黑岱溝露天煤礦倒堆臺(tái)階邊坡破壞模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

萬國(guó)祥，賀 龍，劉東兵

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是保障露天煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的重要工作[1]。隨著開采進(jìn)程不斷推進(jìn)，邊坡增高、角度加大，復(fù)雜程度增加。且邊坡的穩(wěn)定性是隨著時(shí)間處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。眾多因素造成了邊坡的不穩(wěn)定，這給露天煤礦的安全生產(chǎn)帶來了巨大隱患。

黑岱溝露天煤礦作為中國(guó)最大的露天煤礦之一，在邊坡工程安全管理方面也面臨著諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于該礦的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，歷屆領(lǐng)導(dǎo)都非常重視。礦區(qū)采取了雷達(dá)監(jiān)測(cè)對(duì)礦區(qū)邊坡情況進(jìn)行精密監(jiān)測(cè)[2]，同時(shí)安全生產(chǎn)制度上也制定了相應(yīng)的制度保障，定期開展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作[3]。這些措施使得黑岱溝露天煤礦的安全生產(chǎn)取得了顯著成效。針對(duì)該地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性研究工作較多，先后有很多生產(chǎn)單位和科研院所研究人員對(duì)全區(qū)或礦區(qū)某些重點(diǎn)部位做了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4-8]，利用不同的方法，從不同角度，對(duì)礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于邊坡穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)發(fā)展變化的，故對(duì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)研究也是持續(xù)的。

1 礦山概況

黑岱溝露天煤礦位于鄂爾多斯高原的東北部，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)。目前，礦區(qū)面積約50 km2，查明煤炭資源儲(chǔ)量大于14 億t。礦區(qū)交通位置便利。氣候干燥少雨、植被稀少。為典型黃土高原地貌。礦區(qū)出露地層主要為晚古生代地層及少量奧陶系亮甲山組，新近系上新統(tǒng)、第四系。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要有3 組近于平行的背向斜。礦區(qū)主要有6 條組合斷層，但規(guī)模較小，對(duì)礦區(qū)整體影響不大。

巖性主要為陸相-海陸交互相石炭系-二疊系碎屑巖，以砂巖、砂礫巖、泥巖為主。大多數(shù)巖石呈層狀，強(qiáng)度較高。多呈堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬狀態(tài)，局部可見硬度較小的薄弱夾層。在局部暴露遭受風(fēng)化的地區(qū)，巖石碎裂程度高，巖體強(qiáng)度較差，在水力作用下，極易流失。地表出露第四系黃土，黃土為非自重濕陷性黃土。另外，分布有一定的鹽漬土，鹽分以氯化物為主，硫酸鹽次之，含鹽量普遍較高。

通常，黑岱溝露天煤礦穩(wěn)定性評(píng)價(jià)涉及的區(qū)域包括首采區(qū)西幫、南幫，內(nèi)排土場(chǎng)，陰灣排土場(chǎng)、排矸場(chǎng)、二采區(qū)南幫、北幫、工作幫等。選取倒堆臺(tái)階作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)象，倒堆臺(tái)階的存在有一定時(shí)間性，但由于其由松散巖體堆積而成，其穩(wěn)定性直接影響采掘工作的正常接續(xù)。為此，選取布設(shè)在倒堆臺(tái)階邊坡上的DD-1 剖面，來對(duì)該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析計(jì)算。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模擬方法與巖土體力學(xué)參數(shù)

邊坡穩(wěn)定性影響因素很多[9]，根據(jù)黑岱溝露天煤礦歷年工程地質(zhì)勘查資料，目前該礦主要邊坡穩(wěn)定性影響因素為：巖土體力學(xué)性質(zhì)、地表降水、堆置高度、基底承載和人為影響等。

應(yīng)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件[10]，選取布設(shè)在倒堆臺(tái)階邊坡上的DD-1 剖面作為典型剖面來構(gòu)建數(shù)值模型。通過計(jì)算并分析塑性破壞區(qū)分布圖，確定出邊坡潛在滑動(dòng)部位與滑面形狀，并據(jù)此評(píng)估邊坡總體變形破壞趨勢(shì)。計(jì)算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則描述。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠度很大程度上依賴于計(jì)算模型的參數(shù)，邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)

2.2 邊坡變形失穩(wěn)模式數(shù)值分析

為了對(duì)倒堆臺(tái)階邊坡變形失穩(wěn)模式進(jìn)行數(shù)值分析，綜合考慮研究區(qū)排土場(chǎng)邊坡變形和地貌特征，選取倒堆臺(tái)階DD-1 剖面構(gòu)建分析模型，倒堆臺(tái)階DD-1 剖面數(shù)值分析模型圖如圖1。

圖1 倒堆臺(tái)階DD-1 剖面數(shù)值分析模型圖

從圖1 可以看出，整個(gè)剖面主要由2 部分組成：排棄物料和基巖?；鶐r成分主要為砂巖和少部分泥巖，基巖靠近地表的部分略風(fēng)化；排棄物料主要為松散堆積的各種碎石以及沙土。從表1 中可以看出，基巖與排棄物在巖土力學(xué)參數(shù)上區(qū)別較大。模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為848.86 m，垂直高度為270.63 m。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(gòu)成位移邊界條件，以保持整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡。

倒堆臺(tái)階DD-1 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖2，研究剖面邊坡水平位移云圖如圖3，豎直位移云圖如圖4，剖面塑性區(qū)域分布圖如圖5。

