黑山頭露天煤礦采場裂隙區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)與治理技術(shù)研究

張 峰

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100013)

1 前言

目前針對巖土工程中的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)時(shí)，由于邊坡體內(nèi)煤巖層賦存結(jié)構(gòu)及形式相對較為復(fù)雜，采用普通理論計(jì)算的方式進(jìn)行評價(jià)分析時(shí)，得出的分析結(jié)果會存在著較大的偏差，現(xiàn)針對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)時(shí)最常采用數(shù)值模擬和極限平衡兩種分析方法[1-3]。極限平衡法是建立在一定合理假設(shè)條件下分析，該種分析方法對巖土體的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行了簡化，可解決一些形狀復(fù)雜、加載形式不一的邊坡穩(wěn)定性問題，但該種方法存在著滑動面的形狀和位置均為人工假設(shè)，科學(xué)性差、普適性差、忽略邊坡變形的時(shí)效性等缺點(diǎn)；數(shù)值模擬分析法能夠直觀的分析邊坡工程中應(yīng)力分布狀態(tài)和變形規(guī)律，但該種分析方法對材料的性質(zhì)及邊界條件作了一定的簡化處理，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際結(jié)果間存在著一定的差異[4-6]?；谏鲜鰞煞N研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以黑山頭露天煤礦裂隙區(qū)域?yàn)楣こ瘫尘?，采用?shù)值模擬+極限平衡法綜合分析的方式，通過極限平衡法對數(shù)值模擬法中的缺點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充[7]，對裂隙區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)，并針對評價(jià)結(jié)果提出針對性的治理措施，以保障裂隙區(qū)域邊坡的穩(wěn)定。

2 工程概況

準(zhǔn)東煤田位于新疆昌吉回族自治州，黑山頭露天煤礦位于準(zhǔn)東煤田的中小露天煤礦開采區(qū)范圍內(nèi)?？碧絽^(qū)位于奇臺縣北東90 km處，行政區(qū)劃屬奇臺縣管轄?？碧絽^(qū)南北平均長5.25 km，東西平均寬2.60 km，面積13.67 km2。為掌握露天礦現(xiàn)有邊坡巖性及特征，根據(jù)現(xiàn)場裂縫勘察情況，結(jié)合2018年3月份現(xiàn)狀圖以及初設(shè)各階段相關(guān)圖紙，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，選取采場北幫一條勘探線N1，東幫兩條勘探線E1和BP1，西幫一條勘探線W1，N1勘探線上布設(shè)三個(gè)邊坡勘察孔KC1～KC3，W1勘探線上布設(shè)三個(gè)邊坡勘察孔KC4～KC6， E1勘探線上布設(shè)三個(gè)邊坡勘察孔KC7～KC9，BP1勘探線上布設(shè)四個(gè)邊坡勘察孔KC10～KC13，勘探點(diǎn)具體位置如圖1a所示；通過對勘探線上觀測鉆孔的取樣試驗(yàn)分析，得出采場邊坡地質(zhì)柱狀圖如圖1b所示。

圖1 采場邊坡勘探布置及勘探結(jié)果圖

根據(jù)黑山頭2018年3月末采剝工程平面圖，結(jié)合鉆探資料、露天礦山提供勘探資料、露天礦采礦邊坡現(xiàn)狀形態(tài)，可知采場內(nèi)裂隙區(qū)主要位于勘探線KC10～KC13附近，通過對現(xiàn)場裂縫區(qū)域進(jìn)行踏勘發(fā)現(xiàn)，675平盤發(fā)生平盤錯(cuò)動，平臺上有較大的張裂縫，通過張裂縫，可以看到滑裂面上巖性為泥巖層，具體平臺錯(cuò)動滑面如圖2所示，該層泥巖非常光滑，質(zhì)地軟，通過實(shí)驗(yàn)獲知巖體力學(xué)性質(zhì)差，遇水后力學(xué)性質(zhì)下降明顯。通過現(xiàn)場勘查，該區(qū)域除了煤層底板這層泥巖外，在深處未發(fā)現(xiàn)明顯弱層，現(xiàn)為確保裂隙區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性，特進(jìn)行裂隙區(qū)穩(wěn)定評級與治理技術(shù)的研究分析。

