傾斜基底內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性分析

宋子嶺 劉文坊 范軍富 楊星辰 曹蘭柱

(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

露天礦在生產(chǎn)過程中為減少土地占用和縮短剝離運距會將剝離物直接排棄到露天采場的采空區(qū)內(nèi)，形成內(nèi)排土場。內(nèi)排土場邊坡高大且距離采剝工作面較近，其穩(wěn)定性直接影響到露天礦能否安全生產(chǎn)。內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性除了與排棄物料性質(zhì)、基底巖土體性質(zhì)、邊坡形態(tài)等因素有關外，基底形態(tài)也是影響到其穩(wěn)定性的主要因素。如果基底傾向與內(nèi)排土場邊坡傾向一致，內(nèi)排土場邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)轫槂A邊坡，高大邊坡與順傾邊坡并存，必將對邊坡安全造成重大隱患。因此對傾斜基底內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進行分析，研究內(nèi)排土場能否繼續(xù)推進、采用何種形態(tài)推進是保障露天礦安全生產(chǎn)關鍵。

一直以來，對邊坡穩(wěn)定性的研究得到了國內(nèi)外學者的高度重視，多種分析方法和數(shù)值模擬技術(shù)被相繼提出和改進。1916年瑞典人彼得森最早提出了用極限平衡條分法來計算邊坡穩(wěn)定性。1996年，美國學者Clough與Woodward開始采用有限元法來分析邊坡的潛在滑動模式和破壞結(jié)構(gòu)，此后數(shù)值分析法在邊坡問題中被廣泛使用并不斷完善[1]。我國學者陳祖煜、朱大勇、曹蘭柱等[2-4]在邊坡穩(wěn)定性的理論計算與數(shù)值模擬方面也先后做出了很大貢獻。針對順傾基底邊坡穩(wěn)定性的研究方面，王勝以新疆哈密吉朗德露天礦為依托，開展了非工作幫順傾層狀邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設計[5]；張信等[6]將邊坡失穩(wěn)判據(jù)設定為摩爾-庫倫準則，結(jié)合強度折減理論，對順傾軟弱基底邊坡進行了穩(wěn)定性分析；陳立云[7]以勝利西二號露天礦排土場為例，對傾斜基底排土場邊坡穩(wěn)定性進行了預測。

學者們雖對邊坡穩(wěn)定性分析做了一定量的研究，但針對傾斜基底對內(nèi)排土場這種松散巖土邊坡穩(wěn)定性的影響研究較少，尤其是內(nèi)排土場邊坡受傾斜基底影響其穩(wěn)定性的變化規(guī)律及其潛在滑坡模式尚未形成統(tǒng)一性認識。本文以安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡為研究對象，基于強度折減理論，應用有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬，以期揭示傾斜基底對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，確定其滑坡模式，并最終給出安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡合理的推進平盤寬度，保證露天礦安全生產(chǎn)的同時也為類似邊坡工程提供借鑒。

1 工程地質(zhì)條件及剖面的選取

1.1 內(nèi)排土場邊坡工程地質(zhì)條件

安太堡露天礦坐落于平朔礦田中北部，一處背斜構(gòu)造居于本礦田的中心，其西部同時存在向斜構(gòu)造。目前，安太堡露天礦采場已全部進入蘆子溝背斜構(gòu)造的影響區(qū)域，而內(nèi)排土場則推進到背斜軸的頂部(如圖1所示)。蘆子溝背斜構(gòu)造區(qū)域?qū)挾葹? 200 m，走向為SE—NW方向。由于背斜構(gòu)造的影響，煤層落差達到270 m，但地表和基巖面下降不到100 m，煤層由近水平煤層過渡為傾斜煤層，11煤底板傾斜角度大，導致內(nèi)排土場邊坡基底傾斜，穩(wěn)定性受到極大影響。

圖1 安太堡露天礦內(nèi)排土場與背斜構(gòu)造關系示意Fig.1 Relationship between inner dump of Antaibao Open-pit Coal Mine and the anticline

內(nèi)排土場作為露天煤礦采場內(nèi)剝離物的排棄場地，其主要成分包括排棄物本身和基底兩個部分。其中，排棄物是土與巖石的松散混合物，而基底則為巖層，排棄物料的強度低于基底的強度。通過對安太堡露天礦巖土體試驗成果進行搜集、匯總、分析，結(jié)合煤炭科學技術(shù)研究院在《井采塌陷對安太堡露天煤礦邊坡穩(wěn)定影響規(guī)律研究》和近3年《安太堡露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評價》中推薦的巖土體物理力學參數(shù)，綜合確定本次研究的巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學指標Table 1 Rock mass physical and mechanical indexes

