大南湖露天礦邊坡變形破壞機理研究

陸衛(wèi)國

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖二礦，新疆哈密 839000）

研究露天煤礦邊坡變形破壞機理對減少滑坡事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失有著重要的現(xiàn)實意義[1－2]，很多學(xué)者對此進行了研究。張艷博等[3]采用MSARMA法對邊坡穩(wěn)態(tài)影響因子敏感性進行分析，得到了影響邊坡穩(wěn)定的誘發(fā)因素和環(huán)境因素；曹蘭柱等[4－5]從控制邊坡穩(wěn)定性角度出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬提出了解決邊幫壓煤問題的開采方法，同時基于強度折減原理，利用FLAC3D模擬分析出斷層變化下邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，闡明了邊坡變形破壞機理；王東等[6－7]通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以及滑坡變形反分析，利用極限平衡法和數(shù)值模擬方法得到了不同壓幫高度條件下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。近年來，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件在邊坡變形破壞分析、邊坡參數(shù)優(yōu)化和邊坡穩(wěn)定性分析等方面得到了廣泛的應(yīng)用[8－9]，為此，在這些研究基礎(chǔ)上通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，選取大南湖礦非工作（東北）幫邊坡、東幫和南幫的各1個剖面，分別建立計算模型，在此基礎(chǔ)上分析邊坡巖土體位移、變形和應(yīng)力情況。

1 工程概況

大南湖礦區(qū)西區(qū)位于國家大型煤炭基地新疆基地吐哈區(qū)東部，屬大陸溫帶極干旱氣候區(qū)，全年降水量不足50 mm，地層分布自下而上依次為：下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）、中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）、古近系、新近系、第四系。礦田構(gòu)造基本由1組北東向和近南北向的褶曲組成，伴有少量斷層，未見巖漿巖影響。2019 年底大南湖二礦已降深至+335 m水平，露天礦平均垂深120 m，目前采場東北幫已形成12 個到界臺階、東幫已形成8 個到界臺階、南幫已形成4 個到界臺階，個別到界臺階形成時間已超過3 年，且目前距采場東北幫開采境界約50 m 處為高度約100 m 的陡坡、距東幫地表境界約250 m 處為設(shè)計排棄高度60 m 的外排土場、距采場南部邊界約200 m 處為儲量約5 000 萬的燒變巖賦水區(qū)域，這些自然條件均對邊坡穩(wěn)定不利。隨著開采深度、時間、產(chǎn)量規(guī)模的不斷增加，邊坡穩(wěn)定性問題愈發(fā)突出，邊坡穩(wěn)定與否將直接影響露天礦生產(chǎn)的連續(xù)性，人員、設(shè)備與周邊設(shè)施安全。

2 露天礦邊坡破壞模式與特征

2.1 邊坡變形破壞模式

露天礦坑周圍邊坡在剝離開采過程中會產(chǎn)生變形破壞，按其發(fā)生形態(tài)可分為剝落、崩落、滑動、沉降、流動等幾種基本形態(tài)。

1）剝落破壞模式。是指臺階頂面附近存留的破碎，穩(wěn)定性低的泥土和巖石，在風(fēng)化、爆破作用和運輸機械等振動作用下，這些破碎泥巖土破壞失穩(wěn)并沿坡面滾落堆積在坡底附近。露天礦邊坡破壞經(jīng)常出現(xiàn)這種現(xiàn)象，尤其是在巖石強度比較低的礦山中更為常見。

2）崩落破壞模式。是指邊坡上存在的各種形狀的土體、巖塊，當(dāng)這些物質(zhì)向下移動、坍塌和翻滾，引起彼此之間的相對位移，由于巖體內(nèi)部存在一定傾角節(jié)理，層理等結(jié)構(gòu)面，形成崩落現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)展速度不一，大多數(shù)情況下比較突然。

3）滑動破壞模式。是指邊坡巖體和土體沿其內(nèi)部某一固定面、帶或沿其基地面進行整體移動。一般來說，滑動破壞模式周期時間不一，短則幾十分鐘，長則幾個月甚至幾年時間?；瑒映跗趲r體變化速度慢，直至解體至完全崩落?；瑒悠茐哪Ｊ奖憩F(xiàn)形式有平面滑動、楔體滑面、圓弧形滑面等，一般來說，露天礦邊坡破壞形態(tài)由幾種不同類型形態(tài)組合形成。

