露天礦順層軟巖邊坡開挖變形特征與參數優(yōu)化研究

鐘曉勇，劉博文，陳俊彬，王振偉，汪云川

(1.呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083；3.北方工業(yè)大學，北京 100041)

在露天開采過程中，邊坡巖體的穩(wěn)定性問題是整個礦山開采過程中的核心問題，而確定合理的邊坡角是問題的關鍵。由于邊坡在開挖過程中，應力平衡狀態(tài)受到破壞，邊坡發(fā)生位移和應力的變化，從而使得應力重新分布直至達到新的平衡狀態(tài)，在同一邊坡高度情況下，邊坡角不同，產生的位移和應力釋放程度也不同，進而對邊坡穩(wěn)定性的影響程度也存在明顯差異。目前，已有不少專家學者進行了研究。房智恒等[1]采用有限差分強度折減法邊坡穩(wěn)定性進行了研究，提出有限差分強度折減法適用于弧狀邊坡的穩(wěn)定性分析方法；杜時貴等[2]構建了近期靜態(tài)精度與評價期靜態(tài)設計安全系數、長期動態(tài)精度與服務期動態(tài)設計安全系數的關系，為邊坡設計安全系數的不確定性問題提供了一種確定性解決方案。曹蘭柱等[3]以扎哈淖爾露天礦南幫邊坡為工程背景，基于強度折減法，應用FLAC3D數值模擬軟件探討了開挖位置、開挖坡角和內排追蹤距離不同時南幫邊坡的變形破壞機制和邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過分析和總結相關學者的研究成果[4-13]，采用數值分析法和極限平衡法對邊坡變形特征和不同邊坡角的邊坡穩(wěn)定性進行了研究，以提出科學可靠的邊坡角優(yōu)化設計方法。

1 研究背景

蒙東地區(qū)有千萬噸級大型露天煤礦20余座，普遍為順層軟巖邊坡，其工程地質特征具有如下共性：煤系地層主要由砂礫巖、砂巖、泥巖、煤層組成，各巖層成巖時間較短，膠結程度較弱，巖石顆粒間多為泥質膠結，泥巖中蒙脫石、高嶺土、伊利石等黏土礦物含量較高，遇水易膨脹、崩解，且層理、節(jié)理和微裂隙比較發(fā)育，成坡后受應力重分布影響表現出強烈的擴容和應變軟化及持續(xù)流變特征，進而導致邊坡穩(wěn)定性較差。而蒙東地區(qū)各礦區(qū)初步設計中給出的極限邊坡角多為26°，但多年工程經驗表明：當巖層面與邊坡面順傾時，在地表降水入滲和地下水的共同作用下，邊坡角在接近極限邊坡角時即出現明顯滑坡征兆或發(fā)生滑坡，為了保證安全，現狀邊坡角多數低于或遠低于極限邊坡角，而過于保守的邊坡角必然會造成煤炭資源的浪費，因此非常有必要對于含水順層軟巖邊坡的變形特征展開研究，并探討科學可靠的方法對邊坡參數進行優(yōu)化分析，給出科學合理的穩(wěn)定邊坡角。

以東明露天礦為研究對象，該礦屬于蒙東地區(qū)典型順層軟巖邊坡，南端幫曾發(fā)生過較大規(guī)模的順層滑坡。地質調查結果表明：南幫現狀邊坡角約為17°，巖土接觸面傾角為9°～12°，目前整體邊坡高度約為100m。自上而下主要由第四系表土、砂礫、夾礫黏土層、煤系地層的砂巖、砂質泥巖、煤層以及下部地層等構成。邊坡內部存在多層軟弱巖層，巖性為泥類巖，多賦存于各煤層頂、底板和煤層間，裂隙面光滑，厚度2～25cm不等，呈不整合接觸。第四系砂礫層為透水層，其下部賦存的厚度不均的夾礫黏土層為典型弱層，由于地表水入滲長期處于飽和狀態(tài)，使得巖石的工程地質性能弱化，對南端幫邊坡穩(wěn)定構成極其不利影響。由于該區(qū)域煤層厚度較大，較緩的邊坡角在保證邊坡穩(wěn)定的同時，也造成了大量的煤炭資源浪費，因此，亟需開展南幫邊坡變形失穩(wěn)規(guī)律研究，在探明變形失穩(wěn)機理的基礎上展開邊坡參數的優(yōu)化分析，為解放邊幫壓滯資源提供科學指導。

