哈爾烏素露天煤礦端幫邊坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

高富強，劉智超，陸 翔

（1.中國神化哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

露天煤礦邊坡穩(wěn)定性一直是礦山企業(yè)重視的首要安全問題。在邊坡安全范圍內(nèi)適當提高邊坡角度能夠大大增加礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。露天煤礦開采中的靠幫開采是指在保證露天礦邊坡安全和正常生產(chǎn)的情況下，通過加大端幫邊坡角來提高煤炭回收量（生產(chǎn)過程）或者減少露天礦剝離量（設(shè)計過程減少補充擴幫量）的開采方式[1-2]。對生產(chǎn)過程實行的靠幫開采實際上是在開采過程中對露天礦開采境界的二次修正?？繋烷_采雖然能夠有效增加企業(yè)生產(chǎn)效益[3]，但是靠幫過程中伴隨著邊坡角度的增加，使邊坡安全性逐漸降低，因此有必要對靠幫過程進行邊坡穩(wěn)定性分析[4-5]，明確端幫角度的提升對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 靠幫開采的可行性前提

目前在國內(nèi)，靠幫開采技術(shù)還沒能夠成為露天煤礦開采的一個生產(chǎn)工藝，并形成完整的理論依據(jù)。但是，該方法已經(jīng)逐漸在各個露天煤礦進行了實施，用以提高企業(yè)效益?？繋烷_采技術(shù)常用于進行壓幫內(nèi)排前來提高資源回收率。在采用內(nèi)排的露天礦山，端幫在開挖后，隨著內(nèi)排場的推進，端幫又被掩埋。掩埋后，端幫也就失去了自由滑動面。換句話說，端幫的服務(wù)時間是指從開挖到被掩埋的整個過程。其實，這也就是需要在端幫的服務(wù)時間內(nèi)保持端幫的穩(wěn)定。內(nèi)排土場和采場的同時推進，使得端幫暴露的時間減少，為加大端幫幫坡角、實施靠幫開采提供了可能。同時端幫的邊坡維護時間也相應(yīng)的減少，降低了邊坡治理的投入。但是由于在靠幫過程中對端幫的擾動作用大，所以靠幫開采首先需要解決的就是邊坡的端幫穩(wěn)定性問題。在衡量一個端幫是否可以進行靠幫開采時，應(yīng)該具備的基本條件為：

1）可進行端幫靠幫開采的最基本前提是邊坡安全性前提，因為邊坡角度的增加必然會帶來邊坡安全性的降低。露天端幫幫坡角可以提高的原因是設(shè)計時幫坡角的穩(wěn)定性系數(shù)取的比較大；內(nèi)排土場的投入使用加快了端幫的掩埋，使得端幫邊坡暴露面積大大減小，端幫存在時間變短[6]。

2）在確定端幫安全性后，就要計算陡幫位置的經(jīng)濟效益。陡幫的目的主要是將下部煤層的煤炭開采出來，剝離工作較少，陡幫過程中通常剝采比都要少于正常生產(chǎn)中的剝采比，所以經(jīng)濟效益都比較可觀，但是也要做好煤層的勘探分析工作，合理確定可能地可采量[7]。

3）靠幫開采時對端幫進行開槽也要保證鏟車和卡車的采掘、運輸有足夠的空間，各個工序之間不會產(chǎn)生干擾，以實現(xiàn)對端幫壓煤的有效回收。因此必須保證生產(chǎn)的正常進行，運輸通道的暢通，同時保證不影響工作幫和內(nèi)排土場的正常作業(yè)。

2 數(shù)值分析過程

由于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的確定受多方面因素的影響，在工程實踐中大多采用基于各種假定條件的簡化計算方法進行安全系數(shù)的計算。FLAC/SLOPE是一款專門應(yīng)用于解決巖土邊坡工程問題的軟件，在進行邊坡應(yīng)力、可靠性分析有著非常廣泛的應(yīng)用。由于在計算過程中采用顯式算法對模型的運動方程，所以隨著計算的進行，可以觀察到邊坡巖體的變形發(fā)育、漸進破壞和垮落的完整過程，并根據(jù)節(jié)點變形數(shù)據(jù)和單元應(yīng)力值反映邊坡整體的應(yīng)力、應(yīng)變速率等情況，因此在分析邊坡的穩(wěn)定性中非常實用。在露天煤礦邊坡安全研究中，也可以對邊坡的結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)等進行研究[8-9]。該軟件可以在繪圖面板直接建立地層，實現(xiàn)快速建模。具體來說，每項邊坡分析都需要經(jīng)歷4個階段，即建模階段（建立線形、非線性、階梯形和堤壩模型）→賦值階段（指定分層、材料、弱面、荷載、含水層和加固結(jié)構(gòu)）→計算階段（可選擇粗略計算，中等計算，精確計算或用戶自定）和輸出階段（顯示滑坡面并記錄結(jié)果）。另外，工程中創(chuàng)建的所有模型及模擬結(jié)果都可以保存，工程文件可以方便的重建，其結(jié)果也可以快速輸出。

