露天礦順傾軟巖邊坡穩(wěn)定性三維效應(yīng)及其應(yīng)用

王 東，趙明明，賈宏君,2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.內(nèi)蒙古錫林郭勒白音華煤電有限責(zé)任公司露天礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)

露天礦順傾軟巖邊坡穩(wěn)定性三維效應(yīng)及其應(yīng)用

王 東1，趙明明1，賈宏君1,2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.內(nèi)蒙古錫林郭勒白音華煤電有限責(zé)任公司露天礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)

為揭示并充分利用露天礦順傾軟巖邊坡穩(wěn)定性的三維效應(yīng)，以白音華二號露天煤礦橫采南端幫為工程背景，應(yīng)用FLAC3D對不同空間形態(tài)條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了邊坡破壞模式、穩(wěn)定性、滑坡規(guī)模隨橫采工作幫與內(nèi)排土場間追蹤距離及開挖坡角的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著追蹤距離和開挖坡角的增大，三維滑體的底界面首先由淺部弱層過渡為臺階狀，最終過渡為深部弱層；邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著追蹤距離的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律減小，隨著開挖坡角的增大近線性減小；滑體走向長度隨追蹤距離的增大近線性增大，傾向?qū)挾入S開挖坡角的增大而減小。繪制了白音華二號露天煤礦南端幫邊坡開挖坡角與允許追蹤距離間的關(guān)系曲線，據(jù)此提出了邊坡穩(wěn)定性控制開采方案，經(jīng)現(xiàn)場實施，效果顯著。

軟巖邊坡；順傾弱層；三維效應(yīng)；追蹤距離；控制開采

0 引 言

在我國錫林郭勒盟、呼倫貝爾盟等地區(qū)的軟巖露天煤礦，滑坡的數(shù)量多、規(guī)模大，且難于防治，尤其是順傾軟巖邊坡，穩(wěn)定性極差，是露天礦生產(chǎn)安全的重大隱患。治理這類邊坡最有效的方法是通過將傳統(tǒng)的走向拉溝、傾向推進(jìn)的縱向開采過渡為傾向拉溝、走向推進(jìn)的橫向開采，合理控制橫采工作幫與內(nèi)排土場間的追蹤距離，借助采場與內(nèi)排土場對邊坡的支擋作用，改善和控制邊坡的穩(wěn)定性。因此，采用適當(dāng)?shù)姆椒茖W(xué)分析邊坡三維穩(wěn)定性成為解決該問題的關(guān)鍵。

20世紀(jì)60年代末以來，人們基于對邊坡三維穩(wěn)定性的研究提出了各種各樣的計算方法，例如HOVLAND[1]、HUNGR[2]、HUANG[3]、陳祖煜[4]、張常亮[5]、盧坤林[6-7]對經(jīng)典二維極限平衡法進(jìn)行了擴展，形成了一系列三維方法。但是由于各種分析方法都做了大量相似的假設(shè)，導(dǎo)致其不能完全適用各種復(fù)雜且變化不定的地質(zhì)條件，這就使得各種計算方法具有一定的局限性[8]。自20世紀(jì)70年代有限元[9]方法首次被應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析以來，數(shù)值模擬開始被廣泛應(yīng)用在邊坡研究領(lǐng)域，解決了很多實際工程問題，逐步成為巖土工程研究和設(shè)計的主流方法之一[10-14]。本文采用有限差分軟件FLAC3D對白音華二號露天煤礦南端幫進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡不同空間形態(tài)的滑坡模式和穩(wěn)定性變化規(guī)律，并分析變化規(guī)律形成的內(nèi)在機制，進(jìn)而研究露天礦順傾軟巖邊坡穩(wěn)定性的三維影響因素，為合理設(shè)計邊坡穩(wěn)定控制開采方案提供依據(jù)，為類似邊坡工程提供參考。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

