新嶺露天礦東幫邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計

馬 可

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

邊坡穩(wěn)定性分析方法經(jīng)過多年來眾多專家學(xué)者的努力，已形成了較為成熟的理論方法與實(shí)踐技術(shù)。但對于坡體中存在弱層這一特殊地質(zhì)條件的邊坡，還存在許多亟待解決的問題，需要眾多專家學(xué)者更進(jìn)一步的研究[1]。曹蘭柱等[2]采用二維剛體極限平衡等手段對于白音華三號露天礦順傾軟弱基底的內(nèi)排土場邊坡進(jìn)行了研究，提出了內(nèi)排角度及內(nèi)排土場發(fā)展至不同工程位置對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響；繆海賓等[3]通過基底黃土孔隙水壓力消散試驗(yàn),得到了孔隙水壓力及消散度與消散時間之間影響規(guī)律，基于極限平衡法和孔隙水壓力消散規(guī)律，提出了黃土基底排土場動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)計算方法，基于該算法，對原有靜態(tài)的黃土基底排土場穩(wěn)定控制措施進(jìn)行優(yōu)化，提出了“分段排土，控制強(qiáng)度，分區(qū)推進(jìn)，調(diào)整程序，監(jiān)測監(jiān)控，增大容量”動態(tài)穩(wěn)定控制措施；皮慧芳等[4]對露天煤礦軟弱夾層賦存下順傾邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)評價，以極限平衡法，以監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、滑坡反分析、現(xiàn)場鉆探等手段，研究了軟弱夾層賦存下對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響；宋子嶺等[5]以受到蘆子溝背斜構(gòu)造影響的安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡為研究對象,基于剛體極限平衡法，確定了不同平盤寬度推進(jìn)到不同工程位置時的邊坡穩(wěn)定性；李偉[6]根據(jù)邊坡地質(zhì)資料和現(xiàn)場地表GPS 位移監(jiān)測結(jié)果，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了陰灣排土場邊坡變形破壞機(jī)理，研究了在2 種排土壓腳方案下邊坡的穩(wěn)定性，確定了陰灣排土場滑坡治理措施及后續(xù)排土方案；周永利、黃浩軒[7]等針對露天礦內(nèi)排土場在堆疊過程中的邊坡形態(tài)問題，以哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場為工程背景，應(yīng)用剛體極限平衡軟件定量分析了內(nèi)排土場堆疊至不同高度時的邊坡穩(wěn)定性及其潛在滑坡模式，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對內(nèi)排土場邊坡進(jìn)行模擬分析，揭示了內(nèi)排土場邊坡的變形破壞形式及其滑坡機(jī)理。

以黑龍江鶴崗新嶺露天礦東幫為工程背景，采用二維剛體極限平衡法與三維數(shù)值模擬方法，多角度分析其邊坡穩(wěn)定性，并根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計出最為合理的邊坡形態(tài)。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

新嶺露天礦位于小興安嶺東南支脈向北延續(xù)的低山丘陵地帶。地層為中生界白堊系上統(tǒng)石頭河子組、石頭廟子組。本區(qū)域煤系地層為中生界白堊系下統(tǒng)石頭河子組、石頭廟子組。其中第四系主要由粗砂、礫石、亞黏土、黏土、腐植土組成，總厚度20～220 m，不整合于下伏地層之上。含煤地層由灰白色礫巖、粗砂巖、灰白色中砂巖、細(xì)砂巖、深灰色粉砂巖、夾泥巖、凝灰?guī)r和煤層組成。礦區(qū)內(nèi)含水層主要為第四系孔隙潛水含水層及煤層承壓含水層。由于礦區(qū)內(nèi)曾小井林立，濫采濫掘嚴(yán)重，所以如今可采煤層大多為復(fù)采區(qū)，煤層內(nèi)以往開采過的舊巷道錯綜復(fù)雜，煤厚也因此受到影響，煤層的頂?shù)装宥鄶?shù)區(qū)域存在斷裂現(xiàn)象，裂隙較為發(fā)育。本區(qū)煤層頂?shù)装鍨? 層極薄易碎的泥巖，在地下水的作用下，泥巖易軟化，破壞其自身巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，促使邊坡發(fā)生以該弱層為底界面的切層-順層滑動。主要對東幫邊坡形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，各地層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。選取的邊坡穩(wěn)定性計算剖面如圖1。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 分析方法

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性[8]。分析巖體和土體穩(wěn)定性時假定一破壞面，取破壞面內(nèi)土體，為脫離體計算出作用于脫離體上的力系達(dá)到靜力平衡時所需的巖土的抗力或抗剪強(qiáng)度，與破壞面實(shí)際所能提供的巖土的抗力或抗剪強(qiáng)度相比較，以求得穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法。國內(nèi)常用的分析方法有：畢肖普（Bish-op）法、簡布（Janbu）法、摩根斯頓-普賴斯（Morgenstern-Price）法、薩爾瑪（Sarma）法[9]等。為此采用二維極限平衡分析軟件對新嶺露天礦東幫邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 典型工程地質(zhì)剖面

