露天礦含斷層與順傾弱層群邊坡形態(tài)分段優(yōu)化研究

李芳瑋，王 東，尹 立

(1.應急管理部信息研究院，北京 100029；2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

露天礦含斷層與順傾弱層群邊坡的破壞機制與穩(wěn)定性問題極為復雜，尤其是同時受到多個斷層與順傾弱層影響，如處理不當，易造成較大的安全問題與經(jīng)濟損失。平莊西露天礦西北幫受F3斷層切割，形成三維滑體，嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)[1]；黑山露天煤礦采場邊坡曾在斷層破碎帶作用下，發(fā)生過大規(guī)?；?，對露天礦安全生產(chǎn)造成一定的影響[2]。

近年來，國內(nèi)外一些學者圍繞斷層邊坡穩(wěn)定性的影響開展了一系列的研究。侯志鷹等[3]采用有限元三維數(shù)值模擬，對含相鄰順傾弱層的露天礦采場邊坡進行穩(wěn)定分析，得到了露天礦開采過程中邊坡巖體應力狀態(tài)和邊坡變形運動趨勢；李瑞青等[4]采用有限元三維數(shù)值模擬，研究了爆破震動作用下不同斷層厚度、斷層充填介質參數(shù)及斷層產(chǎn)狀等對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；李連崇等[5]利用RFPA-slope軟件，模擬分析了節(jié)理密度、位置、傾角等因素對巖質邊坡的穩(wěn)定性及滑坡模式的影響，證明了節(jié)理是導致邊坡破壞的關鍵因素；王鑫禹等[6]應用FLAC3D數(shù)值模擬，分析獲得了邊坡的表面巖體、斷層破碎帶中的充填物以及邊坡中斷層鄰近巖體塑性流動區(qū)、塑性卸荷區(qū)以及拉伸破碎區(qū)的發(fā)育和演變規(guī)律；楊繼紅等[7]對某一水電工程壩址區(qū)的二級結構面進行了分析，指出了對邊坡穩(wěn)定性及變形起控制作用的是斷層；曹蘭柱等[8]等運用3Dslope分析了斜交斷層作用下的逆傾邊坡的破壞模式與空間形態(tài)；李文秀等[9]以隴南廠壩露天礦北幫為工程背景，基于Drucker-Prager屈服條件，應用有限元法三維數(shù)值模擬無斷層存在及有斷層情況下爆破震動對邊坡穩(wěn)定性的影響；張均峰等[10]以某水電站壩址為工程背景，應用有限元三維數(shù)值模擬，研究了強震作用下含斷層邊坡的局部損傷軟化及破壞區(qū)的演化規(guī)律，揭示了滑坡機理；劉立巖[11]應用有限元三維數(shù)值模擬，分析平莊西露天礦西北幫F3斷層破碎帶的變形破壞機理，提出了合理的邊坡整治措施；陸衛(wèi)國[12]以準東露天礦為工程背景，采用二維極限平衡法分析評價了邊坡的穩(wěn)定性，制定了邊坡綜合治理方案；王珍等[13]以元寶山露天礦東幫邊坡為工程背景，建立邊坡三維地質模型，基于數(shù)值模擬分析結果從邊坡滑移模式的角度闡明斷層影響下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律；王凱等[14]應用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對露天礦含斷層邊坡兩種開挖進行模擬研究，總結出邊坡開挖時邊坡上觀測點的位移變形的規(guī)律以及開挖對斷層所造成的影響；李瑞青等[15]借助LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件研究了斷層厚度、產(chǎn)狀、斷距等地質特征對邊坡穩(wěn)定性的影響；陳鳳陽等[16]采用力學理論分析的方式闡明斷層傾角變化對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