4）沉降破壞模式。是指邊坡上原有松散土巖結(jié)構(gòu)在其自重或者設(shè)備機械產(chǎn)生的壓力及重力作用下產(chǎn)生的豎直方向的下沉變形破壞，沉降變形一般常出現(xiàn)于排土場邊坡結(jié)構(gòu)中。

5）流動破壞模式。是指飽水的松軟土巖以4°～6°甚至更緩的坡角沿臺階表面、基巖面或地面溝谷呈流動移動，流動多發(fā)生在排土場。

2.2 邊坡破壞的表現(xiàn)特征

1）邊坡產(chǎn)生滑體現(xiàn)象，前端隆起突出，受上部滑體部分的擠壓使得較軟弱夾層產(chǎn)生流變性，滑體前端呈現(xiàn)波浪狀凸出部分，隨著凸出部分高度的增加，自凸出脊梁處開始產(chǎn)生破壞并逐漸增大，以致破壞區(qū)域向四周延展，突破鋪著黃土的阻抗，整個滑面（帶）被貫通，“空洞化”迅速形成，填完后物體，形成整體的滑坡。

2）根據(jù)滑體內(nèi)部位移向量的變化特征，可根據(jù)其特征，從上到下將其分為3 個不同的區(qū)間：上部主動段、中部過渡段、前緣隆起期。

3）滑坡變化過程，根據(jù)其發(fā)育變化特征將其發(fā)育變化過程整體壓縮階段、裂隙生成階段、擠壓階段、滑移階段、劇滑階段和固結(jié)階段6 個不同的發(fā)育階段。

3 露天礦邊坡破壞數(shù)值計算結(jié)果

結(jié)合該礦實際情況和露天礦邊坡破壞模式與特征分析，有針對性的選取了非工作（東北）幫邊坡、東幫和南幫各1 個剖面，使用FLAC3D分別建立計算模型模擬分析邊坡巖土體位移、變形和應(yīng)力情況。

3.1 非工作幫（東北幫）邊坡破壞模式

非工作（東北）幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖1，非工作（東北）幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖2。

非工作（東北）幫的變形主要在原風(fēng)化形成的邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，沿巖土分界層發(fā)生滑動。在非工作幫邊坡開挖區(qū)域形成邊坡，沿坡面出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)未形成明顯的位移變形區(qū)域。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖（圖2（g））中在開挖區(qū)域形成速度變形區(qū)域，而總位移（圖2（a））及水平位移（圖2（b））中邊坡未見該區(qū)域的變形，通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形如（圖2（h）），開挖引起應(yīng)力釋放，形成位移變形，當(dāng)對邊坡變形影響較小。因此，非工作（東北）幫滑動危險區(qū)域為，原地表邊坡，滑動模式為沿基底巖層滑動。

3.2 工作幫（東幫）邊坡破壞模式

東幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖3，東幫2019年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖4。

圖1 非工作（東北）幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖2 非工作（東北）幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

圖3 東幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖4 東幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

東幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，主要以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面。剪應(yīng)力在邊坡坡腳有出露趨勢，但未形成明顯的集中現(xiàn)象。在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖略中在形成大范圍的速度變形區(qū)域，而總位移（圖4（a））及水平位移（圖4（b））中僅在邊坡坡腳出現(xiàn)大變形；通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形圖略，與總位移和水平位移出現(xiàn)區(qū)域吻合，因此，東幫變形區(qū)域主要為開挖引起的位移變形；但邊坡速度云圖中，巖層出現(xiàn)變形區(qū)域大于位移變形區(qū)域。

3.3 工作幫（南幫）邊坡破壞模式分析

南幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖5 與南幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖6。

圖6 南幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖6 南幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

南幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，主要以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖（圖6（f））和水平位移（圖6（b））中在形成大范圍的速度變形區(qū)域，而總位移（圖6（a））在邊坡坡腳開挖區(qū)域形成豎直向的位移變形；通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形見（圖6（g））所示，與水平位移和速度云圖出現(xiàn)區(qū)域吻合。因此，南幫變形區(qū)域主要為開挖引起的位移變形。

4 結(jié)論

根據(jù)礦區(qū)2019 年對非工作（東北）幫、東幫和南幫邊坡數(shù)值模擬可知，礦區(qū)主要變形為剝離開采引起應(yīng)力釋放造成的位移變形，邊坡均為形成明顯的滑動模式。①非工作（東北）幫的變形主要在原始地表風(fēng)化形成的邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，非工作（東北）幫滑動模式為沿基底巖層滑動；②東幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面，現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形趨勢；③南幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形趨勢。