東明露天礦含軟弱層端幫邊坡穩(wěn)定性控制方案優(yōu)化

劉國栓，任 鵬，陳俊彬，高鑫浩，劉玉鳳，李 坤，鐘曉勇

（1.呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013；4.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

近年來，隨著露天礦山開采強(qiáng)度和生產(chǎn)規(guī)模的不斷推進(jìn)和加大，在端幫區(qū)域極易發(fā)生片幫、滑坡和塌陷等一系列地質(zhì)災(zāi)[1-2]；而含斷層的巖土層中且夾帶弱層的條件下，更進(jìn)一步加大了邊坡失穩(wěn)甚至破壞，對礦山的高效生產(chǎn)構(gòu)成了較大的安全隱患。如何針對此類邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行有效地分析、評價以及提出相關(guān)的治理措施，越來越受到當(dāng)今專家、學(xué)者及礦山企業(yè)的重視[3-5]?？紤]到弱層對邊坡巖土層強(qiáng)度的作用，通過Geo-studio 建立該種條件下強(qiáng)度弱化過程中邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律的分析模型[6]；基于邊坡三維計算模型，通過強(qiáng)度折減法和極限平衡分析理論對邊坡高度和坡面角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)了礦山企業(yè)的安全、高效生產(chǎn)[7]。結(jié)合東明露天礦地質(zhì)以及現(xiàn)場條件，研究了東明露天礦北幫西段在弱層及斷層的共同影響條件下，對潛在滑塌區(qū)域邊坡進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究并提出相關(guān)的治理措施[8-14]。

1 研究區(qū)域工程地質(zhì)概況

東明露天礦屬于軟巖邊坡，具有變形量大和變形時間長的典型特征。礦區(qū)巖層以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主；垂直或斜交裂隙比較發(fā)育，膠結(jié)程度不均一，主要以軟質(zhì)巖為主。礦區(qū)煤層主要分布在白堊紀(jì)，煤層最大厚度32.98 m，平均厚度25.18 m，地層最大厚度178.08 m，一般厚度139.38 m，由于煤層的頂、底板均為泥巖或砂質(zhì)泥巖，所以其固結(jié)或膠結(jié)較差，遇水膨脹，煤層的抗壓強(qiáng)度變化幅度值較小，強(qiáng)度增加率為20%～30%。

工程地質(zhì)調(diào)查與鉆探結(jié)果表明，在北幫12-1煤層頂板上部及12-1煤層底板和12-2煤層頂板之間賦有泥巖弱層，結(jié)構(gòu)松散，吸濕性強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度較低，壓縮性強(qiáng)，固結(jié)速率慢且具有流變性，受巖體自重及露天采礦活動的影響，其上部巖體極有可能沿該軟弱層發(fā)生滑動[15]。研究區(qū)域--北幫典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1。

圖1 研究區(qū)域--北幫典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Study area-typical engineering geological section of the north side

2 北幫邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律

2.1 巖土體強(qiáng)度參數(shù)

正是由于弱層的存在，同時受雨季降水的影響，導(dǎo)致弱層遇水發(fā)生膨脹，使得該區(qū)域邊坡巖土體的強(qiáng)度參數(shù)有不同程度的弱化，加劇露天煤礦邊坡沿弱層發(fā)生蠕滑的可能性?；诖耍捎玫膸r土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是在以往巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗和土工程性質(zhì)試驗成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合此次室內(nèi)測試分析并采用Hock-Brown 強(qiáng)度折減法和滑動反分析法計算獲得，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值Table 1 Index values of physical and mechanical properties of rock and soil

2.2 弱層邊坡數(shù)值模擬分析模型

在含有弱層的邊坡變形過程中，坡體中巖土體強(qiáng)度首先會有一定程度的弱化，同時受爆破震動、礦用車輛運(yùn)輸?shù)纫幌盗械V山開采活動的影響，加劇坡體的變形，這一變形特征是通過微觀應(yīng)力場的變化特征來宏觀體現(xiàn)的。為了探究該區(qū)域邊坡受弱層影響所發(fā)生的變形規(guī)律，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建含弱層邊坡穩(wěn)定性分析模型，基于研究區(qū)域邊坡和工程地質(zhì)特征，綜合考慮東明礦北幫弱層對該區(qū)域端幫邊坡穩(wěn)定性的影響，建立的典型工程地質(zhì)模型如圖2。該邊坡模型傾向長度為655 m，垂直高度為138 m，計算過程中采用的本構(gòu)模型是摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度準(zhǔn)則，并利用該準(zhǔn)則對北幫區(qū)域的變形位移規(guī)律進(jìn)行描述。