總體上看，以往關于含斷層與弱層邊坡穩(wěn)定性研究，大多是針對某一工程實際進行的，尚未形成統(tǒng)一的認識；設計露天礦邊坡形態(tài)時，通常基于單一的二維或三維方法對整體穩(wěn)定性分析結果，將邊坡設計成斷面直線型，對于深部存在三維效應、多個順傾弱層控制的露天礦邊坡并不適用。為此，以典型礦山為工程背景，本文將二維與三維分析結合相結合，對露天礦含斷層與順傾弱層群邊坡形態(tài)進行優(yōu)化研究，為類似條件下邊坡穩(wěn)定性分析與控制提供指導與借鑒。

1 工程背景及邊坡工程地質條件分析

勝利東二號露天礦首采區(qū)南幫為典型的含斷層與順傾弱層群邊坡，自下而上發(fā)育地層為：第四系松散砂質粘土、第三系松散紅黏土，中生系以泥巖、煤層為主的含煤地層；主采兩層煤，其中6煤全區(qū)可采，5煤局部可采。經(jīng)勘探與現(xiàn)場地質寫實，南幫附近有F69、F68和F8斷層，且內(nèi)部發(fā)育多個巖性以泥巖和炭質泥巖為主的順傾弱層，穩(wěn)定性較差，持續(xù)發(fā)生大變形并曾發(fā)生過兩次大規(guī)模滑坡。為最大限度安全回收資源，將采用橫采內(nèi)排追蹤壓幫的方式對南幫邊坡壓煤進行回采，為此，須綜合考慮斷層與弱層群對邊坡穩(wěn)定性的影響，兼顧深部邊坡穩(wěn)定性的三維效應，對其空間形態(tài)進行優(yōu)化。邊坡工程地質條件如圖1所示，巖土體物理力學參數(shù)見表1。

圖1 典型工程地質剖面

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2 邊坡形態(tài)分段優(yōu)化

2.1 邊坡在垂直方向上的區(qū)段劃分及安全儲備系數(shù)選取

在橫采內(nèi)排開采方式下，南幫邊坡不同層位的裸露時間不同，為此，兼顧斷層、弱層與邊坡間的相對位置，將邊坡在垂直方向上劃分為3個區(qū)段；參照《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》(GB 50197—2015)中關于邊坡安全儲備系數(shù)的規(guī)定[17]，分別考慮邊坡類型、重要性、服務年限、地質條件與力學參數(shù)的可靠性、潛在滑坡危害程度，確定邊坡在垂直方向上的區(qū)段劃分及安全儲備系數(shù)選取結果見表2。

2.2 淺部邊坡分區(qū)段穩(wěn)定性分析與形態(tài)優(yōu)化

受順傾弱層與斷層影響，勝利東二號露天煤礦南幫的潛在滑坡模式為以圓弧(或斷層)為側界面、以弱層為底界面的切層-順層滑動(或鼓脹破壞)；另外，淺部邊坡走向長度大，采用二維極限平衡法，以現(xiàn)狀邊坡為基礎，分別針對不同開挖形態(tài)，分析不同滑坡模式條件下的邊坡穩(wěn)定性，進而分區(qū)段對其形態(tài)進行優(yōu)化。階段I優(yōu)化過程中的邊坡穩(wěn)定性計算結果及對應的滑面形態(tài)、位置如圖2所示，階段I邊坡穩(wěn)定性分析與形態(tài)設計結果見表3。當912水平留設40m寬平盤、降深至900水平時，最危險滑坡模式為F68斷層下盤1-2號弱層與F68斷層上盤6煤底板弱層，此時的穩(wěn)定系數(shù)為1.05，剛好滿足安全儲備系數(shù)要求，該形態(tài)即為階段I的優(yōu)化結果，對應的局部邊坡角12°、局部邊坡高度121.7m。同理，對淺部邊坡階段II形態(tài)優(yōu)化及穩(wěn)定性進行分析，此時的局部邊坡角16°、局部邊坡高度58m。

