寶清露天煤礦西端幫邊坡穩(wěn)定性研究

喬增建，徐延兵，姜海濤

（1.神華國(guó)能寶清煤電化有限公司 朝陽(yáng)露天煤礦，黑龍江 雙鴨山155600；2.北京中礦信實(shí)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院，北京100083）

目前我國(guó)露天開(kāi)采中高效回收的煤炭資源占每年煤炭總資源回收的比例達(dá)15%以上，隨著露天開(kāi)采，采場(chǎng)的垂直深度逐年增加，同時(shí)考慮到增大整體邊坡角可減少剝離成本，因此出現(xiàn)了許多高陡的邊坡。露天煤礦邊坡的穩(wěn)定受巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面、地下水、原巖應(yīng)力、爆破震動(dòng)等諸多因素的影響[1-9]，穩(wěn)定高陡的邊坡，在諸多因素的共同影響下，可失去原有的穩(wěn)定，邊坡出現(xiàn)不同程度的變形破壞，最終導(dǎo)致滑坡，因此露天煤礦在回收煤炭資源過(guò)程中，按照GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，定期開(kāi)展露天煤礦邊坡穩(wěn)定性研究工作，確保露天煤礦在回收煤炭資源過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定、人員及設(shè)備的安全。

寶清露天煤礦在回收煤炭資源過(guò)程中，在工作幫的兩側(cè)形成了外部輪廓不同的東西端幫，同時(shí)在西端幫上布置了運(yùn)輸通道，西端幫底部布置有集水明排泵房等地下水疏干系統(tǒng)，因此寶清露天煤礦西端幫邊坡的穩(wěn)定具有極其重要的意義。

1 工程地質(zhì)概況

寶清露天煤礦位于黑龍江省雙鴨山市寶清縣朝陽(yáng)鄉(xiāng)境內(nèi)，位于三江平原的南部，地形平坦，地面標(biāo)高在+67～+119 m 之間，一般為+77 m 左右。地形為西南高，東北低，地形高差不明顯，地面大部為農(nóng)田，在低洼處仍有沼澤地；該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，春秋兩季多風(fēng)，夏秋兩季多雨。

區(qū)域地層分布由老到新為：下古生界、上古生界、中生界及新生界；其中新生界第三系中-上新統(tǒng)富錦組的巖性由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、凝灰?guī)r、礫巖，褐煤所組成，煤層厚度可達(dá)15 m，與下伏寶泉嶺組為整合接觸。

區(qū)域內(nèi)地表水系較發(fā)育，主要河流為貫穿全區(qū)的撓力河，由西南流入，由東北流出，支流由西向東有大梨樹(shù)河、寶石河、柳毛河、神經(jīng)憋河、小索倫河、大索倫河、蛤蟆通河等以及一些不知名的小河流，水庫(kù)由西至東有龍頭橋水庫(kù)、大索倫河水庫(kù)和蛤蟆通水庫(kù)，另外人工排水河渠縱模交錯(cuò)，也十分發(fā)育。

根據(jù)《黑龍江省寶清縣朝陽(yáng)露天煤礦首采區(qū)專門水文與工程地質(zhì)勘查報(bào)告》，本區(qū)地層條件相對(duì)簡(jiǎn)單，只揭露第四系和第三系中-上新統(tǒng)富錦組。根據(jù)地下水賦存條件和地層組合特征，本區(qū)自上而下劃分為：頂部隔水層-上部含水層-中部隔水層-中部（煤層頂）含水層-下部（煤層底）隔水層-下部（煤層底）含水層。含水層巖性包括粉砂和微膠結(jié)粉砂巖，隔水層巖性包括黏土、砂質(zhì)黏土和弱膠結(jié)泥巖、砂質(zhì)泥巖。本區(qū)上部含水層和中部含水層之間的隔水層全區(qū)發(fā)育，中下部含水層之間存在斷層處存在水力聯(lián)系。

2 順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定原理

順層巖質(zhì)邊坡容易沿著層面發(fā)生滑移破壞，由于工程水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，致使順層巖質(zhì)邊坡存在多種破壞模式，每種的破壞模式中又分為單一滑面和多層滑面的破壞方式，目前應(yīng)用最為廣泛的仍是極限平衡法，該方法適用于單一滑面的情況，若存在多層滑面，則可采用機(jī)動(dòng)位移法進(jìn)行分析[10]。影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定的因素較多，寶清露天煤礦邊坡屬于軟巖邊坡，在回收煤炭資源過(guò)程中，不存在穿孔爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，影響寶清露天煤礦邊坡穩(wěn)定的主要因素為地下水，有必要分析地下水作用下的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定原理。

地下水是誘發(fā)邊坡滑坡主要因素，首先主要表現(xiàn)在裂隙中水長(zhǎng)期浸泡巖層，致使巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)的驟降，其次地下水增加巖土體密度相當(dāng)于下滑力增加，再次地下水對(duì)裂隙壁產(chǎn)生靜水壓力及滲透動(dòng)水壓力作用，在巖層面及巖層裂隙貫通性較好且裂隙充水情況下，靜水壓力作用下邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型如圖1。

圖1 靜水壓力作用下邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型Fig.1 Slope stability calculation model under hydrostatic pressure

按照?qǐng)D1 中的計(jì)算模型，靜水作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs可由式（1）求得：

式中：p1為裂隙靜水壓力; py為巖層面上靜水壓力；G 為上覆巖層的重力；c、φ 為巖層層間的黏聚力和內(nèi)摩擦角；θ、L 為層面的傾角和長(zhǎng)度。