白音華二號露天煤礦南端幫地層傾角為8°～12°，由第四系粉細(xì)砂、第三系黏土、白堊系泥巖、3#煤與粉、細(xì)砂巖構(gòu)成，邊坡內(nèi)無大型斷裂，自上而下發(fā)育3個順傾的炭質(zhì)泥巖弱層，為典型的順傾軟巖邊坡。組成邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型有3種：以細(xì)顆粒均勻連續(xù)介質(zhì)為主的第四系、以紅黏土為主的第三系地層均屬松散土體結(jié)構(gòu)，空隙多，透水性能好，力學(xué)強度低；淺部基巖地層風(fēng)化裂隙較發(fā)育，完整性較差，其中煤層破碎、透水性較強，屬典型的層狀碎裂結(jié)構(gòu)；淺部煤系風(fēng)化程度高，存在大量無序的裂隙，呈網(wǎng)狀排列，屬碎裂結(jié)構(gòu)巖體；深部煤系地層由泥巖、砂巖及煤層組成，質(zhì)地較松散，為層狀塊裂結(jié)構(gòu)。邊坡曾先后于2010年9月11日和2011年5月16日發(fā)生兩次巨型滑坡，使得其上部主要為排棄物料、紅黏土、泥巖等滑動形成的松散土體?；w穩(wěn)定后，測得其整體邊坡角約為12°。為回采下部壓煤，擬在滑體前緣約50 m處采用橫采方式向3-3#煤降深，整體邊坡將高達(dá)200余米，為避免老滑坡體復(fù)活，需要對不同空間形態(tài)邊坡的三維穩(wěn)定性進(jìn)行研究，從安全角度確定邊坡開挖的空間形態(tài)和尺寸。圖1為滑坡區(qū)中部的典型工程地質(zhì)剖面，描述了邊坡的地層巖性、弱層賦存特征、橫采降深位置及臨近滑坡前、滑坡后的斷面形態(tài)；通過實驗分析獲得的各地層巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 滑坡區(qū)典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical engineering geologic profile of sliding area

巖石名稱容重γ/(g·cm3)內(nèi)聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)抗拉強度σt/kPa彈性模量E/MPa泊松比μ松散滑坡體176167205050036泥巖203502353180030砂巖2056502753150024弱層19835066120039煤1303602354200023

2 邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬

數(shù)值模擬應(yīng)用大型巖土工程分析軟件FLAC3D。FLAC3D應(yīng)用離散元方法模擬材料單元體的塑性流動與破壞，相較于其它的有限元模擬方法更為準(zhǔn)確、合理[11]。由于采用了顯示動態(tài)方程，對于線性和非線性本構(gòu)模型都能適用，并且不存在物理上求解障礙。能夠通過調(diào)整單元結(jié)構(gòu)模擬實際變形，非常適合于模擬大變形的巖土和其他材料，也適用于對材料的軟化、屈服、流動問題進(jìn)行模擬。計算時采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，采用強度折減法獲得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。因為FLAC3D對復(fù)雜地質(zhì)條件三維模型的建立有一定的困難，論文使用ANSYS建模，再將其導(dǎo)入FLAC3D生成模擬模型。

2.1 模擬模型的構(gòu)建

為盡量真實反映邊坡的三維效應(yīng)，建立了滑坡范圍內(nèi)開采至3-3#煤底板的三維模擬模型，采場與排土場追蹤距離分別為50 m、100 m、200 m、300 m、400 m，開挖坡角分別為20°、30°、40°、50°，共計20個模型。模型包括南端幫、橫采工作幫和內(nèi)排土場三個部分(圖2)。模型的高度H、工作幫坡角φ與內(nèi)排土場邊坡角β保持不變(H=400 m、φ=12°、β=14°)，僅改變工作幫與內(nèi)排土場間的追蹤距離L、南端幫開挖坡角α，相應(yīng)地改變模型寬度D(D=L+h/tanβ+h/tanφ，h為內(nèi)排壓幫高度，m)。模型的南幫坡面、橫采工作幫坡面與內(nèi)排土場坡面為自由面，四周與底部分別采用水平和垂直位移約束。

