井工采動(dòng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響研究

孫典卓

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100176）

隨著我國(guó)能源需求量的日益增加，露天轉(zhuǎn)地下井工開(kāi)采便成為常見(jiàn)的開(kāi)采方式之一[1]。相比于地下開(kāi)采，露天礦山安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵在于保證邊坡的穩(wěn)定，而滑坡是露天生產(chǎn)中最常見(jiàn)的邊坡破壞形式[2-4]。井工開(kāi)采會(huì)造成圍巖應(yīng)力改變，這一改變過(guò)程會(huì)導(dǎo)致巖體的完好性與完整性受損，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成了一定的影響[5]。為研究井工開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響，我國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。侯鵬[6]通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)對(duì)順、逆坡開(kāi)采下端幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，順坡開(kāi)采更加有利于保證邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)預(yù)留保安煤柱可顯著降低頂板下沉量；韓亮[7]以安太堡為研究背景，使用FLAC3D數(shù)值軟件研究了換界開(kāi)采條件下南幫破壞模式，并采用GEO－Slope 進(jìn)行了南幫穩(wěn)定性分析；楊宇江等[8]利用FLAC3D軟件研究了地下采深對(duì)露天邊坡巖體的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)的影響規(guī)律，隨著地下開(kāi)采深度的增加，保證覆巖處于穩(wěn)定標(biāo)高，可顯著優(yōu)化露天邊坡塑性區(qū)與應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)，有效控制圍巖變形，預(yù)防邊坡破壞；徐帥等[9]采用PFC 與FLAC 數(shù)值軟件進(jìn)行了地下開(kāi)采方法對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，表明了進(jìn)路充填采礦法的可行性；王韜等[10]以黑岱溝露天礦為背景，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)和理論分析了開(kāi)挖卸荷條件下露天邊坡的穩(wěn)定性，得到了邊坡應(yīng)力與變形特征；袁遠(yuǎn)等[11]采用GEO－Slope 程序?qū)Π蔡ぢ短斓V排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究，分析了邊坡破壞規(guī)律，并針對(duì)性地提出了壓腳措施，有效控制了變形范圍，保證了礦山排土場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定?；诖?，對(duì)安家?guī)X露天礦井工采動(dòng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。

1 工程概況

安家?guī)X露天礦南北長(zhǎng)9.5 km，東西寬5.3 km，邊坡高度達(dá)200 m 左右。井工礦井田位于安家?guī)X礦的南北兩側(cè)，由露天礦不采區(qū)、上窯采區(qū)以及太西采區(qū)構(gòu)成。其中上窯采區(qū)呈不規(guī)則的多邊形，東西寬1.7～2.3 km，南北長(zhǎng)1.7～2.65 km。區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層。巖層產(chǎn)狀平緩，呈近水平緩傾斜分布，傾角一般在2°～5°，局部達(dá)12°。端幫邊坡從上往下依次為黃土層、砂巖層，4＃和9＃煤層。上窯外排土場(chǎng)為長(zhǎng)條形狀，1 條帶式輸送機(jī)走廊將其分為東、西2 部分；最大排高140 m，東區(qū)最大排棄標(biāo)高1 455 m 水平，西區(qū)最大排棄高為1 430 m 水平；排土場(chǎng)邊坡由黃土構(gòu)成，其中黃土帶有少量巖石。

露天礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤系地層之底板巖性多為含黏土質(zhì)的頁(yè)巖和砂頁(yè)巖，都為隔水巖層，露天礦的底部不會(huì)有水突出。井工礦主要采4＃、9＃以及11＃煤層。4＃煤層位于上窯采區(qū)，埋深70.82～343.42 m，平均221.85 m，采用斜井開(kāi)拓方式，煤層賦存穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單，厚度為12 m，直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

2 數(shù)值模似

選取有代表性的A－A＇、B－B＇ 2 個(gè)剖面，其中A－A＇斷面邊坡緊鄰鐵路環(huán)線，為上窯排土場(chǎng)西南部典型剖面；B－B＇剖面位于上窯區(qū)，縱切安家?guī)X露天礦南幫和西排土場(chǎng)。所選取的2 個(gè)剖面能比較全面地反映出井工采動(dòng)對(duì)露天礦端幫和排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，剖面具體位置如圖1。FLAC 邊坡數(shù)值模擬分析的巖體力學(xué)參數(shù)及支護(hù)材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土材料物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 剖面位置平面圖

