東明礦西幫復(fù)合邊坡破壞模式及變形控制研究

郭海棣，王振偉，李元浩，黃科偉，林令鑫，弓啟祥

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100041；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

我國(guó)作為礦產(chǎn)資源豐富的大國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦山資源的開(kāi)采、開(kāi)發(fā)和利用的速度也迅速增加，形成的露天礦邊坡數(shù)量越來(lái)越多。而露天礦隨著開(kāi)采深度和排土量的增加，外排土場(chǎng)－采場(chǎng)型的復(fù)合型邊坡其穩(wěn)定性受到了越來(lái)越多巖土領(lǐng)域?qū)W者們的重視。這種復(fù)合邊坡直接關(guān)系到露天礦的安全生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展，也對(duì)作業(yè)生產(chǎn)人員的安全構(gòu)成了直接的威脅。因此，對(duì)露天礦復(fù)合邊坡破壞模式和變形控制技術(shù)進(jìn)行研究，是對(duì)礦山安全生產(chǎn)的重要保證。

對(duì)于露天礦復(fù)合邊坡破壞模式及變形控制技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了探索，并且取得了豐富的成果。厲美杰等[1]利用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，對(duì)提出的4 種設(shè)計(jì)規(guī)劃的橫向位移以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，最終表明，伴著外排土場(chǎng)的高度不斷變大，外排土場(chǎng)距離著西邊坡的距離變大，坡體的橫向位移朝著坡體里側(cè)運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移伴著時(shí)間的變化有所波動(dòng)；陳毓[2]利Midas 數(shù)值模擬軟件，發(fā)揮其快速建模的特點(diǎn)，建立數(shù)值模型，導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，研究邊幫和外排土場(chǎng)的空間關(guān)系，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析出安全系數(shù)及位移場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的變化趨勢(shì)，得出邊幫與外排土場(chǎng)的安全距離為90 m；白潤(rùn)才等[3]利用Midas 數(shù)值模擬軟件，發(fā)揮其快速建模的特點(diǎn)，建立數(shù)值模型，導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，研究露天礦復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，利用白音華二號(hào)采場(chǎng)－外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡為研究背景，采用三維仿真技術(shù)反向計(jì)算不同堆載高度和不同堆載距離對(duì)采場(chǎng)－外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證分階段分局部控制反向計(jì)算采場(chǎng)－外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性方法的可信；曹蘭柱等[4]對(duì)于露天礦在生產(chǎn)的過(guò)程中邊坡含有斷層，復(fù)合邊坡含排土場(chǎng)，下部含有礦坑邊坡的復(fù)雜問(wèn)題，以烏蘭圖嘎露天礦一采區(qū)西幫邊坡的工程實(shí)際為背景，基于強(qiáng)度折減法，研究了斷層的空間位置對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。

綜上，以東明露天礦西幫邊坡為背景，對(duì)復(fù)合邊坡的破壞模式及變形控制技術(shù)進(jìn)行研究，分析其位移場(chǎng)以及剪切應(yīng)變的演化規(guī)律，為露天礦復(fù)合邊坡的建設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

東明露天煤礦位于大興安嶺西坡的海拉爾河北岸，此區(qū)域是存在一定坡度的高部平原地區(qū)，在其北部以及東北方向和較為矮的丘陵連接，海拔高度605～630 m，區(qū)域內(nèi)部地貌較為平緩，沒(méi)有大型的河流和湖泊，在其南部7 km 有海拉爾河，西北約15 km有莫勒格爾河。東明露天礦在交通運(yùn)輸上較為方便。該地區(qū)是亞寒帶大陸性氣候，在冬季比較寒冷，且冬季漫長(zhǎng)，夏季比較炎熱且短暫，春季及秋季風(fēng)較大。

東明露天礦西幫賦存的巖土層主要由排棄物、第四系松散層、泥巖、煤層、基巖5 個(gè)部分組成。排棄物主要由采場(chǎng)的挖掘物土、砂巖、泥巖、砂泥巖等混合物構(gòu)成，粒徑各不相同，組合雜亂，組織松散。就地基來(lái)說(shuō)，該層排棄物是構(gòu)建復(fù)合邊坡的一種特殊方式與形狀的高壓載荷。第四系松散層由砂土、黏土、砂礫石組成。泥巖分布在煤層的上下兩側(cè)，基巖分布在最底端。

2 理論基礎(chǔ)及模擬模型

2.1 有限元強(qiáng)度折減法和莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型

有限元強(qiáng)度折減法是將邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ 的值逐漸減小，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，最終折減系數(shù)F 為邊坡的安全系數(shù)FS[5-6]。

式中：CF為折減后的黏聚力；C 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；φF為折減后的內(nèi)摩擦角。

莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型是相對(duì)的彈塑性模型，最重要的是把胡克定律和庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則有機(jī)結(jié)合在一起。莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型主要有5 個(gè)力參數(shù)：其中彈性模量和泊松比是控制彈性行為的參數(shù)，黏聚力、內(nèi)摩擦和剪脹角是控制塑性行為的參數(shù)。莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型的假定對(duì)于大多數(shù)非線性的分析是可靠的，所以莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型可以用于大部分巖土材料。

每種材料都有著各自對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，它們又對(duì)應(yīng)著剪切強(qiáng)度方程。和另一些材料不一樣，土是不容易抗拉的，發(fā)生剪切的破壞是特別容易的。在坡體的自身重立的條件下，剪應(yīng)力會(huì)在邊坡上產(chǎn)生，伴著剪應(yīng)力的不斷演化，應(yīng)變也跟隨著持續(xù)變化，向特定的面發(fā)生剪切破壞。剪切應(yīng)力引起的抗剪行為和抗剪極限叫做剪切強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度包括黏聚力和內(nèi)摩擦角[7-9]。

