露天礦端幫邊坡形態(tài)優(yōu)化

黃浩軒

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

邊坡穩(wěn)定性與露天礦的安全生產(chǎn)息息相關(guān)。近年來，隨著露天礦產(chǎn)量和規(guī)模的不斷擴大，露天礦端幫不斷加高加陡，隨之而來的邊坡穩(wěn)定性問題也日漸凸顯[1]。露天礦端幫邊坡穩(wěn)定性問題及防治措施逐漸成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點，如曹蘭柱[2]等對勝利西二露天煤礦西端幫逆傾軟巖邊坡工程，采用剛體極限平衡軟件和數(shù)值模擬軟件FLAC3D相結(jié)合的方法，通過不斷調(diào)整邊坡參數(shù)，研究分析了不同留設(shè)煤柱長度到界邊坡滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計了勝利西二露天煤礦西端幫最終邊坡形態(tài)；王東[3]等針對黑山露天煤礦底幫上賦存大量穩(wěn)定性極差的燒變巖且含Y 字形弱層的邊坡失穩(wěn)與破壞問題，采用剛體極限平衡法從二維角度確定了底幫邊坡的形態(tài)參數(shù)，研究了含Y 字形弱層順傾層狀邊坡留煤柱和不留煤柱的2 種設(shè)計方案；劉震[4]以河曲露天礦為工程背景，采用Geo-studio 邊坡穩(wěn)定性計算軟件對其2018—2020 年端幫邊坡穩(wěn)定性進行了計算，并根據(jù)計算結(jié)果對其端幫運輸?shù)缆愤M行了優(yōu)化設(shè)計，并提出相應(yīng)加固措施；王東[5]等為解決三道嶺露天礦西采區(qū)南幫逆傾軟巖邊坡滑坡規(guī)模大、治理困難的問題，基于已有監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了最危險滑坡區(qū)域范圍，通過滑坡變形反分析，確定了巖土體物理力學(xué)參數(shù)，基于極限平衡法及數(shù)值模擬方法，研究了不同壓幫高度條件下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，提出了逆傾軟巖邊坡變形治理措施，根據(jù)壓幫后監(jiān)測數(shù)據(jù)，對南幫邊坡治理效果進行了評價；陳爽[6]等以順興露天礦西幫為工程背景，研究分析了拉裂縫發(fā)育程度對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了錨索加固結(jié)合掛網(wǎng)噴漿防護的治理措施建議，防止裂隙繼續(xù)向下部巖層延伸擴展，并建議在端幫上裂隙的控制區(qū)域進行GPS 監(jiān)測；陳亞飛[7]等以國內(nèi)某露天煤礦為依托進行邊坡穩(wěn)定性研究，通過現(xiàn)場測試與室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗，獲得某露天礦南端幫巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，結(jié)合滑坡反分析方法，確定邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)，通過建立工程地質(zhì)模型，利用極限平衡法分析南端幫邊坡穩(wěn)定情況，并提出邊坡變形破壞綜合治理措施。

1 礦山概況

寶日希勒露天礦位于海拉爾河以北，莫勒格爾河?xùn)|南的楔型地帶。礦區(qū)內(nèi)無河流湖泊等水資源組聚積的區(qū)域存在，區(qū)外僅有少量濕地。露天礦開采境界南部以南7 km 處有海拉爾河，開采境界西北處3 km 有莫勒格爾河。該區(qū)地層第四系廣泛覆蓋，區(qū)內(nèi)發(fā)育地層由老至新為顏家溝群、龍江組、甘河組、南屯組、大磨拐河組、第四系。主要可采煤層3 層，平均厚度22.11 m，資源儲量39 188 萬t。

露天礦現(xiàn)場人員在巡視過程中，發(fā)現(xiàn)東幫地表有長約400 m 的裂縫。整體走向為東北-西南走向，裂隙長度約400 m，裂隙寬度約0～30 cm，在東幫610 平盤處發(fā)現(xiàn)多處出水點，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研與以往資料判斷610 平盤處軟弱夾層是東幫產(chǎn)生裂隙的主要因素。潛在滑坡模式為以該演化弱層為底界面的切層-順層滑動。典型工程地質(zhì)剖面如圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面