2.1 FLAC 數(shù)值分析

井工采動(dòng)主要影響包括上窯排土場(chǎng)邊坡和露天礦邊坡。使用FLAC 軟件在A－A＇剖面建立數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型?00 m，長(zhǎng)2 500 m，共劃分為21×44＝924 個(gè)有限元網(wǎng)格。模型底部設(shè)為全約束，側(cè)面設(shè)為水平約束。研究只將巖土體自重應(yīng)力考慮在內(nèi)，并認(rèn)為邊坡開(kāi)挖已經(jīng)完成，著重研究井工開(kāi)采擾動(dòng)條件下邊坡巖體變形破壞特征。開(kāi)挖模擬是從首采區(qū)北邊界開(kāi)始從右向左進(jìn)行開(kāi)挖，每步掘進(jìn)200 m，重點(diǎn)分析第1、第2 步開(kāi)挖后邊坡巖體的變形與破壞特征。第1 步開(kāi)挖（開(kāi)挖200 m）數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果如圖2。第2步開(kāi)挖（開(kāi)挖400 m）數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖2 第1 步開(kāi)挖（開(kāi)挖200 m）數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

圖3 第2 步開(kāi)挖（開(kāi)挖400 m）數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

由圖2 可知，第1 步開(kāi)挖完成后，采空區(qū)附近圍巖、坡腳位置的地表以及黏土弱層都進(jìn)入塑性區(qū)域，但在坡腳附近的風(fēng)氧化煤弱層并沒(méi)有進(jìn)入塑性區(qū)。在完成第1 步開(kāi)挖（開(kāi)挖200 m）后，采空區(qū)上覆巖層的主應(yīng)力矢量發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)；排土場(chǎng)坡腳上端的臺(tái)階平盤(pán)為最大水平位移位置，上覆巖層最大垂直位移為4.25 m，井采巖移角70°左右。分析邊坡巖體的水平位移與垂直位移以及塑性區(qū)分布可知，在井工開(kāi)采作用下，排土場(chǎng)坡腳位置出現(xiàn)開(kāi)裂后形成拉伸裂隙，從而構(gòu)成潛在滑坡后緣，后向下發(fā)育到風(fēng)氧化煤弱層，最后裂縫在坑下沿煤層頂板水平剪出。因?yàn)闆](méi)有徹底連通排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)面的巖體塑性區(qū)，故此邊坡整體不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)滑移。

由圖3 可知，在完成第2 步開(kāi)挖（開(kāi)挖400 m）后，采空區(qū)上覆巖體的塑性區(qū)與黏土弱層連合，上覆圍巖最大垂直位移與最大水平位移分別為7.5 m 和1.5 m，其中排土場(chǎng)頂端的平盤(pán)處為最大水平位移位置，其位移值為1.5 m。故排土場(chǎng)邊坡的潛在滑坡模式為在排土場(chǎng)邊坡頂端平盤(pán)出現(xiàn)拉裂縫，裂縫向下延伸并貫穿黏土弱層，最后沿坡腳剪出。

隨著開(kāi)挖長(zhǎng)度的推進(jìn)，開(kāi)采擾動(dòng)作用愈發(fā)明顯，塑性區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，邊坡巖體的最大水平位移與垂直位移都增大。邊坡內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，并與基巖面之上的黏土弱層連通，造成了邊坡的失穩(wěn)破壞。

2.2 RFPA 數(shù)值分析

選取B－B＇剖面并建立計(jì)算模型，該斷面為上窯排土場(chǎng)邊坡，全部在井工采動(dòng)影響范圍內(nèi)。分析BB＇ 剖面的破壞機(jī)理對(duì)于正確認(rèn)識(shí)井采擾動(dòng)條件下邊坡破壞模式與合理評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。RFPA 數(shù)值試驗(yàn)只研究4＃煤層開(kāi)采條件下的邊坡巖土體破壞情況。

RFPA 數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。圖4（a）為巖體邊坡破裂模式圖；圖4（b）為應(yīng)力分布圖，亮度表示應(yīng)力大小，越亮表示應(yīng)力越大；圖4（c）為破壞分布圖，白色為剪切破壞單元，深色為拉伸破壞單元。

圖4 RFPA 數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

由圖4 已知，井工采動(dòng)后，上覆巖體整體切落到地表，切落面主要為剪切破壞。在排土場(chǎng)邊坡地表形成拉伸裂隙，構(gòu)成了潛在滑坡后緣，與基巖之上的黃土、排土物料等黏土弱層貫通，最終導(dǎo)致“圓弧－順層”潛在滑坡破壞模式。

3 結(jié)語(yǔ)

1）A－A＇ 剖面排土場(chǎng)邊坡在完成200 m 開(kāi)挖后由于裂縫沒(méi)有徹底連通排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)面的巖體塑性區(qū)而不會(huì)出現(xiàn)破壞；在開(kāi)挖400 m 后，排土場(chǎng)邊坡易出現(xiàn)潛在滑坡模式，在頂部平盤(pán)位置出現(xiàn)拉裂縫并向下延伸直至貫穿黏土弱層，最后沿坡腳剪出。

2）B－B＇剖面在進(jìn)行井采擾動(dòng)后，上覆圍巖整體切落于排土場(chǎng)邊坡的地表，并在此地表處形成拉裂隙，構(gòu)成了潛在滑坡后緣，后與基巖之上的黃土、排土物料等黏土弱層貫穿，最終導(dǎo)致“圓?。槍印睗撛诨缕茐哪Ｊ?。