露天礦軟巖復(fù)合邊坡變形機理分析

厲美杰，喬 麗，田 宇，杜海瑞

(1.北方爆破科技有限公司 北京 100097；2.中國北方車輛研究所 北京 100072；3.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司 陜西 西安 710054;4.中國礦業(yè)大學(xué)( 北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

研究的露天煤礦可采及局部可采煤層共21層，現(xiàn)開采深度70 m，隨著采深的增加，礦坑?xùn)|幫邊坡與外排土場共同構(gòu)成一個高大的復(fù)合邊坡。同時該礦巖性較軟，存在多處弱層，構(gòu)成高大軟巖復(fù)合邊坡[1]。隨著我國露天煤礦開采深度逐漸向100 m深度發(fā)展，普遍存在有軟巖復(fù)合邊坡，邊坡變形問題逐漸凸顯，因此，研究露天礦軟巖復(fù)合邊坡的變形機理對邊坡滑移的預(yù)防和控制具有指導(dǎo)意義。關(guān)于軟巖邊坡的研究，王建良等[2]對軟巖邊坡的力學(xué)性質(zhì)及變形進行了研究；羅敏等[3]論述了軟巖的蠕滑特征；吳維[4]對降雨、邊坡高度和坡角對軟巖邊坡的影響進行研究；徐國民[5]對軟巖邊坡的滑坡模式及防治工程進行分析并互相驗證；楊溢[6]以小龍?zhí)恫颊訅蔚V軟巖邊坡為背景，研究了礦山爆破對蠕滑邊坡的影響。關(guān)于復(fù)合邊坡的研究，朱強等[7]對巖、土復(fù)合邊坡的滑移模式進行了分析。張蓮花等[8]對巖-土復(fù)合邊坡安全性進行研究并確定危險滑移面。周中等[9]得出雨水進入坡體后，復(fù)合邊坡的位移隨時間變化規(guī)律。楊宏海以扎泥河露天煤礦端幫與外排土場構(gòu)成的復(fù)合邊坡為研究背景，得出滑坡破壞機理[10]； 對于單一邊坡變形機理及穩(wěn)定性國內(nèi)外做過許多研究，并取得相應(yīng)成果。而對于軟巖、復(fù)合邊坡的綜合性研究較少，其變形機理的研究成果也比較有限?；诖?著重對軟巖復(fù)合邊坡的變形機理、潛在滑移模式等進行深入研究，并提出穩(wěn)定型邊坡蠕滑機理。

1 邊坡模擬方案設(shè)計

考慮不同排土高度及排土場與東幫距離情況下的邊坡變形機理，制定以下4組方案，見表1。邊坡結(jié)構(gòu)及模擬監(jiān)測點布置如圖1所示。

表1 方案設(shè)計

圖1 邊坡結(jié)構(gòu)及模擬監(jiān)測點布置

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方法及計算參數(shù)

邊坡數(shù)值模擬采用三維快速拉格朗日法，模擬軟件選擇FLAC3D[11-12]。數(shù)值模擬所需的計算參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬計算參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 水平位移分析

各方案水平位移分布圖如圖2所示。各方案位移云圖均以某中心向外擴展，中心處位移最大。在無排土場時，由臺階發(fā)展的變形擴展至21煤-22煤處位移達到最大，位移最大處煤層變薄，受擠壓明顯，沿著煤層弱層發(fā)生滑移，說明在無排土場情況下邊坡的開挖及弱層對邊坡水平滑移影響較大；增加排土場后，最大位移中心發(fā)生移動，排棄20 m高時，邊坡沿著此處巖層弱面發(fā)生切動；排棄至40 m時，最大位移中心移動至排土場坡腳正下方，此位置正是上部排土場張裂隙延展下來與下部弱層的交接點，是組合式滑移的拐點位置，此處受排土場向下的擠壓及弱層的雙重影響，導(dǎo)致位移較大，同時也說明排土位置對于邊坡組合式滑移拐點位置影響較大。