2 巖體物理力學(xué)參數(shù)反分析

反分析即是基于邊坡在臨滑時處于臨界狀態(tài)對參數(shù)進行估算的。反分析也稱之為反演，是巖土工程領(lǐng)域尤其是邊坡工程領(lǐng)域確定巖土體及弱層抗剪強度參數(shù)的行之有效的方法之一[8]。由于滑體受到自身重力的作用，滑體前緣先滑動生成了動載荷，致使滑體后緣再發(fā)生滑動。該方法是通過恢復(fù)已破壞邊坡的原始狀態(tài)，在分析其變形破壞機理的基礎(chǔ)上，建立極限平衡方程[9]。對于該露天礦參照以往的地質(zhì)成果與傳統(tǒng)反分析方法，假定弱層黏聚力為0 kPa，弱層的密度為1.9 t/m3；擬定弱層的內(nèi)摩擦角為φ，不斷折減弱層的內(nèi)摩擦角，直至當(dāng)邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)介于0.95～0.96 之間時，此時的弱層的內(nèi)摩擦角記為φ 弱層。通過參數(shù)反分析得出的巖體物理力學(xué)參數(shù)能夠更好地反應(yīng)當(dāng)下的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。分別計算了φ 弱層為10°、9°、8°、7°時的邊坡穩(wěn)定性，由計算結(jié)果可知，當(dāng)φ 弱層=8°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.953，介于0.95～0.96 之間。最終確定的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 邊坡穩(wěn)定性

露天礦邊坡變形治理措施共可整理為3 種措施：削坡減載減小下滑力、在坡腳處排棄廢棄物料增加抗滑力；改變邊坡內(nèi)部各地層巖石強度，使其更為穩(wěn)定；在適當(dāng)位置建造支擋物如抗滑樁、擋墻等。由于東幫裂隙較長，發(fā)展速度較快，又由于坑底有煤炭資源，故選擇削坡減載的措施進行治理。根據(jù)GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，東幫服務(wù)年限較長，且上部存在運輸?shù)缆罚x取東幫邊坡的安全儲備系數(shù)為1.2。分別計算了東幫地表向東推進50、100、150、200 m 時的邊坡穩(wěn)定性[10-12]。不同推進距離時的東幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖2，推進距離與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系曲線如圖3。

圖2 不同推進距離時的東幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖3 推進距離與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系曲線

通過計算結(jié)果可知露天礦東幫邊坡的滑坡模式為以610 平盤處弱層為底界面的切層-順層滑動。通過推進距離與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系曲線圖當(dāng)東幫地表向東推進的距離逐漸增加時，東幫邊坡的穩(wěn)定性越來越好，但隨著推進距離增加至一定程度時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)增長速度逐漸變緩。當(dāng)東幫地表向東推進100 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.251，滿足安全儲備系數(shù)的要求，此時的東幫邊坡形態(tài)為最優(yōu)形態(tài)。

4 結(jié)語

1）610 平盤處的弱層是影響該露天礦東幫邊坡穩(wěn)定性的主要因素，潛在滑坡模式為以610 平盤處弱層為底界面的切層-順層滑動。東幫邊坡穩(wěn)定性隨推進距離增加而更為穩(wěn)定。

2）對于該露天礦參照以往的地質(zhì)成果與傳統(tǒng)反分析方法，通過計算不同內(nèi)摩擦角時的邊坡穩(wěn)定性，最終確定弱層的黏聚力為0 kPa，密度為1.9 t/m3，內(nèi)摩擦角為8°。

3）對露天礦東幫邊坡進行了形態(tài)優(yōu)化設(shè)計，最終確定當(dāng)東幫地表向東推進100 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.251，滿足安全儲備系數(shù)的要求，此時的東幫邊坡形態(tài)為最優(yōu)形態(tài)。