2.2 東幫邊坡穩(wěn)定性

新嶺露天礦東幫地表已到界，服務(wù)年限較長且為露天礦重要運(yùn)輸?shù)缆?，根?jù)GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范的要求，綜合確定東幫邊坡的安全儲備系數(shù)為1.2。計算了東幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性及優(yōu)化后東幫邊坡穩(wěn)定性。東幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性如圖2，邊坡高度為141.1 m，邊坡角度24°，穩(wěn)定系數(shù)為1.33。優(yōu)化后東幫邊坡穩(wěn)定性如圖3，邊坡高度148.3 m，邊坡角度26°，穩(wěn)定系數(shù)1.2。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡角的變化曲線如圖4。

由圖2、圖3 的計算結(jié)果分析出新嶺露天礦東幫邊坡的滑坡模式為以煤層底板弱層為底界面的切層-順層滑動。由圖4 可知，當(dāng)邊坡角度逐漸加陡，東幫邊坡穩(wěn)定性隨之減小，東幫邊坡穩(wěn)定性隨邊坡角的增大而減小，邊坡安全隱患問題隨之而來。因此最終確定東幫邊坡角為26°時，其邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.2，滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。此時的東幫邊坡形態(tài)為最優(yōu)形態(tài)。

圖2 東幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性

圖3 優(yōu)化后東幫邊坡穩(wěn)定性

圖4 邊坡穩(wěn)定性與不同邊坡角度關(guān)系曲線

3 邊坡數(shù)值模擬

邊坡的穩(wěn)定性評價從嚴(yán)謹(jǐn)角度來說，邊坡發(fā)生滑坡屬于空間力學(xué)問題，應(yīng)該從三維的角度來分析評價。數(shù)值模擬分析中的有限元、有限差分等方法廣泛應(yīng)用于模擬巖體發(fā)生大變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化情況[10]。將利用FLAC3D軟件建立三維模型對新嶺露天礦東幫邊坡的穩(wěn)定性及其變形破壞機(jī)理進(jìn)行模擬分析。選取邊坡角26°時的東幫邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)的極限平衡法比較FLAC3D強(qiáng)度折減的理論體系更加嚴(yán)格，相比來說強(qiáng)度折減理論更加全面的滿足了靜力平衡、應(yīng)變相容，以及巖土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。因此，利用FLAC3D軟件的強(qiáng)度折減法原理，計算東幫邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的穩(wěn)定系數(shù)為1.21。數(shù)值模擬結(jié)果云圖如圖5。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖5 中可以看出邊坡的滑動力主要來自于上覆巖層重力的分力產(chǎn)生下滑力，下滑力抵抗抗滑力在邊坡的臨空面產(chǎn)生位移。從最大位移云圖及剪切應(yīng)變增量云圖可以看出，邊坡整體穩(wěn)定性較好，個別臺階位移較大且存在應(yīng)力集中，在生產(chǎn)中通過控制臺階邊坡角進(jìn)而控制單臺階穩(wěn)定性。從垂直應(yīng)力云圖可以看出，邊坡在自重應(yīng)力及泊松效應(yīng)的影響下，隨著埋深增加逐漸增大且順著坡面方向呈層狀一直延伸到坡腳處。東幫邊坡的滑坡機(jī)理為：弱層由于受到上部巖體的擠壓產(chǎn)生塑性屈服，當(dāng)與上部巖體產(chǎn)生的裂隙貫通后，坡體內(nèi)部滑動帶形成，帶動滑體發(fā)生剪切變化，即滑體沿著弱層的方向滑出。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬軟件的計算結(jié)果與極限平衡分析軟件分析的結(jié)果相互印證。

4 結(jié)語

1）新嶺露天礦東幫的穩(wěn)定性與其煤層底板賦存的弱層有關(guān)，其發(fā)生滑坡的形式為上部產(chǎn)生裂隙與下部弱層貫通，并沿著弱層滑出。東幫邊坡穩(wěn)定性隨邊坡角增加而降低。

2）對新嶺露天礦東幫邊坡進(jìn)行了形態(tài)優(yōu)化設(shè)計，最終確定東幫邊坡角為26°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.2，此時的東幫邊坡形態(tài)為最優(yōu)形態(tài)。

3）東幫邊坡的滑坡機(jī)理為：弱層由于受到上部巖體的擠壓產(chǎn)生塑性屈服，當(dāng)與上部巖體產(chǎn)生的裂隙貫通后，坡體內(nèi)部滑動帶形成，帶動滑體發(fā)生剪切變化，即滑體沿著弱層的方向滑出。