2.2 模擬結(jié)果與分析

圖3和圖4分別為模擬得出的各種工況邊坡臨界失穩(wěn)時邊坡的空間和二維位移云圖(由于篇幅限制，僅列出追蹤距離50 m、100 m時的模擬云圖)，表2列出了各種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)及滑體底滑面組成情況。分析可知，當(dāng)降深至3-3#煤層底板時，在重力與開挖卸荷的雙重作用下，南端幫部分邊坡向臨空面沿弱層發(fā)生大變形，滑坡模式為以圓弧面為側(cè)面、以巖層面間弱層為底面的組合面滑動；當(dāng)追蹤距離或開挖坡角逐漸增大時，滑體的底界面逐步由①號弱層向②號弱層過渡，表明二者是影響邊坡破壞模式的重要因素；滑體走向長度隨追蹤距離的增大近線性增大，傾向?qū)挾入S開挖坡角的增大近線性減?。辉跈M采工作幫與內(nèi)排土場的支擋作用下，老滑坡體未發(fā)生明顯位移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 數(shù)值模擬模型及其參數(shù)示意圖Fig.2 Sketch of numerical simulation model and its parameters

圖3 邊坡臨界失穩(wěn)時的空間位移云圖Fig.3 Spatial displacement distribution of critically instable slope

圖4 邊坡臨界失穩(wěn)時的二維位移云圖Fig.4 Displacement distribution in profile of critically instable slope

追蹤距離/m開挖坡角20°開挖坡角30°開挖坡角40°開挖坡角50°Fs底滑面描述Fs底滑面描述Fs底滑面描述Fs底滑面描述50138①號弱層131①號弱層124①號弱層119①號弱層100126①號弱層119①號弱層114臺階狀109臺階狀200116①號弱層111臺階狀108臺階狀106臺階狀300112臺階狀108臺階狀106②號弱層104②號弱層400110臺階狀106臺階狀104②號弱層103②號弱層

圖5a和圖5b分別為追蹤距離、開挖坡角與邊坡穩(wěn)定性間的關(guān)系曲線，表明邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著開挖坡角的增大近線性減小，隨著追蹤距離的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律減小；追蹤距離越大，開挖坡角變化對穩(wěn)定性的影響越顯著。

此外，根據(jù)圖5可確定給定安全儲備系數(shù)條件下，開挖坡角分別為20°、30°、40°和50°時所對應(yīng)的允許追蹤距離(表3)，進(jìn)而繪制不同安全儲備系數(shù)條件下開挖坡角同允許追蹤距離間的關(guān)系曲線(圖6)，可用于確定任意開挖坡角所對應(yīng)的允許安全距離(表3)。

3 邊坡穩(wěn)定性技術(shù)方案研究

根據(jù)數(shù)值模擬分析成果，制定充分利用三維效應(yīng)的的開采方案，合理規(guī)劃排土空間，縮短剝離運距，以確保邊坡安全穩(wěn)定，并盡可能回收端幫壓煤。

表3 不同安全儲備系數(shù)與開挖坡角對應(yīng)的允許追蹤距離Table 3 Tolerant tracking distance for different safety storage coefficient and excavation angle

圖5 追蹤距離與開挖坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influences on slope stability of tracking distance and excavation angle

圖6 開挖坡角與允許追蹤距離之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between excavation angle and tolerant tracking distance

3.1 邊坡穩(wěn)定性控制開采方案的提出

綜合考慮工程現(xiàn)狀、運輸系統(tǒng)布置需求、巖石塊體

滾動距離及邊坡安全需要，確定在東部滑體前緣50 m處開掘初始溝，初始溝南端幫邊坡角為45°，內(nèi)排追蹤距離為30 m。

為加快礦山工程發(fā)展速度，上部采用縱采、下部采用橫采，即3-1#煤層底板以上工作線仍然走向布置，由南向北推進(jìn)；3-1#煤層底板以下傾向布置，由西向東推進(jìn)，待轉(zhuǎn)入下一條區(qū)時再過渡為由西向東推進(jìn)。根據(jù)露天礦縱采與橫采的產(chǎn)量規(guī)模、工程位置以及運輸系統(tǒng)上的正常接續(xù)，確定橫采工作線長度約200 m。第一個條區(qū)剝采工程結(jié)束后形成的采坑形態(tài)及其所對應(yīng)的開拓運輸系統(tǒng)布置方式見圖7b。