圖2 各方案水平位移

2.2.2 監(jiān)測點位移隨時步變化分析

在模擬過程中對邊坡部分監(jiān)測點位移進行了監(jiān)測，在此取監(jiān)測點2-2、2-4、2-6的水平位移隨時步變化曲線進行對比分析，如圖3所示。

圖3 各方案位移隨時步變化

水平位移曲線變化起初均是在0水平上下小幅度變化，之后急速下降，最后下降速度緩慢，并趨于穩(wěn)定。初期部分曲線向上，出現(xiàn)正向位移，正向位移最大為2-6點，2-6位于臺階下方，受力后最先發(fā)生變化。隨著排棄高度增加，中期下降速度加快。后期位移趨于穩(wěn)定，無排土場情況下，位移最大點為2-6，最小為2-2，說明此種情況下水平位移最大發(fā)生在受臺階影響的邊坡外側(cè)，向內(nèi)逐漸減?。慌艞?0 m，水平位移最大是2-4，同距離條件下，排棄高度40 m，最大位移點為2-2，表明排棄越高，受排土場荷載及重心作用，最大水平位移位置向邊坡內(nèi)側(cè)移動；對比方案三和方案四，可得排土場距東幫距離越遠，水平位移最大點向邊坡內(nèi)側(cè)移動，說明排土場排棄范圍影響水平位移大小。對比各圖可得，隨著排棄高度增加，水平位移曲線初期波動上升時間減小，中期下降速度加快，后期趨于穩(wěn)定時間增加。數(shù)值模擬監(jiān)測點的位移均是經(jīng)歷先波動，后增加，再趨穩(wěn)的3個階段。綜合分析排土場與東幫之間的作用機理，變形過程中由于下部巖體對上部排土場的約束作用減小和排土場對下部巖體的擠壓作用產(chǎn)生邊坡變形連鎖效應(yīng)，加快邊坡變形。

3 邊坡變形機理分析

3.1 變形機理綜合分析

通過數(shù)值模擬對軟巖復(fù)合邊坡在4種工況下的變形時空關(guān)系做了分析，對變形機理從復(fù)合、軟巖、開挖3個方面做進一步總結(jié)分析。

3.1.1 復(fù)合作用

1)排土場對東幫作用。由排土場坡頂向下發(fā)育延伸張拉裂隙，向下貫通與水平弱層連接；由于排土場的荷載作用，擠壓下部原本軟弱的巖層，使之發(fā)生變形，加劇邊坡沿下部弱層蠕滑；裂隙分割形成塊體，在排土場的傾推作用下，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并沿弱層切動，水平位移增大；排土場對東幫的影響從內(nèi)至外、從上到下逐漸減小；排土場排棄越高、東幫與排土場距離越近，排土場對下部邊坡變形影響越大。

2)東幫對排土場作用。東幫臺階坡腳或坡頂受應(yīng)力集中作用發(fā)生變形，由于拉應(yīng)力大于巖體抗拉強度而產(chǎn)生拉裂隙。裂隙將邊坡表層分割成塊體，形成不同變形分離體，使得下部及外側(cè)巖體對上部排土場的約束作用減弱，當(dāng)裂隙發(fā)展到一定程度，上部排土場在重力作用下將向下部變形和滑移。因此，東幫與排土場之間產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。

3.1.2 軟巖作用

一方面，巖層本身軟弱，另一方面，煤巖交界面構(gòu)成的弱面成為易滑區(qū)。軟巖的影響主要為產(chǎn)生塑性變形、加劇裂隙擴展分割塊體、構(gòu)成蠕滑區(qū)域。弱層流變退化導(dǎo)致上部巖層基礎(chǔ)被掏空，上部巖體包括排土場拉裂形成張拉裂隙，裂隙延伸至下部弱層時停止；由于東幫鄰空，水平應(yīng)力得到釋放并產(chǎn)生卸荷回彈，當(dāng)上部巖體下滑力超過實際抗滑力，即發(fā)生剪裂，向鄰空面蠕滑。