圖2 倒堆臺(tái)階DD-1 剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖3 倒堆臺(tái)階DD-1 剖面水平位移云圖

圖4 倒堆臺(tái)階DD-1 剖面豎直位移云圖

圖5 倒堆臺(tái)階DD-1 剖面塑性區(qū)域分布圖

由圖2 可知，受倒堆設(shè)計(jì)的影響，使得此處兩側(cè)剪應(yīng)變集中程度明顯（圖中大部分內(nèi)容），尤其是坡度最大的2 處坡面，應(yīng)變?cè)隽孔畲?，如果后面倒堆繼續(xù)加高，發(fā)生崩塌、片落的可能性將大大增加。

由圖3 和圖4 可知，水平最大移量為24.60 mm，豎向最大沉降量達(dá)26.30 mm，該剖面倒堆位置處有局部片落的隱患。區(qū)域邊坡體受降水、爆破和運(yùn)輸車輛震動(dòng)、基巖面順傾以及倒堆的存在等多種因素綜合作用下在倒堆處存在大范圍的塑性破壞區(qū)。

從圖5 中可知，倒堆臺(tái)階塑性區(qū)域主要受剪切力控制，容易發(fā)生剪切破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況認(rèn)為，塑性區(qū)域破壞的范圍主要集中在倒堆兩側(cè)區(qū)域，松動(dòng)滑動(dòng)面呈楔形，與圓弧型滑動(dòng)有一定的不同。在塑性區(qū)域較集中的位置易發(fā)生局部片幫和崩塌以及表層散體流動(dòng)。但在倒堆兩側(cè)區(qū)域正常的情況下，倒堆臺(tái)階DD-1 剖面處邊坡變形破壞模式為單臺(tái)階內(nèi)部或排土臺(tái)階沿不良結(jié)構(gòu)面的局部崩塌破壞。

2.3 邊坡穩(wěn)定性及邊坡管理措施

采用極限平衡理論對(duì)倒堆臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。綜合考慮目前研究區(qū)地質(zhì)條件、邊坡穩(wěn)定的時(shí)效特性等信息，選取安全系數(shù)為1.10。DD-1 剖面邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9。

圖6 DD-1 剖面邊坡臺(tái)階1 穩(wěn)定性

圖7 DD-1 剖面邊坡臺(tái)階2 穩(wěn)定性

圖8 DD-1 剖面邊坡臺(tái)階3 穩(wěn)定性

圖9 DD-1 剖面邊坡整體穩(wěn)定性

結(jié)果顯示：邊坡整體穩(wěn)定；局部臺(tái)階安全系數(shù)小于1.10 的規(guī)范要求。其中DD-1 設(shè)計(jì)邊坡當(dāng)中的臺(tái)階2，為倒堆區(qū)域，安全系數(shù)為0.85，不符合規(guī)范要求，存在片幫風(fēng)險(xiǎn)。安全系數(shù)較小的原因是倒堆臺(tái)階過高達(dá)到70 m。倒堆臺(tái)階區(qū)域主要構(gòu)成為爆破后的松散巖體，設(shè)計(jì)的松散體坡角為50°，并未達(dá)到自調(diào)整形成自然安息角38°，因此無法滿足安全穩(wěn)定需求。

邊坡管理措施如下：在倒堆臺(tái)階形成過程中松散體自調(diào)整（松散體滑落）形成自然安息角進(jìn)而穩(wěn)定，其自調(diào)整過程是一個(gè)緩慢、漸進(jìn)的過程。在此過程中，如果沒有明顯的開挖卸荷行為，倒堆區(qū)域發(fā)生高速、大規(guī)?；碌母怕瘦^小，更多的體現(xiàn)為自調(diào)整過程中塊體的滑落?？紤]到該區(qū)域?yàn)榕R時(shí)邊坡，且因工藝條件限制，邊坡高度和角度調(diào)整困難，因此建議對(duì)該局部位置加強(qiáng)警戒，有條件時(shí)盡量放坡至38°，作業(yè)保持一定安全距離。

3 結(jié)語

1）倒堆臺(tái)階區(qū)域主要構(gòu)成為爆破后的松散巖體等排棄物，設(shè)計(jì)的松散體坡角為50°，為土、巖混合，巖塊為主，土體主要為巖粉?；椎貙右陨皫r為主，近水平賦存，無明顯弱層，不含水。

2）倒堆臺(tái)階邊坡受倒堆設(shè)計(jì)的影響，使得倒堆兩側(cè)剪應(yīng)變集中程度明顯，松動(dòng)滑動(dòng)面呈楔形，在塑性區(qū)域較集中的位置易發(fā)生局部片幫和崩塌，其變形破壞模式為單臺(tái)階內(nèi)部或排土臺(tái)階沿不良結(jié)構(gòu)面的局部崩塌破壞。

3）倒堆臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：邊坡整體安全系數(shù)大于1.10，符合規(guī)范要求，邊坡整體穩(wěn)定；局部臺(tái)階安全系數(shù)小于1.10。推測(cè)局部安全系數(shù)較小的原因?yàn)樵O(shè)計(jì)的松散體坡角為50°，未達(dá)到自調(diào)整形成自然安息角（38°）。建議對(duì)該局部位置調(diào)整松散體的堆砌角度，并設(shè)置警戒，保持一定安全距離。