圖2 裂隙區(qū)平臺錯(cuò)動情況圖

3 裂縫區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 評價(jià)理論基礎(chǔ)

為掌握裂隙區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行裂隙區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的研究分析，數(shù)值模擬軟件采用FLAC3D和SLIDE模擬軟件，選用Mohr- Coulomb本構(gòu)模型，選用該模型時(shí)，對于巖土體來說，抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ是最為重要的兩個(gè)參數(shù)。

數(shù)值模擬建模時(shí)，對于邊坡巖土體的賦值時(shí)，采用強(qiáng)度折減法是對邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ這兩個(gè)參數(shù)同時(shí)除折減系數(shù)，從而得到兩個(gè)新的抗剪參數(shù)，采用強(qiáng)度折減法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要采用合理的失穩(wěn)判據(jù)，其中常見的邊坡失穩(wěn)判據(jù)有以下幾點(diǎn)：

(1)以數(shù)值計(jì)算結(jié)果的是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。

(2)以特征區(qū)域是否發(fā)生突變以及突變會不會無限制的發(fā)展作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。

(3)以塑性區(qū)的是否貫通作為失穩(wěn)判據(jù)。

滑動面塑性區(qū)是否貫通并不能充分說明邊坡是否失穩(wěn)破壞，只能作為邊坡失穩(wěn)的必要條件，因而滑動面是否貫通作為失穩(wěn)判據(jù)會使判斷依據(jù)趨于保守，通常邊坡發(fā)生失穩(wěn)使用的判據(jù)為：當(dāng)邊坡破壞面上的應(yīng)變或位移出現(xiàn)突變且無限制移動時(shí)，認(rèn)為邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

FLAC3D數(shù)值模型長200 m，寬50 m，高度30 m，SLIDE軟件建立的為剖面 ，模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)賦值見表1，模型建立后固定模型的底邊、限制模型兩側(cè)的位移，模型頂部設(shè)置為自由狀態(tài)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 評價(jià)結(jié)果分析

通過FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出現(xiàn)狀邊坡位移云圖如圖3所示。分析圖3可知，裂縫區(qū)域邊坡的滑動力主要是上覆巖層重力的分力產(chǎn)生的，下滑力抵抗抗滑力在邊坡的臨空面產(chǎn)生位移，根據(jù)位移云圖可以知道在應(yīng)力集中的地方會產(chǎn)生較大的位移?，F(xiàn)狀邊坡裂縫區(qū)域，由于煤層底板泥巖弱層巖體物理力學(xué)性質(zhì)差，且傾角較大，應(yīng)力集中在傾角較大的弱層處，造成了掛幫煤滑坡的趨勢，滑動趨勢為沿著煤層底板片幫。

圖3 現(xiàn)狀邊坡位移云圖

通過SLIDE數(shù)值模擬結(jié)果得出現(xiàn)狀邊坡SLIDE計(jì)算結(jié)果如圖4所示。分析圖4可知，計(jì)算得到局部邊坡穩(wěn)定性為1.060，邊坡穩(wěn)定性較低。在后續(xù)開采過程中，應(yīng)繼續(xù)保持，按照設(shè)計(jì)的平盤與邊坡角度進(jìn)行合理開采，并定期對邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行驗(yàn)算。

圖4 現(xiàn)狀邊坡SLIDE計(jì)算結(jié)果圖

4 邊坡治理措施

4.1 治理措施

根據(jù)上述FLAC3D模擬可以看出東北角的滑動趨勢，并結(jié)合極限平衡法計(jì)算了該處邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，該處邊坡欠穩(wěn)定，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理。由于此種滑坡屬于局部滑坡，現(xiàn)場該處平盤煤層上存在諸多裂縫，裂縫呈現(xiàn)增大的趨勢。煤層平盤上部未發(fā)現(xiàn)裂隙，因煤層平盤上裂縫呈現(xiàn)增加趨勢，雨季來臨將增大滑塌風(fēng)險(xiǎn)，煤臺階長期暴露于空氣中容易發(fā)生自燃，主要以清幫處理的方式加以治理。