2.2 模擬模型

利用有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS NX 對(duì)模型進(jìn)行建立及計(jì)算。按照真實(shí)的坡體形狀巖土體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)參數(shù)，利用典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型剖面如圖1。

圖1 模型剖面

利用Midas GTS NX 數(shù)值模擬軟件強(qiáng)度折減法，去分析坡體位移場(chǎng)的變化，以及最大剪應(yīng)力等等的變化，對(duì)露天煤復(fù)合邊坡的破壞模式及變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。該坡體的剖面高度為170 m，長(zhǎng)度為581 m，坡體的模型剖面主要?jiǎng)澐譃? 個(gè)土層：排棄物、第四系、泥巖、煤層、基巖。

邊坡鉆孔8 個(gè)。針對(duì)80 個(gè)樣本，進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)，其各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)

由真實(shí)得到的物理力學(xué)參數(shù)賦予模型中土體的屬性。模型采用莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型，在容易滑移的地帶進(jìn)行網(wǎng)格的加密，針對(duì)邊坡進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，對(duì)該模型縱軸方向給予重力方向的效果，以及對(duì)模型進(jìn)行固定的約束，添加水位線。

3 邊坡破壞模式

在變形控制前，原始邊坡水平位移云圖如圖2。原始邊坡豎向位移云圖如圖3，原始邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)茍D如圖4。

圖2 控制前水平位移云圖

圖3 原始邊坡豎向位移云圖

圖4 控制前最大剪應(yīng)變?cè)茍D

由圖2 可知：邊坡的水平位移最大值為600 mm，且主要水平位移發(fā)生在復(fù)合邊坡下部礦坑邊坡沿泥巖順層至坡腳處。

由圖3 可知：邊坡的豎向位移最大值為365 mm，且主要發(fā)生在坡頂位置，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

由圖4 可以看到：煤層和兩側(cè)泥巖帶，以及復(fù)合邊坡上部排土場(chǎng)的坡腳處和下部礦坑邊坡坡腳處發(fā)生剪切破壞且易發(fā)生貫通。

上部排土場(chǎng)容易發(fā)生圓弧狀滑坡，下部礦坑邊坡容易發(fā)生坐落滑移狀滑坡，分析其原因，主要因?yàn)槊簩蛹皟蓚?cè)泥巖過(guò)于軟弱，在上部排土場(chǎng)的堆載作用下，經(jīng)過(guò)擠壓作用，使得中部形成較大的塑性應(yīng)變，加速了下部煤層和泥巖軟弱帶的滑出。同時(shí)上部排土場(chǎng)的不規(guī)范堆載也導(dǎo)致了排土場(chǎng)坡

4 變形控制技術(shù)

在對(duì)邊坡進(jìn)行壓腳變形控制后，復(fù)合邊坡的水平位移云圖如圖5。復(fù)合邊坡豎向位移云圖如圖6，壓腳變形控制之后邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)茍D如圖7。

圖5 復(fù)合邊坡水平位移云圖

圖6 復(fù)合邊坡豎向位移云圖

圖7 控制后最大剪切應(yīng)變?cè)茍D

由圖5 可知：邊坡的水平位移最大值為418 mm，且主要水平位移發(fā)生在復(fù)合邊坡上部排土場(chǎng)的坡腳處，以及復(fù)合邊坡下部礦坑邊坡沿泥巖順層至坡腳處。對(duì)比壓腳變形控制前的邊坡，控制后邊坡的水平位移大幅度減小。

由圖6 可知：邊坡的豎向位移最大值為253 mm，且主要發(fā)生在坡頂位置。對(duì)比壓腳變形控制前的邊坡，控制后邊坡的豎向位移變化幅度不大。說(shuō)明壓腳的邊坡變形控制技術(shù)對(duì)水平位移影響較大，效果比較明顯。

由圖7 可知：經(jīng)過(guò)壓腳控制措施之后，邊坡下部坡腳處無(wú)明顯剪切破壞。坡體經(jīng)過(guò)變形控制措施后，穩(wěn)定性顯著提高。

5 結(jié)語(yǔ)

1）以東明露天煤礦為項(xiàng)目背景，采用Midas GTS NX 有限元軟件對(duì)復(fù)合邊坡的破壞模式及變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。在變形控制之前，原始復(fù)合邊坡上部主要發(fā)生圓弧狀滑坡，下部礦坑邊坡主要發(fā)生坐落滑移式滑坡。上部發(fā)生圓弧狀滑坡主要因?yàn)榕牌谖锒演d方式導(dǎo)致，下部發(fā)生坐落滑移式滑坡主要由于上部排棄物的堆載作用，增大了坡體后緣的載荷，對(duì)中下部軟弱帶進(jìn)行了擠壓。從而導(dǎo)致后緣豎向位移較大，中下部水平位移較大。

2）在對(duì)復(fù)合邊坡進(jìn)行壓腳變形控制措施之后，原始復(fù)合邊坡的上部滑移發(fā)生明顯改善，下部礦坑邊坡在壓腳的作用下，水平位移大幅度減小。由此可看出，影響復(fù)合邊坡發(fā)生變形的主要因素是位于中下部的軟弱帶，對(duì)軟弱帶進(jìn)行控制是對(duì)邊坡整體變形有效的控制，使得邊坡處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。