圖2 階段Ⅰ邊坡形態(tài)優(yōu)化過程與穩(wěn)定性計算結果

表3 階段Ⅰ邊坡穩(wěn)定性分析與形態(tài)設計結果

2.3 深部邊坡穩(wěn)定性分析與形態(tài)優(yōu)化

由于采用橫采內(nèi)排追蹤壓幫開采方式，深部邊坡受到橫采工作幫與內(nèi)排土場的雙重支擋，其穩(wěn)定性具有較顯著的三維效應。為此，本小節(jié)應用FLAC3D數(shù)值模擬，基于強度折減理論，在探討深部邊坡穩(wěn)定性三維效應的基礎上，對勝利東二號露天煤礦南幫深部邊坡形態(tài)進一步優(yōu)化。

根據(jù)以往的研究可知[18]，在橫采內(nèi)排條件下，影響順傾層狀邊坡深部穩(wěn)定性的最主要因素是內(nèi)排追蹤距離，當追蹤距離較小時，深部邊坡角對邊坡穩(wěn)定性影響較小。為此，本研究僅對不同追蹤距離(50m、100m、200m、400m、700m)條件下的邊坡穩(wěn)定性進行探討；為避免穩(wěn)定性最差的邊坡階段I發(fā)生滑動造成計算終止，從而無法獲得深部邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，建模時剔除了該階段的弱層，數(shù)值模擬模型如圖3所示。?？紤]到需要在南幫需要留設剝離物內(nèi)排通道，應在相應標高留設40m寬的運輸平臺，保安平臺寬度為15m。

圖3 數(shù)值模擬模型示意圖

模擬獲得的不同追蹤距離條件下的邊坡三維位移云圖與穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖4與圖5所示?？梢钥闯?，隨著追蹤距離的增大，邊坡的破壞模式由淺部大范圍破壞逐步過渡為深部破壞；當追蹤距離小于100m時，深部邊坡穩(wěn)定性比淺部邊坡穩(wěn)定性好；當追蹤距離為200m時，深部邊坡穩(wěn)定性與淺部邊坡穩(wěn)定性接近；當追蹤距離大于400m時，深部邊坡穩(wěn)定性比淺部邊坡穩(wěn)定性差。

圖4 不同追蹤條件下邊坡三維位移云圖

圖5 不同追蹤距離條件下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

顯然，在橫采內(nèi)排條件下，追蹤距離越小，越有利于邊坡穩(wěn)定性和縮短剝離運距，結合《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》(GB 50197—2015)中關于采場、內(nèi)排土場追蹤距離的規(guī)定[17]，可確定追蹤距離應為50m；斷面形態(tài)(圖6)可描述如下：階段Ⅰ邊坡角12°、邊坡高度121.7m；階段Ⅱ邊坡角16°、邊坡高度58m；階段Ⅲ以40m運輸平臺、15m保安平安進行降深，邊坡角19°、邊坡高度115.8m。

圖6 典型剖面到界邊坡形態(tài)設計

3 結 論

1)橫采內(nèi)排追蹤壓幫開采條件下，露天礦層狀邊坡垂直方向上的地層巖性、工程發(fā)展過程中的服務時間以及要求的穩(wěn)定程度存在較大差別，而且深部邊坡穩(wěn)定性具有一定的三維效應，在設計時應予以考慮。

2)勝利東二號露天煤礦邊坡穩(wěn)定性主要受坡體內(nèi)一系列順傾弱層控制，斷層亦可能作為滑體的邊界，其潛在滑坡模式為以圓弧或斷層為側界面、以弱層為底界面的切層-順層滑動或切層-順層-鼓脹破壞。

3)隨著追蹤距離-的增大，邊坡深部穩(wěn)定性逐漸減弱，破壞模式由淺部大范圍破壞逐步過渡為深部破壞。

4)在橫采工作幫與內(nèi)排土場雙重支檔作用下，勝利東二號露天煤礦邊坡應劃分為三個階段：階段I邊坡高度121.7m、邊坡角12°，階段II邊坡高度58m、邊坡角16°，階段III邊坡高度115.8m、邊坡角19°，整體邊坡角14°；橫采工作幫與內(nèi)排土場追蹤距離應為50m。