2 地下水作用下順層軟巖邊坡的變形破壞特征研究

2.1 基于FLAC3D的邊坡變形破壞模式分析

2.1.1 模型構建

基于東明露天礦南端幫邊坡地質勘查成果，選取典型工程地質剖面建立工程地質研究模型，如圖1所示，采用有限差分計算程序FLAC3D進行邊坡變形破壞模式的數值分析計算。計算過程中綜合考慮地下水、順傾弱層對邊坡穩(wěn)定的影響。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以Y方向位移約束，模型左、右邊界以X方向位移約束，模型的底部邊界以Z方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統的受力平衡。初始地應力場平衡選用elastic model彈性準則，邊坡巖土體開挖過程中的變形力學行為采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb屈服準則描述：

式中，σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；c為粘結力，kPa；φ為摩擦角。當fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。

地下水對邊坡變形失穩(wěn)的影響通過孔隙水壓力施加于模型。通過計算并分析邊坡水平位移、豎直位移、增量剪應變和塑性區(qū)分布云圖，確定邊坡潛在滑動部位與滑面形狀，并依此預計邊坡總體變形破壞趨勢。

圖1 南端幫邊坡典型工程地質模型

2.1.2 巖土體力學參數確定

根據南端幫工程地質條件，在以往巖土體物理力學性質研究成果基礎上，通過巖石物理力學測試和弱層參數滑坡反分析，對各項巖層參數指標進行工程類比，獲得適用于本次研究的巖土體物理力學性質參數，見表1。

表1 巖土體物理力學參數表

模型中影響邊坡整體穩(wěn)定性的軟弱夾層主要為煤層第四系底部的夾礫黏土層。該弱層強度低，塑性強，含水率近飽和。通過對南端幫邊坡整體大變形區(qū)域進行反分析計算，獲得該弱層粘聚力和內摩擦角分別為C=5.2kPa，φ=12°，抗剪強度指標遠低于其他地層。

2.1.3 邊坡變形失穩(wěn)模式分析

基于FLAC3D的東明露天礦南幫邊坡變形破壞模式分析結果如圖2—圖4所示。

圖2 邊坡增量剪應變計算結果

圖3 邊坡塑性區(qū)分布計算結果

圖4 邊坡水平和豎直位移計算結果

邊坡增量剪應變計算結果如圖2所示，由圖2可知，邊坡增量剪應變最大的位置發(fā)生在夾礫黏土層內部，這是由于邊坡開挖引起礦坑周邊地應力重新分布，夾礫黏土層上部巖土體抗剪強度較小，長期的蠕滑變形誘發(fā)其內部產生豎向張拉裂隙，第四系砂礫含水層水體沿此通道逐漸向下滲流至夾礫黏土層，水體受其較強的隔水性限制，只能沿順傾弱面流向礦坑，該過程導致弱層內部含水率逐漸增大，抗剪強度顯著降低，最終誘發(fā)上部土體沿弱層的順層滑動失穩(wěn)。現場工程地質調查與測繪結果表明夾礫黏土層標高位置邊坡面存在多處出水點，理論分析與實測結果基本吻合。

邊坡塑性區(qū)分布計算結果如圖3所示，由圖3可知，夾礫黏土層已經完全進入屈服狀態(tài)，其上部表土層和砂礫層也出現了不同程度的屈服破壞。邊坡水平和豎直位移計算結果如圖4所示，由圖4可知，夾礫黏土層上部巖土體存在整體沿該弱層發(fā)生朝向臨空面滑動的趨勢，潛在滑體前緣水平移動變形量最大、后緣豎向沉降變形比較明顯，最終因受拉而與后方巖土體脫離。這種條件下，若要安全采出端幫壓煤，必須開展專門的邊坡工程地質勘查與穩(wěn)定性評價工作，客觀分析地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，最后通過優(yōu)化分析給出合理邊坡角。