圖2 典型剖面數(shù)值分析模型圖Fig.2 Numerical analysis model diagram of typical section

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

典型剖面數(shù)值模擬云圖如圖3。

圖3 典型剖面豎直位移云圖Fig.3 Numerical simuation of typical section

由圖3（a）剖面豎直位移云圖可知，12-1煤層上部臺階，即粉黏土層和砂巖層下沉明顯，最大變形量為28.8 mm，標(biāo)高520 m 上部各個平盤臺階均發(fā)生了不同程度的沉降，且應(yīng)力場主要集中在標(biāo)高530～550 m 和標(biāo)高570～610 m 這2 段范圍內(nèi)；從圖3（b）剖面水平位移云可知，水平位移最大變形量為57.5 mm，其中標(biāo)高530～550 m 并段臺階受弱層的影響較大，有發(fā)生局部區(qū)域向臨空面滑動的趨勢，而標(biāo)高570～610 m 并段處一方面受下部臺階擾動的影響，另一方面受表層粉黏土本身特性和軟弱層的綜合影響，屬于典型的軟巖邊坡，多重因素致使該區(qū)域有向臨空面滑動的趨勢。

由圖3（c）典型剖面剪應(yīng)變增量云圖可知，含弱層邊坡變形過程中，坡體原本的應(yīng)力場會受到影響，在這種情況，坡體中的應(yīng)力場會重新分布，在此過程中，應(yīng)力場與變形場彼此相互對應(yīng)，坡體的變形是通過應(yīng)力場的變化特征來體現(xiàn)的，而坡體應(yīng)力場是坡體變形破壞的主因；同時由于局部區(qū)域單臺階邊坡角較大且坡面形狀不規(guī)則，邊坡上部砂礫層和泥巖臺階坡腳剪應(yīng)變集中程度明顯，影響范圍在標(biāo)高530～610 m，特別地，在標(biāo)高540 m 處剪應(yīng)變有明顯的集中，經(jīng)分析該位置處有1 個正斷層，再加上軟弱層的綜合影響，致使該區(qū)域有沿臨空面發(fā)生片幫的隱患。從圖3（d）塑性區(qū)域分布圖中可以看出，塑性區(qū)域主要分布的位置主要在軟弱層上部，軟弱層中塑性區(qū)域比較集中的原因是抗剪強(qiáng)度相對較低且壓縮性較強(qiáng)，塑性區(qū)域較集中的區(qū)域易發(fā)生局部片幫和崩塌，為了保證工作幫（北幫）在正常作業(yè)過程中保持穩(wěn)定，需針對此處采取一定的措施。

3 軟巖邊坡控制方案優(yōu)化

3.1 軟巖邊坡現(xiàn)狀

基于東明露天礦工作幫（北幫）及其下部軟弱巖層影響區(qū)域邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖，建立極限平衡分析模型，輸入計算所需的強(qiáng)度參數(shù)即黏聚力、內(nèi)摩擦角和密度，再通過Geo-Slope 軟件對現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，得到極限平衡結(jié)果[15]。針對東明露天礦工作幫（北幫）巖土層現(xiàn)狀，基于全面評價研究剖面邊坡穩(wěn)定的現(xiàn)狀，并探明其演化趨勢，確定邊坡安全工作的重點區(qū)域；研究剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析計算結(jié)果如圖4。Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，F(xiàn)s＞1.2 時邊坡穩(wěn)定，1.1＜Fs＜1.2 時基本穩(wěn)定，1.0＜Fs＜1.1 時邊坡存在一定風(fēng)險，F(xiàn)s＜1.0 時邊坡不穩(wěn)定。

圖4 東明露天礦現(xiàn)狀邊坡極限平衡分析計算結(jié)果Fig.4 The current slope limit equilibrium analysis and calculation results of Dongming Open-pit Mine

根據(jù)現(xiàn)場工程實踐，工作幫（北幫）原煤采掘過程中標(biāo)高540 m 出現(xiàn)大范圍裂隙，裂隙走向長度588 m，中心部分張開度0.4 m，平均斷距0.42 m，經(jīng)現(xiàn)場踏勘裂隙下方出現(xiàn)多處小范圍裂縫，標(biāo)高508 m 處，即12-2煤層底板出現(xiàn)潛在滑動帶；該區(qū)域的不穩(wěn)定應(yīng)力場會逐步傳遞至上部臺階，造成多臺階聯(lián)動失穩(wěn)?；跇O限平衡分析結(jié)果可以看出：研究剖面邊坡巖土體標(biāo)高510～540 m 范圍內(nèi)，相鄰臺階發(fā)生局部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.05，小于安全儲備系數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)場的實際工況，邊坡失穩(wěn)的可能性將增加，故此，基于此種現(xiàn)狀，在工作幫（北幫）區(qū)域需采取具有針對性的措施，確保礦山企業(yè)安全高效生產(chǎn)，同時保證邊坡局部和整體的穩(wěn)定性。

3.2 控制方案優(yōu)化

目前，國內(nèi)外關(guān)于邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的治理措施主要有疏干排水、壓腳、削坡減載以及加固等幾種常用的方法[16-17]。綜合考慮東明露天礦實際工況，在潛在失穩(wěn)區(qū)域采取2 種治理措施，并提出相應(yīng)且具有針對性的方案。

