露天煤礦非工作幫順傾軟巖邊坡穩(wěn)定性研究

李思維，周亞森

（1.國能新疆紅沙泉能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000）

內(nèi)蒙古霍林郭勒、錫林郭勒盟、呼倫貝爾等高寒地區(qū)的褐煤露天煤礦，大多屬軟巖邊坡，產(chǎn)生的滑坡災害較為嚴重[1-2]。一旦發(fā)生滑坡，將直接影響露天礦采掘工程的推進，并危及人員和礦山設備的安全[3-4]。確保順傾軟巖邊坡穩(wěn)定是實現(xiàn)含有此類邊坡的露天煤礦安全、降低成本、提高效率開采的基礎條件[5]。

國內(nèi)相關學者對軟巖邊坡進行了很多研究。王東等[6]為解決復合煤層露天礦軟巖邊坡形態(tài)參數(shù)優(yōu)化這一難題，采用剛體極限平衡理論和FLAC3D數(shù)值模擬軟件相結合的方法，提出了一種順傾層狀邊坡參數(shù)逐階段優(yōu)化方法；曹蘭柱等[7-8]基于強度折減原理，應用有限差分軟件FLAC3D模擬分析了露天礦斷層位置、傾角及弱層逆傾角度不斷變化時軟巖邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，闡明了邊坡變形破壞機理；李金典等[9]基于GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析各個監(jiān)測點隨邊坡變形的位移動態(tài)變化過程，結合氣候條件及邊坡軟巖特性，總結了邊坡變形規(guī)律。

綜上，在分析露天礦軟巖邊坡穩(wěn)定性分析相關研究現(xiàn)狀的基礎上，以白音華二號露天礦背景，采用巖土工程數(shù)值模擬軟件FLAC3D，以Mohr-Coulomb準則作為強度判據(jù)，獲得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過分析模擬得到的應力（位移）云圖、剪應變增量圖等，獲取邊坡的滑移模式及力學機制，揭示邊坡穩(wěn)定性的形態(tài)效應與尺寸效應，建立臨界坡角與弱層暴露臨界長度之間的關系曲線，確定采場與內(nèi)排土場之間的追蹤距離，最終設計并構筑有利于穩(wěn)定的白音華二號露天煤礦非工作幫邊坡空間幾何形態(tài)。

1 研究區(qū)域工程地質(zhì)

1.1 邊坡工程地質(zhì)特征

白音華二號露天煤礦位于哈日根臺蘇木，礦區(qū)地層包括下統(tǒng)白堊系的巴彥花組、上新統(tǒng)的新近系，以及第四系。

露天礦的北側(cè)幫為最終幫，經(jīng)過長期風化和侵蝕作用，地形逐漸演化成低山緩坡的丘陵地貌，這種地貌主要是由于地層傾斜所形成的。巖石表面通常被風化的黃土覆蓋，而在丘陵邊緣地區(qū)，分布著第四系沉積物，包括粉砂土、細砂土、亞砂土、亞黏土和砂礫石層[10]；這些沉積物的厚度一般在1.20～37.15 m。白音華二號露天煤礦邊坡地層剖面如圖1。

圖1 白音華二號露天煤礦邊坡地層剖面

1.2 研究區(qū)域滑坡分析

白音華二號露天煤礦，其非工作幫為典型順傾軟巖邊坡，于2010 年9 月10 日發(fā)生滑坡，滑體東西長約1.5 km，南北寬約1.35 km，高差約172 m，體積大約8 100 萬m3；隨著露天采場的延深，又于次年5月16 日發(fā)生第2 次滑坡，滑坡體東西長約1.597 km，南北寬約1.476 km，高差約205 m，體積增大到9 400 萬m3。2 次滑坡波及采場的整個南幫和外排土場的3 個臺階，滑坡體壓煤3 Mt 無法回采，嚴重影響了露天礦采剝工程的發(fā)展及露天礦經(jīng)濟效益[11]。

白音華二號露天煤礦非工作幫滑坡恰恰是在留設的中間橋被撤掉后經(jīng)歷了一段時間后發(fā)生的，而與其相鄰的三號露天煤礦一直留有中間橋，即邊坡走向長度大大減小，至今尚未有大型滑坡發(fā)生，此外，同一煤田的一號露天煤礦和四號露天煤礦以及勝利煤田的東二號露天煤礦由于深部工作線長度尚未全線拉開，邊坡暴露長度較小，其非工作幫一側(cè)至今未發(fā)生大型滑坡。這足以說明研究邊坡穩(wěn)定性的時空效應是確定邊坡合理的空間形態(tài)與工程實施進度的重要依據(jù)，也是邊坡工程優(yōu)化設計和安全實施的基礎[12]。因此，對邊坡穩(wěn)定性的時空效應進行深入研究，是保障邊坡穩(wěn)定安全的主要途徑之一[13]。