數值分析結果表明，地下水影響條件下東明露天礦南幫邊坡整體變形失穩(wěn)模式為“坐落—滑移”順層滑動模式，整體變形以朝向臨空面方向的水平位移為主，邊坡上部臺階豎向位移相對較大，產生坐落式沉降變形，在未開采邊幫壓煤條件下邊坡處于勻速蠕動變形階段，整體穩(wěn)定狀況良好。

2.2 地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

水是誘發(fā)含弱層順傾邊坡失穩(wěn)的關鍵因素之一，水與巖土體之間的相互作用主要體現在物理、化學和力學三個方面。水對巖土體產生的物理作用主要體現在水對軟弱巖石的軟化作用方面，軟巖多含有蒙脫石、伊利石等礦物，具有較強的親水性，遇水會發(fā)生強烈的膨脹和崩解，導致抗剪強度減小。水對巖體的力學作用是指靜水壓力和動水壓力對巖土體的力學性質施加影響，靜水壓力是作用于液體與固體的接觸面上的法向面力，靜水壓力使飽水巖體受到浮力而產生浮重，減小巖土體的有效應力而降低巖土體的強度，在裂隙巖體中的孔隙靜水壓力垂直于裂隙壁，可使裂隙產生垂向變形，減小裂隙面的摩擦力。當水在巖土體中的裂隙流動時，施加于所流經的巖石顆粒上的壓力稱為動水壓力，動水壓力平行于裂隙壁，促使裂隙產生切向變形。以上因素均會導致邊坡的穩(wěn)定性下降，甚至誘發(fā)沿弱面的變形失穩(wěn)。

為了進一步探明地下水對端幫邊坡穩(wěn)定性的影響程度，結合現場實際，采用Geo-Studio極限平衡分析軟件對南幫邊坡現狀穩(wěn)定性進行了計算，計算過程分為考慮地下水影響和不考慮地下水影響兩種工況，計算方法采用畢肖普法和Spencer法。典型位置穩(wěn)定系數計算結果如圖5所示。計算結果匯總見表2。

表2 現狀邊坡穩(wěn)定性分析結果匯總表

圖5 典型位置邊坡穩(wěn)定性分析結果

分析可知，在不考慮地下水的影響時，邊坡各位置穩(wěn)定性系數為1.35～1.55，當考慮地下水的影響時，穩(wěn)定系數為1.23～1.64。地下水的存在導致各典型位置邊坡穩(wěn)定性系數分別降低8.88%、20.73%和11.61%，地下水對沿夾礫黏土層發(fā)生滑動的邊坡穩(wěn)定性系數影響程度最大，說明存在軟弱結構面時，邊坡穩(wěn)定性計算與參數優(yōu)化必須考慮水體對結構面巖土體抗剪強度的弱化影響。

3 合理邊坡角優(yōu)化設計

3.1 安全系數確定

本次評價研究中邊坡穩(wěn)定安全系數主要依據《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》[14]和《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[15]，同時結合研究區(qū)域邊坡類型及對邊坡工程地質條件綜合確定。東明露天礦南端幫邊坡屬于非工作幫邊坡，由于內排土場能夠隨剝采作業(yè)及時跟進，邊坡服務年限小于10a，因此確定安全系數小于1為不穩(wěn)定狀態(tài)，在1.0～1.05之間為欠穩(wěn)定狀態(tài)，1.05～1.15為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 極限穩(wěn)定邊坡角的確定

在現有資料的前提下對該區(qū)域邊坡進行參數優(yōu)化分析，給出極限穩(wěn)定邊坡角，在保證安全的前提下，實現效益最大化。由上述邊坡變形破壞特征分析得知，邊坡在開挖過程中主要受第四系下部夾礫黏土層控制，整體滑移破壞模式為沿軟弱巖土層的順層滑動，因此本次主要是計算分析沿夾礫黏土層順層滑動邊坡的安全系數，計算方法選用有限元強度折減法和極限平衡法相結合的方式。

