塔爾II區(qū)露天煤礦橫采東幫邊坡穩(wěn)定性研究

王 東，邢曉宇，任 冉,2

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.山西工程技術(shù)學(xué)院 地球科學(xué)與工程系，山西 陽泉 029200）

0 引言

近年來，橫采內(nèi)排追蹤壓幫控制開采技術(shù)得到了大范圍推廣，該種開采條件下，深部邊坡受到橫采工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)雙重支擋形成的三維力學(xué)效應(yīng)，穩(wěn)定性大大提高，有利于高效回收邊坡壓覆資源[1-6].因此，對(duì)該種條件下的邊坡三維穩(wěn)定性形成定量認(rèn)識(shí)，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)工程布設(shè)與施工具有重要的實(shí)踐意義.

國內(nèi)外學(xué)者圍繞邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算方法開展了大量研究.HOVLAND H J[7]、HUNGR O[8]、HUANG C C等[9]、陳祖煜[10]、李同錄等[11]、朱大勇等[12]、盧坤林等[13]、周偉等[14]對(duì)經(jīng)典二維極限平衡法進(jìn)行了擴(kuò)展或改進(jìn)，推導(dǎo)出了邊坡三維穩(wěn)定性方法；溫樹杰等[15]提出一種基于最小勢(shì)能法的三維邊坡穩(wěn)定性分析方法；鄧東平等[16]假設(shè)滑體底界面服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，基于靜力平衡條件及繞點(diǎn)平行于各坐標(biāo)軸的力矩平衡條件，通過求解滑動(dòng)面法向應(yīng)力，提出了適用于任意形狀滑動(dòng)面的三維極限平衡法；余國等[17]通過GIS假定正應(yīng)力的分布情況，推導(dǎo)出三維穩(wěn)定性計(jì)算方程組；王東等[18]兼顧地層產(chǎn)狀及滑體空間形態(tài)，根據(jù)整個(gè)滑坡體的靜力平衡條件，提出了用于計(jì)算順傾弱層邊坡的三維極限平衡法.

上述方法均考慮了邊坡的三維效應(yīng)，推動(dòng)了邊坡穩(wěn)定性分析理論的不斷進(jìn)步，但都以均質(zhì)或類均質(zhì)邊坡為研究對(duì)象[19]，無法適用于橫采條件下的平面形態(tài)不規(guī)則、滑裂面形態(tài)復(fù)雜、巖土體材料各向異性的層狀邊坡.現(xiàn)以有限元法[20]、有限差分法[21]、離散元法[22]等為代表的各類數(shù)值模擬方法成為研究巖土體變形和穩(wěn)定性的主流方式.以塔爾煤田 II區(qū)露天礦為工程背景，采用數(shù)值模擬對(duì)其橫采東幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為露天礦開采設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

塔爾煤礦的建設(shè)是巴基斯坦首個(gè)大型露天煤礦項(xiàng)目，是中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司首個(gè)投資帶動(dòng)的 EPC項(xiàng)目.塔爾煤礦東幫邊坡地層順傾，傾角約2°；坡體內(nèi)有3個(gè)含水層，自上而下分別為第一、第二和第三含水層；在長(zhǎng)期疏干作用下，坡體內(nèi)現(xiàn)有3個(gè)典型弱層，弱層巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖或黏土質(zhì)粉砂巖為主，結(jié)構(gòu)比較松散，泥巖含水量大，對(duì)穩(wěn)定性不利.該露天礦主采煤層為2-3、2-4、2-7和2-8煤層，均賦存于第二含水層以下；原設(shè)計(jì)邊坡角25°、邊坡高度近200 m，主要使用縱采的方式進(jìn)行開采.為最大限度回收煤炭資源，擬采用橫采內(nèi)排追蹤壓幫控制開采方式對(duì)東幫進(jìn)行靠幫，為此，需要對(duì)橫采東幫邊坡三維穩(wěn)定性進(jìn)行研究，進(jìn)一步優(yōu)化深部邊坡空間形態(tài).東幫邊坡的工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)邊坡形態(tài)等見圖1，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1.

圖1 邊坡典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 typical engineering geological profile of slope

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2 邊坡三維穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

露天礦邊坡的形成不僅受到地質(zhì)條件和開挖活動(dòng)的影響，而且與采礦工程活動(dòng)形成的邊坡空間幾何形態(tài)與參數(shù)相關(guān)，應(yīng)將二者協(xié)同考慮.橫采內(nèi)排壓幫可以形成支擋，提高邊坡穩(wěn)定性.對(duì)于塔爾煤田II區(qū)露天礦采場(chǎng)東幫邊坡，僅考慮橫采壓幫至第二含水層底板，進(jìn)行三維模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化深部邊坡的空間形態(tài)與參數(shù).數(shù)值模擬采用 FLAC3D軟件，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為巖體失穩(wěn)判據(jù)，兼顧剪切和拉伸兩種破壞形式；通過計(jì)算得出位移云圖，確定滑坡模式；基于強(qiáng)度折減原理，通過折減巖土體抗剪參數(shù)來獲得邊坡臨界失穩(wěn)的狀態(tài)，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù).