為此，通過對擬控制邊坡進行三維穩(wěn)定性分析，揭示邊坡穩(wěn)定性的形態(tài)效應與尺寸效應，建立臨界坡角與弱層暴露臨界長度之間的函數(shù)關系，確定采場與內(nèi)排土場之間的追蹤距離，以此為依據(jù)設計并構筑有利于穩(wěn)定的邊坡空間幾何形態(tài)。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

通過建立白音華二號露天煤礦邊坡數(shù)值模擬模型，進行露天礦的邊坡穩(wěn)定性分析。邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結果見表1，弱層暴露100 m 時不同開挖坡角下邊坡空間位移云圖如圖2，開挖形態(tài)與尺寸與邊坡初始變形的關系如圖3，開挖形態(tài)與尺寸組合效應與邊坡穩(wěn)定性的關系曲線如圖4，開挖形態(tài)與尺寸與邊坡穩(wěn)定性的關系擬合如圖5。

表1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結果

圖2 弱層暴露100 m 時不同開挖坡角下邊坡空間位移云圖

圖3 開挖形態(tài)與尺寸與邊坡初始變形的關系

圖4 開挖形態(tài)與尺寸組合效應與邊坡穩(wěn)定性的關系曲線

圖5 開挖形態(tài)與尺寸與邊坡穩(wěn)定性的關系擬合

模擬結果表明，滑坡模式為延弱層底界面的切層-順層滑動，且邊坡空間位移變化劇烈的區(qū)域多集中在暴露弱層的中部，當降深至3#煤層底板時，非工作幫邊坡的潛在滑坡模式與弱層暴露長度有一定關系，即在相同開挖坡角下，隨著弱層暴露長度增大，空間位移及波動范圍也隨之增大；在相同弱層暴露長度下，隨著開挖坡角增大，空間位移及波動范圍也隨之增大。

由圖3 可以看出：在相同條件下，邊坡初始變形隨著弱層暴露長度及開挖坡角的增大呈現(xiàn)增大的趨勢；當弱層暴露長度超過300 m 或開挖坡角超過40°時，其變形值呈現(xiàn)跳躍式增大；當弱層暴露長度為400 m，開挖坡角為50°時，此時邊坡初始變形達到最大值0.2 m。

由圖4 可以看出：在相同條件下，隨著開挖坡角的增大，邊坡的穩(wěn)定性逐漸減；總體來看，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)會呈現(xiàn)出與坡角正相關的減小趨勢，而與弱層暴露長度呈負相關的減小趨勢。

由圖5 可以得到源數(shù)據(jù)曲線與擬合后的指數(shù)函數(shù)之間的R2均達到了0.99 接近于1，說明擬合效果良好，在一定程度上反映了邊坡穩(wěn)定性與開挖坡角和弱層暴露長度之間的指數(shù)函數(shù)關系。

3 邊坡空間形態(tài)優(yōu)化

開挖至3 煤層底板條件下，由邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬結果可知：當弱層暴露長度為50 m 時，臨界開挖坡角將繼續(xù)增大；當開挖坡角為20°時，弱層的臨界暴露長度約為400 m；當開挖坡角為30°時，弱層的臨界暴露長度約為350 m；當開挖坡角為40°時，弱層的臨界暴露長度約為250 m；當開挖坡角為50°時，弱層的臨界暴露長度約為80 m。開挖坡角α與弱層臨界暴露長度之間L 的關系擬合如圖6。

圖6 開挖坡角與弱層臨界暴露長度之間的關系

通過非線性擬合，圖6 中紅色線為弱層暴露長度與邊坡穩(wěn)定性的關系擬合曲線，此時R2均達到了0.99 接近于1，說明擬合效果良好。可據(jù)此確定不同開挖坡角條件下的坑底寬度，即確定了能夠滿足邊坡安全的采場、內(nèi)排土場見的追蹤距離。

考慮到弱層暴露長度較小條件下，初始溝端幫邊坡角對整體邊坡穩(wěn)定性影響較小，因此，只考慮運輸系統(tǒng)布置（運輸平盤寬度）要求，確定其邊坡角為45°，此時坑底弱層的臨界暴露長度約為176 m，即只要橫采條件下的采場、內(nèi)排土場追蹤距離小于176 m（圖6 中綠色填充區(qū)域），邊坡即可滿足安全要求。

4 結語

1）結合白音華二號露天煤礦非工作幫為典型順傾軟巖邊坡的工程實際情況，采用巖土工程數(shù)值模擬軟件FLAC3D，經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)會隨著開挖坡角的增加而呈現(xiàn)正指數(shù)下降的趨勢，隨著弱層暴露長度的增大呈負指數(shù)關系減小。

2）通過研究發(fā)現(xiàn)有效提高邊坡的穩(wěn)定性實際上是通過合理管理弱層的顯露長度以及適當調(diào)整開挖坡度來實現(xiàn)的。

3）考慮運輸系統(tǒng)布置（運輸平盤寬度）要求，最終確定白音華二號露天煤礦非工作幫開挖坡角為45°，此時坑底弱層的臨界暴露長度約為176 m，即只要橫采條件下的采場、內(nèi)排土場追蹤距離小于176 m，邊坡即可滿足安全要求。