1）在潛在失穩(wěn)區(qū)域采取削坡減載的處理方案。通過對下滑段采取削坡處理，達(dá)到減小邊坡單臺階坡面角和減載的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，從而抑制坡體下滑[18]。通過放緩邊坡消除剪出口的不平衡推力，使該滑坡的抗滑力與下滑力的比值，即該邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)大于安全儲備系數(shù)，從而使其在設(shè)計工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。工作幫（北幫）邊坡削坡減載后簡化模型和分析結(jié)果如圖5。工作幫（北幫）削坡減載后，整體穩(wěn)定系數(shù)為1.55；考慮到地下水作用下煤層頂板和底板泥巖影響下，潛在危險區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.18 和1.22，標(biāo)高為530 m 平盤處的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.18，小于安全儲備系數(shù)，主要是弱層對上部邊坡的影響無法徹底消除。因此，削坡減載雖然即優(yōu)化了邊坡剖面形態(tài)（降低坡面角，增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性），又能夠采出一定量的12-1煤，提高了采出率；但由于礦區(qū)邊坡屬于典型軟巖邊坡，主要受軟弱層控制，該種方案即使能保持邊坡暫時的穩(wěn)定，但煤層底板軟弱夾層的存在，且發(fā)生錯動將再次導(dǎo)致邊坡巖體應(yīng)力釋放，引發(fā)后緣邊坡的下滑，北幫滑坡按力學(xué)條件分類屬于牽引式滑坡，滑坡發(fā)展主要受前緣弱層控制。削坡減載只是降低了下滑力，削坡后對邊坡穩(wěn)定性有一定效果但不明顯，并不能從根本上改變邊坡整體下滑的趨勢。

圖5 工作幫（北幫）邊坡削坡減載后簡化模型Fig.5 Simplified model and analysis results of working side（north side）slope cutting and load reduction

2）在潛在失穩(wěn)區(qū)域采取削坡減載和壓腳相結(jié)合的治理方案。在潛在滑動層位采用排土壓腳的方法，一方面使得邊坡下部區(qū)域巖土體自重增加，提高滑坡區(qū)域的整體抗滑力；同時，排土壓腳可以消除潛在滑體剪出口處的自由面，在一定程度上起到了抑制潛在滑體沿原始滑裂面剪出口移動的效果，因此，削坡減載+壓腳排土可提高邊坡的整體穩(wěn)定性。工作幫（北幫）邊坡削坡減載+壓腳后簡化模型和分析結(jié)果如圖6。工作幫（北幫）采取削坡減載+壓腳綜合治理措施后，整體穩(wěn)定系數(shù)為1.93；相較于僅采取削坡措施標(biāo)高為530 m 平盤處的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.21，大于安全儲備系數(shù)，在一定程度上降低了軟弱層對其上覆邊坡穩(wěn)定性的影響，且此時的530～550 m 范圍內(nèi)臺階坡面角為19°相較于削坡前減少兩度，進(jìn)一步降低邊坡發(fā)生滑坡的風(fēng)險。本文采取削坡減載+壓腳不僅優(yōu)化了邊坡剖面形態(tài)（降低坡面角，增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性），又能夠保證開采的安全高效進(jìn)行，隨著12-1煤和12-2煤的開采，要及時跟進(jìn)壓腳；此種方案雖然在標(biāo)高540 m 上部由于削坡而產(chǎn)生一定量的物料，但可將其堆放至標(biāo)高500 m 處的上部臺階，不僅能夠降低削坡的費用，又能保證標(biāo)高510～540 m 范圍內(nèi)坡體的穩(wěn)定，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 工作幫（北幫）邊坡削坡減載+壓腳后簡化模型Fig.6 Simplified model and analysis results after working side (north side) slope cutting and load reduction +presser foot

2 種方案整體和典型位置處Fs對照值如圖7。通過方案分析并基于極限平衡計算結(jié)果，2 種方案都能保證該回采區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，但結(jié)合現(xiàn)場工況以及實際地質(zhì)條件，降雨、爆破振動等外部因素同內(nèi)在因素，如軟弱夾層共同使得原本已擾動的巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低、結(jié)構(gòu)更加松散，單一采用削坡方式無法很好地保證安全高效的生產(chǎn)，削坡減載方案具有一定局限性。故此，采取削坡減載+壓腳方案不僅能夠彌補(bǔ)削坡減載方案中的不足，而且能夠保證礦山企業(yè)安全高效的生產(chǎn)。

圖7 2 種方案整體和典型位置處Fs 對照值Fig.7 Fs comparison values at the overall and typical positions of the two schemes

4 結(jié) 語

基于東明露天礦工作幫（北幫）邊坡工程地質(zhì)與現(xiàn)場條件，建立工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬分析軟件FLAC3D和極限平衡分析軟件GeoStudio--SEEP/W 分別研究了含弱層影響條件下端幫邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理和巖移規(guī)律。提出含軟弱層邊坡穩(wěn)定性的控制方案：削坡減載和削坡減載+壓腳，基于Geo-slope系統(tǒng)軟件對2 種方案計算的計算結(jié)果，并結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)條件，通過對比分析削坡減載+壓腳2 種方式相結(jié)合的方案，不僅能夠降低軟弱夾層對上覆邊坡穩(wěn)定性的影響，又能夠增加回采率，具有相當(dāng)客觀的經(jīng)濟(jì)效益，成為當(dāng)前治理該區(qū)域邊坡變形失穩(wěn)的方法。