3.1.3 開挖作用

由于露天礦的開采，隨著礦坑地推進與延伸，形成邊坡鄰空面。鄰空面的應(yīng)力釋放，導(dǎo)致邊坡有向坑內(nèi)滑移趨勢，產(chǎn)生向下的形變拉應(yīng)力，致使上部排土場受下部牽引作用，使之與其一起向下部移動[13-16]。

3.2 邊坡潛在滑移模式

通過模擬，綜合分析得出4種工況下邊坡的滑移模式：無排土場情況下，邊坡受東幫臺階應(yīng)力集中產(chǎn)生拉裂隙與下部弱層相連，弱層發(fā)生蠕滑，滑移模式為拉裂-蠕滑，直線型；排棄高度20 m、排土場與東幫距離120 m時，臺階拉裂帶擴展與下部弱層相連，弱層發(fā)生蠕滑，但蠕滑區(qū)較無排土場工況下變大，滑移模式為拉裂-蠕滑，直線型；排棄高度40 m、排土場與東幫距離120 m時，蠕滑中心內(nèi)移，排土場拉裂隙向下發(fā)育，排土場對下部邊坡傾推擠壓，巖層間產(chǎn)生剪切，發(fā)生切層滑動，與下部弱層相連，形成剪切變位，由弱層區(qū)域向外產(chǎn)生蠕滑，滑移模式為拉裂-切層-蠕滑，折線型；排棄高度40 m、排土場與東幫距離90 m時，排土場拉裂隙向下發(fā)育，由于排土場與東幫距離減小，排土場對下部邊坡影響范圍增大，因此在排土場傾推作用下產(chǎn)生的切層區(qū)變陡，切層區(qū)與下部弱層相連，形成剪切變位，加劇弱層蠕滑，蠕滑作用及排土場作用的增強導(dǎo)致滑移帶沿坡腳附近剪出，滑移模式為拉裂-切層-蠕滑-剪出，曲線型[17-18]。各工況下滑移模式如圖4所示。

圖4 不同方案邊坡滑移模式示意

3.3 邊坡蠕滑機理研究

3.3.1 失穩(wěn)型邊坡蠕滑機理

對軟巖邊坡蠕滑的研究，往往建立在邊坡失穩(wěn)的條件下，即邊坡最終發(fā)生破壞，直至滑坡，變形過程經(jīng)歷5個階段，如圖5a所示。初始變形階段(O-A)：該階段主要為彈性變形階段，此時邊坡變形并未進入蠕滑階段，下滑力的作用主要與邊坡結(jié)構(gòu)因素有關(guān)，與時間無關(guān)。減速蠕變階段(A-B)：此時邊坡進入蠕滑階段。由于巖體的壓實及結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)生彈性后效變形，蠕變速率隨時間的增加而減小，至B點最小。等速蠕變階段(B-C)：坡體應(yīng)力的調(diào)整使得裂隙均勻增加，此階段應(yīng)變速率保持不變。加速蠕變階段(C-E)：在等速變形基礎(chǔ)上，邊坡變形速率不斷增加，至E達到峰值，變形劇烈而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[19-20]。