圖7 初始溝位置及開拓運輸系統(tǒng)布置平面圖Fig.7 Plan of initial pull ditch and development-haulage system

3.2 效益分析

提出的邊坡穩(wěn)定性控制開采方案于2012年初開始在白音華二號露天礦實施，截止到2014年末，多采出3#煤1457 t，累計4.1×107m3剝離物由外排轉(zhuǎn)為內(nèi)排，大大節(jié)省了運輸成本，減少了外排征地費用；同時，有效規(guī)避了縱采擾動而極易誘發(fā)滑坡災(zāi)害所引發(fā)的人員傷亡、設(shè)備損壞以及由此造成的損失，延長了露天礦服務(wù)年限，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。

4 結(jié) 論

(1) 含多個順傾弱層的軟巖邊坡的滑坡模式為以出露弱層為底面、以橢球面為側(cè)面的切層-順層滑動，隨著追蹤距離和開挖坡角的增大，三維滑體的底界面首先由淺部弱層逐步過渡為臺階狀，最終過渡為深部弱層。

(2) 邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著追蹤距離的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律減小，隨著開挖坡角的增大近線性減??；追蹤距離越大，邊坡中的側(cè)向壓力作用越小，當(dāng)邊坡體的內(nèi)聚力很小時，三維效應(yīng)很小，這時可以從二維角度計算合理的開挖角度；滑體走向長度隨追蹤距離的增大近線性增大，傾向?qū)挾入S開挖坡角的增大而減小。

(3) 繪制了露天煤礦南端幫邊坡開挖角度與允許追蹤距離間的關(guān)系曲線，可用于確定給定安全儲備系數(shù)時任意開挖坡角對應(yīng)的允許追蹤距離。

(4) 設(shè)計并實施了露天煤礦南端幫邊坡穩(wěn)定性控制開采方案，為露天礦最大限度安全回收煤炭資源、延長服務(wù)年限、保持正常生產(chǎn)接續(xù)提供了強有力的技術(shù)支持，同時為類似條件下邊坡工程提供了參考。

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Threedimensionaleffectsofdipbeddedsoftrockslopestabilityinsurfacemines

WANG Dong1,ZHAO Mingming1,JIA Hongjun1,2

(1.CollegeofMines,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000,China;2.InnerMongolia’sXilingolBaiyinhuaChinaCoalandElectricityCo.,LTDOpenPitMine,Xilingol,InnerMongolia,Ordos026000,China)

In order to reveal and make full use of the three dimensional effects of dip bedded soft rock slope stability in surface mines, the slope stability based on the background of the southern slope cross exploitation in Baiyinhua 2nd surface mine which was under different spatial forms was studied by numerical simulation with FLAC3D, then analyzes the change rules of the failure mode, the inner dump and the excavation angle ,slope stability and sliding scale for different tracking distance between the working wall. It is shown that the bottom interface of the 3d sliding mass shift from the shallow weak layer to stepped surface firstly with the increase of the tracking distance and excavation slope angle, and then the deep weak layer finally；the slope stability factor decreases with increasing tracking distance following the law of negative exponent; it decreases nearly linearly while the excavation angle increase; the slide masses’ strike length increases nearly linearly with the increase of the tracking distance; the dip direction width of the slide masses decreases with the increase of excavation angle. We propose the slope stability control program of mining based on the relationship between the excavation angle and the tolerant tracking distance, the result extinguished.

soft rock slope; dip bedded weak layer; three dimensional effects; tracking distance; controlling mining

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.09

TDJ167

A

1003-8035(2017)04-0053-06

2017-01-04;

2017-02-12

國家自然科學(xué)基金重點項目(U1361211)；國家自然科學(xué)基金 (51474119)；國家自然科學(xué)基金 (51104084)；遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心開放基金(LNTU15KF08)

王 東(1978-)，男，遼寧法庫人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事露天開采及邊坡工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。E-mail：lntu_wd@163.com

趙明明(1993-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究。E-mail：1402271936@qq.com