在清理該部分煤層的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)從670平盤自上而下清理，直至清理至煤層底板，從邊坡理論角度來看，這樣清理符合削幫減荷的邊坡理論，對整體邊坡有利。

(2)施工期間對裂縫區(qū)域加強(qiáng)巡查和監(jiān)測，有滑塌趨勢應(yīng)立即停止施工，盡快撤離人員設(shè)備，防止出現(xiàn)安全事故。

(3)禁止在夜間施工。

(4)施工期間盡量避免礦山其他位置爆破，若生產(chǎn)確需爆破，爆破后應(yīng)對該區(qū)域重點(diǎn)巡查，并對監(jiān)測情況進(jìn)行分析。

(5)施工期間有降雨情況，雨后應(yīng)對該區(qū)域進(jìn)行巡查，并對監(jiān)測情況進(jìn)行分析。

由于滑坡體上下各段各塊的滑動時(shí)間、滑動速度常常不一致，在滑坡體表面往往形成一些錯(cuò)臺、陡壁，這種微小的地貌稱為滑坡臺階或臺坎，而寬大平緩的臺面則稱為滑坡平臺或滑坡臺地。黑山頭礦山的煤層臺階滑坡，現(xiàn)場煤臺階平盤表現(xiàn)出明顯的裂縫拉張與平臺錯(cuò)動，根據(jù)現(xiàn)場探勘與勘查得出結(jié)論，主要受到了下部弱層與巖體節(jié)理裂隙構(gòu)造發(fā)育的影響。對于此類局部煤層臺階的滑坡，原則上應(yīng)從上至下進(jìn)行局部清理回收，回收至煤層底板，以解決局部煤層滑坡給生產(chǎn)帶來的安全隱患。施工期間應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果有異常，應(yīng)立即停止施工。

4.2 治理措施效果分析

為有效評價(jià)清幫處理方式對裂隙區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的治理效果，建立底板清理后的數(shù)值模型，通過模擬分析能夠得出裂隙區(qū)域底板清理后的剪應(yīng)力增量和位移云圖如圖5所示。

圖5 裂隙區(qū)域底板清理后剪應(yīng)力增量和位移云圖

分析圖5可知，清除了裂縫區(qū)域的上覆煤層，減小了裂縫區(qū)域邊坡的滑動力。從云圖可以看出，治理后應(yīng)力主要集中在煤層底板，說明在煤層底板傾角較大的位置，容易產(chǎn)生片幫，可根據(jù)邊坡監(jiān)測與巡查以及對生產(chǎn)安全的影響程度，靈活的進(jìn)行適當(dāng)?shù)木植壳鍘吞幚?。通過清幫與局部煤臺階滑坡治理，裂縫區(qū)滑坡問題得到了明顯的改善。

另外根據(jù)裂隙發(fā)育區(qū)域后續(xù)開采過程中的現(xiàn)場觀測可知，裂隙區(qū)域采取治理措施后，邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，無滑坡現(xiàn)象和滑坡傾向出現(xiàn)，治理措施有效保障了邊坡的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

根據(jù)黑山頭露天礦采場裂隙區(qū)域邊坡地質(zhì)特征及現(xiàn)有邊坡裂隙區(qū)域情況，采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行裂隙區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)分析，根據(jù)分析結(jié)果得出裂隙區(qū)域東北角的滑動趨勢，該處邊坡欠穩(wěn)定，確定采用清幫處理的方式進(jìn)行治理，根據(jù)治理措施實(shí)施后的模擬分析和現(xiàn)場觀測可知，治理方案保障了裂隙區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性。