3.3.2 穩(wěn)定型邊坡蠕滑機理

受外力影響，邊坡發(fā)生變形，但有的時候邊坡并未發(fā)生滑坡，而是處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在原有失穩(wěn)型邊坡蠕滑機理基礎(chǔ)上，提出穩(wěn)定型邊坡蠕滑機理，對原有蠕滑模型進行改進，得到穩(wěn)定型邊坡變形過程，如圖5b所示。初始變形階段(O-A)：該階段主要為彈性變形階段，此時邊坡變形并未進入蠕滑階段，下滑力的作用主要與邊坡結(jié)構(gòu)因素有關(guān)，與時間無關(guān)。減速蠕變階段(A-B)：此時邊坡進入蠕滑階段。巖體的壓實及結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)生彈性后效，蠕變速率隨時間的增加而減小，至B點最小。等速蠕變階段(B-C)：坡體應(yīng)力的調(diào)整使得裂隙均勻增加，此階段應(yīng)變速率保持不變。減速蠕變階段Ⅰ(C-D)：邊坡變形以C為轉(zhuǎn)折點，由于邊坡不具備滑坡破壞條件，塑性變形逐漸減小，變形速率減小。減速蠕變階段Ⅱ(D-E)：經(jīng)D以后，邊坡變形進一步減小，由塑性變形向彈性變形轉(zhuǎn)化，變形速率逐漸減小且趨于零，到E點邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 邊坡變形階段示意

3.3.3 東幫與外排土場復(fù)合邊坡蠕滑變形分析

由圖4各工況下滑移模式可知，邊坡滑移模式均存在蠕滑區(qū)，因此對蠕滑區(qū)做針對性研究，選取蠕滑區(qū)內(nèi)監(jiān)測點4-5，對其數(shù)值模擬的應(yīng)力-位移曲線、位移-時步曲線做對比分析，如圖6所示。其中位移-時步曲線符合4.3.2提出的穩(wěn)定型邊坡蠕滑機理。初始變形階段(O-A)，邊坡應(yīng)力急速增加，處于彈性變形階段，此時由于邊坡結(jié)構(gòu)因素影響，東幫臺階發(fā)生應(yīng)力集中，并出現(xiàn)裂隙。應(yīng)力經(jīng)過回落及小幅調(diào)整，邊坡進入蠕滑階段。減速變形階段(A-B)，此時由于上部排土場及其他巖層荷載作用，對下部弱層產(chǎn)生壓實作用，變形速率隨時間而減小，曲線呈下彎型。等速變形階段(B-C)，裂隙均勻向下擴展，至弱層貫通，上部排土場的傾推作用，使蠕滑區(qū)水平位移增大，故此時變形速率較A-B段增加，之后保持穩(wěn)定速率向坡體外發(fā)展。減速變形階段Ⅰ(C-D)，C之后，邊坡位移速率較等速變形階段減小，邊坡塑性變形減弱，蠕滑移動速度減慢。減速蠕變階段Ⅱ(D-E)，D之后，邊坡位移速率進一步減小，至E點后趨于零，邊坡變形趨于穩(wěn)定，無滑坡風(fēng)險。

圖6 蠕滑區(qū)變形過程示例

4 結(jié) 論

1)對軟巖復(fù)合邊坡在不同工況下的變形過程進行了模擬分析，得出監(jiān)測點位移隨時間起初小幅波動，中期下降較快，后期平穩(wěn)的變化趨勢；隨著排土場排棄越高，排土場距東幫距離越遠，邊坡最大水平位移位置向邊坡內(nèi)側(cè)移動。

2)分析不同工況下排土場與東幫之間的作用機理，變形過程中由于下部巖體對上部排土場的約束作用減小和排土場對下部巖體的擠壓作用產(chǎn)生邊坡變形連鎖效應(yīng)，加快邊坡變形；得出軟巖復(fù)合邊坡變形機理主要為復(fù)合作用、軟巖作用、開挖作用。

3)得出了不同工況下的邊坡潛在滑移模式，分別為拉裂-蠕滑，直線型；拉裂-切層-蠕滑，折線形；拉裂-切層-蠕滑-剪出，曲線型。

4)在傳統(tǒng)失穩(wěn)型蠕滑邊坡基礎(chǔ)上提出穩(wěn)定型邊坡蠕滑機理，主要分為初始變形階段、減速蠕變階段、等速蠕變階段、減速蠕變階段Ⅰ、減速蠕變階段Ⅱ，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對其進行驗證，對邊坡滑移的預(yù)防具有一定指導(dǎo)意義。