采用 CAD-ANSYS建模再導(dǎo)入 FLAC3D生成模型，每個(gè)模型包括東幫、橫采工作幫和內(nèi)排土場(chǎng)三部分，見圖2.模型僅改變工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)間的追蹤距離L、東幫開挖坡角α與弱層內(nèi)摩擦角φ，相應(yīng)地改變走向長(zhǎng)度D2，其余變量不變（傾向長(zhǎng)度D1、高度H、橫采工作幫坡角β、內(nèi)排土場(chǎng)邊坡角φ）.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 numerical simulation model

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

為探討追蹤距離、深部邊坡角對(duì)邊坡破壞模式與穩(wěn)定性的影響，固定弱層內(nèi)摩擦角18°不變，改變深部邊坡角和追蹤距離，共建立15個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，獲得的邊坡變形破壞特征見圖3～圖5，穩(wěn)定性變化規(guī)律見圖6.

圖3 深部邊坡角35°，不同追蹤距離條件下邊坡位移Fig.3 3D and 2D displacement cloud images of deep slope with 35° angle and different tracking distances

圖4 深部邊坡角37°，不同追蹤距離條件下邊坡位移Fig.4 3D and 2D slope displacement cloud maps under the conditions of deep slope angle 37° and different tracking distances

圖5 深部邊坡角39°，不同追蹤距離條件下邊坡位移Fig.5 3D and 2D slope displacement cloud maps with 39° deep slope angle and different tracking distances

圖6 深部邊坡角與追蹤距離對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響Fig.6 influence of deep slope angle and tracking distance on slope stability

分析可知，當(dāng)追蹤距離較小時(shí)，由于受橫采工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的雙重支檔作用，深部巖體變形量相對(duì)較小，局部穩(wěn)定性也較好，整體邊坡的變形破壞以第二含水層底板弱層以上巖體為主，滑坡模式為以第二含水層底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)；隨著追蹤距離增大，深部巖體變形量和變形范圍逐漸增大，整體邊坡穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)，滑坡模式相繼過渡為以2-7-1煤層底板弱層和2-8煤底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng).深部邊坡角對(duì)邊坡變形與穩(wěn)定性影響較小，隨著深部邊坡角加陡，深部巖體變形量與變形范圍逐漸增大，局部穩(wěn)定性下降，但梯度較小.總體上，無論追蹤距離如何減小，淺部巖體由于未受到采場(chǎng)工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的雙重支檔作用，位移相對(duì)顯著，穩(wěn)定性較差.

為進(jìn)一步探討弱層內(nèi)摩擦角的影響，固定追蹤距離50 m不變，改變深部邊坡角與內(nèi)摩擦角，共建立 15個(gè)數(shù)值模擬模型，獲得的邊坡變形破壞特征見圖7～圖9，穩(wěn)定性變化規(guī)律見圖10.由圖10可見，深部弱層內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡變形與穩(wěn)定性影響較大，即隨著內(nèi)摩擦角的減小，深部巖體的變形范圍與變形量越來越大，整體邊坡穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)，滑坡模式由以第二含水層底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)相繼過渡為以2-7-1煤層底板弱層和2-8煤底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng).由于追蹤距離控制在50 m，深部邊坡角的影響很小，幾乎可以忽略.鑒于弱層本身的力學(xué)屬性具有明顯的不確定性，當(dāng)追蹤距離較小時(shí)，采用橫采方式進(jìn)行靠幫可大幅降低由這種不確定性帶來的滑坡風(fēng)險(xiǎn).

圖7 深部邊坡角35°，變化深部弱層內(nèi)摩擦角φ條件下邊坡位移Fig.7 slope displacement under the condition of 35° deep slope angle and change of internal friction angle of deep weak layer

圖8 深部邊坡角37°，不同深部弱層內(nèi)摩擦角φ條件下邊坡位移Fig.8 slope displacement under 37° deep slope angle and change of internal friction angle of deep weak layer

圖9 深部邊坡角39°，不同深部弱層內(nèi)摩擦角φ條件下邊坡位移Fig.9 slope displacement under deep slope angle 39° and changing internal friction angle of deep weak layer

圖10 深部邊坡角與弱層內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡三維穩(wěn)定性影響Fig.10 influence of deep slope angle and weak inner-friction angle on slope stability

3 結(jié)論

對(duì)巴基斯坦塔爾II區(qū)露天礦橫采東幫邊坡三維穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，揭示橫采工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離、深部邊坡角與弱層內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡破壞模式與穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下.

（1）追蹤距離增大過程中，東幫深部巖體變形量和變形范圍逐漸增大，滑坡模式為以第二含水層底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)，相繼過渡為以2-7-1煤層底板弱層和 2-8煤層底板弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)，導(dǎo)致整體邊坡穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì).

（2）當(dāng)追蹤距離較大時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨深部邊坡角增大而降低；當(dāng)追蹤距離較小時(shí)，深部邊坡角的影響很小，幾乎可以忽略，有利于實(shí)現(xiàn)深部陡幫開采.

（3）采用橫采內(nèi)排追蹤壓幫的方式，可借助橫采工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的雙重支檔作用，提高邊坡的穩(wěn)定性；合理控制追蹤距離前提下，以該種方式對(duì)深部邊坡進(jìn)行靠幫可大幅降低弱層力學(xué)屬性不確定性帶來的滑坡風(fēng)險(xiǎn).