3 西端幫邊坡破壞模式和邊坡穩(wěn)定性

寶清露天煤礦西端幫地表標(biāo)高78.70 m 左右，地表比較平坦，坑底標(biāo)高約10.00 m，高程差約68.70 m，單臺(tái)階高度約為10.00 m，西端幫目前共計(jì)形成6 個(gè)臺(tái)階。同時(shí)西端幫布置有排水系統(tǒng)、明排箱變及明排泵房等降水疏干設(shè)備。選用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件對(duì)寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡的破壞模式進(jìn)行分析，對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞的幾何形態(tài)進(jìn)行劃分其破壞模式比較直觀、方便，依據(jù)此種方法巖質(zhì)邊坡的破壞模式主要有平面型破壞模式、折面型破壞模式、曲面破壞模式、連續(xù)曲面型以及其組合等破壞模式。依據(jù)寶清露天煤礦西端幫臺(tái)階現(xiàn)狀，建立的典型工程地質(zhì)剖面模型如圖2。

采場(chǎng)西端幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面三維邊坡破壞模式模型的網(wǎng)格劃分如圖3，考慮到模型的邊界效應(yīng)[11]，邊坡變形破壞模式研究的典型工程地質(zhì)剖面模型長(zhǎng)447 m，模型拉伸寬度220 m，露天煤礦采場(chǎng)西端幫地表至采場(chǎng)坑底垂直距離為68.70 m，典型工程地質(zhì)剖面模型的x、y、z 三維邊界采用速度邊界條件加以固定，保持典型工程地質(zhì)剖面模型在計(jì)算時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定，使整個(gè)系統(tǒng)受力平衡。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面模型Fig.2 Profile model of typical engineering geology

圖3 邊坡破壞模式分析模型Fig.3 Analysis model of slope failure mode

在露天煤礦回收煤炭資源過(guò)程中，需要按照設(shè)計(jì)進(jìn)行邊坡的開(kāi)挖，不斷剝離煤層上覆巖層，在覆蓋礦物之上的大量巖土剝離過(guò)程中形成臺(tái)階邊坡，邊坡的變形不可避免。邊坡的變形特征直接反映了邊坡的特點(diǎn)，變形過(guò)大及變形速率過(guò)快是邊坡失穩(wěn)的重要特征，寶清露天煤礦西端幫邊坡的總變形規(guī)律及變形位移矢量如圖4。

圖4 邊坡變形位移及矢量云圖Fig.4 Displacement and vector cloud diagram of slope deformation

由圖4 可知，寶清露天煤礦西端幫邊坡的整體變形以水平位移為主；55 平盤以上至地表邊坡坡面處巖土的變形量與其他平盤的變形量相比略大，約為0.137 m；采場(chǎng)西端幫邊坡整體的變形指向礦坑。

邊坡巖體在變形擠壓過(guò)程中，先進(jìn)入彈性階段，此階段的巖體并未發(fā)生破壞，在外力逐漸減小后，巖土體的變形可以恢復(fù)原狀；若在外力繼續(xù)增加后則轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，進(jìn)入塑性狀態(tài)的巖體在外力逐漸減弱后，巖體的變形將不可恢復(fù)原狀，即巖土體進(jìn)入破壞階段，寶清采場(chǎng)西端幫邊坡破壞區(qū)域如圖5。從采場(chǎng)西端幫邊坡的彈塑性分布特點(diǎn)，可知邊坡的內(nèi)部并未形成貫通塑性帶，說(shuō)明采場(chǎng)西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 寶清采場(chǎng)西端幫邊坡破壞區(qū)域Fig.5 Failure area of the west side slope of Baoqing stope

邊坡剪應(yīng)變?cè)茍D如圖6。從采場(chǎng)西端幫邊坡的變形特征、邊坡彈塑性分布范圍，同時(shí)結(jié)合剪應(yīng)變?cè)茍D可知，采場(chǎng)西端幫邊坡煤層底板發(fā)生不同程度的剪切變形，但并未貫通。從剪應(yīng)變?cè)茍D、邊坡位移矢量云圖及邊坡的破壞范圍綜合分析可知采場(chǎng)西端幫的破壞模式為“圓弧剪切順層滑移”的破壞模式。

圖6 邊坡剪應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Cloud diagram of slope shear strain

在合理的分析寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡變形破壞模式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用我國(guó)學(xué)者研發(fā)的軟件STAB 對(duì)寶清采場(chǎng)西端幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of slope stability

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)西端幫邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，可知寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）依據(jù)寶清露天煤礦的自然狀況、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，得出寶清露天煤礦含有地下水3 層，其中上部含水層和中部含水層之間的隔水層全區(qū)發(fā)育，中下部含水層之間存在斷層處存在水力聯(lián)系。

2）依據(jù)寶清露天煤礦工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及以往勘查資料，結(jié)合寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡現(xiàn)狀及其附近基礎(chǔ)設(shè)施，建立了寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面模型。

3）在分析地下水對(duì)露天煤礦邊坡穩(wěn)定的影響基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析出采場(chǎng)西端幫邊坡的位移量及破壞范圍，最終得出采場(chǎng)西端幫邊坡的潛在破壞模式為“圓弧剪切順層滑移”的破壞模式。運(yùn)用邊坡穩(wěn)定分析軟件對(duì)潛在破壞的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出了寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。