡，因为水致扰动会逐渐降低岩体抗剪强度。本研究利用抚顺西露天矿卸荷带中的六种煤系岩性，分别经干湿循环和持续浸泡处理后开展三轴压缩试验。将随条件变化的黏聚力c和内摩擦角φ用指数函数拟合，并纳入Mohr–Coulomb准则。在情景分析中，将两个独立处理系列测得的保留率按顺序应用于可分离的经验参数化方案。这种无交互近似被用于更新代表性边坡模型中的煤系强度输入。在测试范围内，黏聚力和φ呈指数下降，样本内R²值大于0.85，且黏聚力普遍更敏感。持续浸泡产生快速早期软化，而干湿循环则产生累积劣化。极限平衡和有限元计算显示，在更严重的参数折减情景下，安全系数更低、变形更集中。模型特定累积位移参考值52.36–213.82 mm与约1.15、1.05和1.00的F_s水平配对，并与历史监测曲线进行了定性比较。研究结果为露天煤矿雨季边坡稳定性预测和分级预警提供了参考。

煤系地层是含煤岩系的沉积岩组合，相对其他矿床围岩强度较低、易变形。煤矿开采全生命周期内，岩体不可避免地受到降雨入渗、地下水波动和排水注水等水致扰动，浅部边坡岩体常经历干湿循环与间歇浸泡，导致软化和裂纹扩展，尤其是抗剪强度（shear strength，抵抗剪切破坏的能力）对水致劣化高度敏感，可诱发滑坡等灾害。已有研究多针对单一岩性或单一过程，多种煤系岩性对比不足，实验室处理与现场边坡稳定性联系有限。抚顺西露天矿是亚洲最大的露天煤矿之一，历史上103次滑坡约70%由降雨诱发，水敏性地层构成边坡主要材料。因此，研究人员选取该矿卸荷带（unloading zone，开挖卸荷影响区）六种煤系岩性，研究其在不同水处理条件下抗剪强度退化规律及工程意义。论文发表在《Applied Sciences》。

研究方法上，研究人员从抚顺西露天矿卸荷带采集玄武岩、凝灰岩、煤、油页岩、泥岩和页岩试样，制备直径50 mm、高100 mm的标准圆柱试件。采用GCTS RTR-2000三轴压缩系统，在围压0、2.5、5.0和7.5 MPa下进行试验。处理条件包括0、1、3、5、7次干湿循环和0、1、4、7、10天持续浸泡，共9个条件，总计216个试件。利用三轴结果按Mohr–Coulomb准则（Mohr–Coulomb criterion，岩土强度准则）拟合获得黏聚力c和内摩擦角φ，并用指数衰减函数拟合其随处理程度的变化。随后建立可分离无交互情景参数化，将两种处理的保留率顺序相乘，更新三个代表性边坡剖面卸荷带内的强度参数，采用Morgenstern–Price极限平衡法计算安全系数F_s，再用有限元法计算变形和剪应变场。

研究结果表明：单轴抗压强度（UCS）在水致扰动下非线性下降。干湿循环后UCS退化度D_d顺序为凝灰岩52.0%>煤41.1%>玄武岩38.0%>泥岩34.4%>页岩28.4%>油页岩12.6%，首循环损失占累计损失的28.4%–38.2%。持续浸泡后D_d顺序为凝灰岩48.6%>煤41.2%>泥岩39.1%>页岩35.2%>玄武岩32.0%>油页岩10.6%，第1天损失占52.2%–66.9%，表明浸泡早期快速软化。岩性强度层级在试验窗口内保持不变。峰值轴向强度σ₁的退化显示，围压升高一致抑制水致退化，玄武岩、凝灰岩、泥岩的围压抑制比大于0.5，煤、油页岩、页岩小于0.5；两种水处理路径的相对敏感性因岩性和围压而异。抗剪强度参数方面，两种处理均降低c和φ，且黏聚力的保留系数R_c比内摩擦角的保留系数R_φ下降更快，表明黏聚力更敏感。c退化顺序为凝灰岩>泥岩≈煤>玄武岩>页岩>油页岩。φ退化与路径相关：干湿循环早期顺序为页岩>煤>泥岩>凝灰岩>油页岩>玄武岩，5次后煤超过页岩；持续浸泡下顺序为页岩>泥岩>煤>油页岩>凝灰岩>玄武岩。用指数函数分别拟合c和φ，样本内R²均大于0.85，描述了试验范围内参数随处理程度增加而指数下降的趋势。

讨论部分指出，将独立获得的干湿循环和浸泡保留率顺序相乘得到可分离情景因子，是一种无交互经验基线，未直接测量两种处理共同作用的耦合损伤机制，需组合试验验证。边坡计算中仅对卸荷带更新参数，非卸荷带保持自然状态。三个剖面中，北帮E1300(N)反向坡在较温和情景下即达到较低F_s，E1800(N)次之，南帮E2000(S)最高。有限元结果显示E1300(N)最大位移213.82 mm，E1800(N)为154.82 mm，E2000(S)为72.50 mm，剪切应变集中在潜在滑面和断层破碎带附近。将F_s约1.15、1.05和1.00与位移参考值52.36–213.82 mm配对，并与历史监测曲线定性比较，阶段演化大致对应。

研究结论可概括为：在测试范围内，抚顺煤系岩石剪切强度参数可用指数函数描述，R²大于0.85；黏聚力比内摩擦角更敏感；持续浸泡主要造成0–4天快速软化，干湿循环产生累积劣化，煤在5次循环后φ加速退化。可分离参数化仅作为情景参考，不能评估交互效应；位移参考值应结合现场监测标定，预警需综合位移、速率/加速度和降雨信息。主要局限包括无试件内重复、105°C加速干燥条件、试件到岩体的尺度效应以及未耦合渗流-变形分析。未来需开展重复试验、更接近现场的处理条件、现场标定和耦合渗流–变形分析。