由于FLAC的計算結(jié)果主要為巖體的變形破壞情況，所以該模擬結(jié)果更側(cè)重于對巖土體破壞機理的分析，為了能夠直觀的反映邊坡是否破壞的指標穩(wěn)定系數(shù)，從而在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入了強度折減法來融合了這2方面的優(yōu)點。上述將強度指標的儲備作為安全系數(shù)定義的方法是被工程界廣泛承認的一種做法。在分析邊坡的穩(wěn)定問題時，大多采用安全系數(shù)來衡量滑坡體的穩(wěn)定性，并根據(jù)安全系數(shù)采取相應(yīng)的邊坡治理措施，如削坡減載、各種擋土墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等。

3 端幫邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 地質(zhì)概況

通過地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的含水地層為寒武系、奧陶系的石灰?guī)r地層，但是在礦區(qū)的煤田內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)，所以基本不存在大量涌水的問題，礦區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件整體上屬于簡單型。礦區(qū)內(nèi)所有地層中可能會受到水影響的地層為表面的第四系黃土層以及上新統(tǒng)地層，水源為大氣降水。

煤系地層內(nèi)只有4#～9#號煤層之間部分砂巖層為含水層，而且含水層的厚度和范圍均較小。煤層的頂?shù)装鍨闈B透性差的泥巖層和砂質(zhì)泥巖層，隔水性能好，使得其它巖層幾乎處于無水狀態(tài)，僅在裂隙中少量含水。

第四系土層中，主要為黃土層，此種土壤對工程建設(shè)極為不利，在正常壓力下遇水則會產(chǎn)生較大的變形，強度急劇降低。第三系上新統(tǒng)為棕－深紅色黏土和亞黏土互層，此層厚度不大，在礦區(qū)內(nèi)零星分布，是遇水極易產(chǎn)生變形和強度降低的軟弱層。

3.2 FLAC/SLOPE邊坡數(shù)值分析

由于上部兩地層的力學(xué)強度最差，在進行邊坡穩(wěn)定性計算的過程中，通常都是最易發(fā)生滑坡失穩(wěn)的1層，所以在實際過程中設(shè)計端幫邊坡角度時，將表面的第四系黃土層邊坡角單獨設(shè)置為30°，同時為了避免黃土層在降雨時流向下部工作平盤，在上新統(tǒng)地層預(yù)留了寬度為30 m左右的保護臺階。所以從整體上來看，整個端幫構(gòu)成了一個組合臺階。

在模擬分析過程中，對模型的力學(xué)參數(shù)、模型高度均不進行改變，唯一研究對象為邊坡角度。模型的約束條件為底部在x、y方向全約束，右側(cè)設(shè)置為x方向約束，模擬采用Morl－Columb屈服準則。模型內(nèi)的巖層由上至下依次為第四系黃土層、第三系上新統(tǒng)、二疊系石盒子組、二疊系山西組、1＃煤層、夾層、2＃煤層、夾層、3＃煤層以及底部砂巖。

模型分析時，下部邊坡角的變化從35°開始，一直到55°，其中部分角度的模擬結(jié)果如圖1。

圖1 不同邊坡角度下的端幫位移矢量圖

圖1（a）～圖1（h）僅是選取了模型驗算結(jié)果中的幾幅圖形，由端幫位移矢量結(jié)果圖中可以看出，當邊坡角增大后，出現(xiàn)位移的單元塊體持續(xù)增加，位移矢量越來越密集，最大剪應(yīng)變迅速增大，而且剪切破壞區(qū)域隨著邊坡角度的增加逐漸形成貫通區(qū)域，穩(wěn)定系數(shù)則迅速下降，邊坡失穩(wěn)的概率進一步增加。

不同邊坡角端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖2。根據(jù)安全系數(shù)計算結(jié)果以及邊坡的位移矢量云圖，可以發(fā)現(xiàn)，當僅對端幫模型的坡面角進行調(diào)整時，端幫邊坡角的增加會使邊坡的穩(wěn)定性變差。當邊坡角度達到46°時，邊坡安全系數(shù)首次出現(xiàn)了小于1的狀態(tài)，所以邊坡角度達到46°時的端幫可能會立即發(fā)生滑坡失穩(wěn)，因此確定哈爾烏素露天煤礦端幫臨界設(shè)計角度為46°。當端幫邊坡角度超過47°后，安全系數(shù)的下降趨勢開始變得急劇，平均每增加1°，安全系數(shù)下降0.05～0.07。但是根據(jù)云圖的分布可以觀察到滑坡的范圍隨著邊坡角度的增加有了減小的趨勢。

圖2 不同邊坡角端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié)論

通過使用FLAC／SLOPE軟件對哈爾烏素露天煤礦南端幫進行了靠幫過程中的邊坡穩(wěn)定性分析，建立了不同角度的端幫邊坡模型，使用強度折減法詳細地研究了邊坡角從35°～55°每個角度對應(yīng)的安全狀態(tài)以及安全系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在靠幫的過程中，端幫邊坡角越大，邊坡巖體的位移量越大，剪切破壞區(qū)域逐漸形成了貫通區(qū)域，穩(wěn)定系數(shù)則迅速下降，邊坡失穩(wěn)的概率進一步增加。當邊坡角度達到46°時，已經(jīng)不再允許繼續(xù)靠幫開采。