強度折減法是將邊坡巖土體的抗剪強度參數C、φ按相同比例Ftrail進行折減，使得巖土體物理力學性狀不斷劣化，直至邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。邊坡發(fā)生破壞時的強度折減程度即安全系數Ftrail就代表了實際邊坡的安全穩(wěn)定程度。通過有限元強度折減法對不同工況的邊坡安全系數計算結果如圖6所示。由圖中可知，靠幫開采過程中，邊坡整體安全系數均小于1.2，處于存在風險狀態(tài)，隨著邊坡角的不斷增大，邊坡穩(wěn)定性呈現出不斷下降的趨勢，在邊坡角為22°時，邊坡的安全系數為1.05，為臨近失穩(wěn)狀態(tài)，在邊坡角為23°時，邊坡安全系數已經小于1，邊坡失穩(wěn)。

圖6 不同開挖工況條件下的邊坡強度折減系數

極限平衡理論的主要思想是將滑動土體進行條分，由極限狀態(tài)下土條所受力和力矩的平衡來分析邊坡穩(wěn)定性，它是目前應用最多的一種分析方法，由于滑動模式為順層平面滑動，所以選擇斯賓塞法進行計算。通過極限平衡法得到不同工況下的邊坡安全系數計算結果如圖7所示。由圖7可知，靠幫開采過程中，邊坡整體安全系數均小于1.15，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著邊坡角的不斷增大，邊坡穩(wěn)定性呈現出明顯下降趨勢，在邊坡角為22°時，邊坡的安全系數為1.009，為暫時穩(wěn)定—變形狀態(tài)，在邊坡角為23°時，邊坡安全系數已經小于1，邊坡失穩(wěn)。

圖7 不同開挖工況條件下的邊坡極限平衡法安全系數

采用上述兩種方法對南端幫不同開挖工況下的邊坡穩(wěn)定性進行計算及對比分析結果表明，相對極限平衡法而言，有限元強度折減法計算得到的邊坡穩(wěn)定系數對計算參數的變化更加敏感，在不同邊坡角度時變化幅度較大，而極限平衡方法計算得到的邊坡安全系數隨邊坡角的變化程度不明顯。這是因為有限元強度折減法側重于邊坡體內的應力和應變關系，得到的安全系數相對較離散，而極限平衡法側重邊坡滑坡時力和力矩的平衡，計算結果更具有指導意義。兩種計算方法得出的邊坡安全系數以及安全系數隨邊坡角度變化的趨勢基本一致，根據上述計算結果和分析，確定靠幫開采時最終合理邊坡角為22°。

4 結 論

1)地下水是含弱層順傾邊坡穩(wěn)定性的關鍵影響因素，在地下水的作用下，東明露天礦南幫邊坡穩(wěn)定性逐漸由受煤層頂板軟質泥巖控制調整為受第四系下部夾礫黏土層控制，邊坡破壞模式為“坐落—滑移式”，地下水的存在導致南幫各典型位置邊坡穩(wěn)定性系數分別降低8.88%、20.73%和11.61%，尤以夾礫黏土層位置的穩(wěn)定性系數變化最為明顯。

2)采用極限平衡法和有限元強度折減法進行邊坡角優(yōu)化的結論相對比較吻合，而極限平衡法側重邊坡滑坡時力和力矩的平衡，計算結果更具有指導意義。由于軟巖邊坡變形的時效性，在保證開挖后內排及時跟進的前提下，最終確定極限穩(wěn)定邊坡角為22°。

3)提出以“有限差分方法確定邊坡滑移破壞模式和變形破壞特征，然后極限平衡法和有限元強度折減法優(yōu)化合理邊坡角”的優(yōu)化方法，該方法能夠科學合理地確定最優(yōu)邊坡角，同時對于類似工況邊坡具有借鑒意義。