1.2 計算剖面的選取

為盡可能反映安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性，需要選擇最具有代表性的剖面作為本次計算分析的基礎。結(jié)合安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡的工程實際及工程地質(zhì)勘探結(jié)果，在研究區(qū)選取了垂直于邊坡走向的1702剖面作為計算剖面。在對選取的1702剖面進行邊坡穩(wěn)定性計算和數(shù)值模擬的過程中，依據(jù)安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡的服務年限、重要程度、各構(gòu)成部分物理力學指標的掌握程度和滑坡潛在危害等因素，將其安全儲備系數(shù)確定為1.2。其中選取的1702剖面地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡現(xiàn)狀等條件見圖2所示。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical engineering geological section map

2 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡分析法

在大量的邊坡工程分析和研究中，極限平衡法[8-9]是目前普遍使用的一種定量分析方法。此方法是將滑坡體視為理想條件下的不變形體，將坡體在失穩(wěn)滑面上發(fā)生位移作為坡體破壞的標志。假定滑坡面給定，其規(guī)格可以是直面、圓弧面、組合面或其他不規(guī)則面，把潛在滑動面以上的坡體用小塊體去填充，通過分析臨近破壞狀態(tài)下邊坡巖土體在外力與內(nèi)部強度所提供抗力之間的平衡，計算邊坡巖土體在自身與外載荷的單一或共同影響下的穩(wěn)定程度，大多描述為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。其中Bishop法適用于典型的圓弧滑動，而剩余推力法適用于任意不規(guī)則曲面滑動。本研究所用軟件基于簡化Bishop法和剩余推力法，會在構(gòu)建的邊坡模型中自動搜索到最危險的滑坡面，并得到該危險滑面的穩(wěn)定性系數(shù)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果與分析

安太堡露天礦內(nèi)排土場向東推進過程中受到蘆子溝背斜地質(zhì)構(gòu)造的影響，內(nèi)排土場沒能及時向東推進，加上外排土場沒有足夠的排土空間，只能采用在蘆子溝背斜軸西側(cè)加高、加陡排棄的方式。在1 420 m排棄標高的條件下，對于選取的1702剖面，分別計算內(nèi)排土場以60、70、80 m平盤寬度沿11煤底板以200 m步距推進時傾斜基底的內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性情況，最終計算結(jié)果見表2。為了更直觀地了解基底傾斜的條件下，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性與平盤寬度及工程位置的關系，將邊坡穩(wěn)定性結(jié)果繪制成折線統(tǒng)計圖見圖3。

表2 邊坡穩(wěn)定性結(jié)果Table 2 Result of slope stability

根據(jù)以上1702剖面邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，在傾斜基底的影響下安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律分析如下：

(1)邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)排土場平盤寬度的增加呈近線性增長，說明隨著平盤寬度增加，邊坡穩(wěn)定性得到提升，并且當平盤寬度達到80 m時，內(nèi)排土場邊坡在1702剖面上的各工程位置均滿足安全儲備系數(shù)為1.2的要求。

(a)穩(wěn)定系數(shù)與平盤寬度關系◆—工程位置200 m；■—工程位置400 m；▲—工程位置600 m； ▼—工程位置800 m；△—工程位置1 000 m；●—工程位置1 200 m；

(b)穩(wěn)定系數(shù)與工程位置關系◆—平盤寬度60 m；■—平盤寬度70 m；▲—平盤寬度80 m 圖3 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果折線圖Fig.3 Broken line chart of slope stability in calculation

(2)平盤寬度為60 m和70 m時，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)排土場工程位置的東移整體呈現(xiàn)出下降趨勢，說明邊坡穩(wěn)定性受蘆子溝背斜影響，在基底轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜后，整體穩(wěn)定性下降。而平盤寬度80 m時，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)排土場的東移呈現(xiàn)出先減小再增大之后趨于穩(wěn)定的趨勢，主要是由于后期排土場底部推進至煤層底部近水平之后，抗滑力逐步增大，使邊坡的穩(wěn)定性得到改善，并在邊坡推進到2 200 m工程位置后，傾斜基底對邊坡的影響逐漸減弱。

(3)安太堡露天礦內(nèi)排土場以60 m平盤寬度向東推進時，1702剖面滿足安全儲備系數(shù)1.2要求的臨界工程位置為600 m；以70 m平盤寬度向東推進時，1702剖面滿足安全儲備系數(shù)1.2要求的臨界工程位置為1 200 m；以80 m平盤寬度向東推進時，1702剖面在工程位置為1 800 m時，穩(wěn)定系數(shù)最小，但滿足安全儲備系數(shù)1.2的要求。所以，排棄標高為1 420 m時內(nèi)排土場能夠通過背斜區(qū)域的平盤寬度為80 m。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

數(shù)值模擬相對于極限平衡分析法考慮了邊坡體在變形過程中應力與應變的關系，能較為真實地反映出邊坡體的動態(tài)力學行為。本次模擬使用的是有限差分軟件FLAC3D，采用Mohr-Coulomb準則，以位移不收斂作為滑坡判據(jù)，基于強度折減理論計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[10]。通過對安太堡露天礦穩(wěn)定系數(shù)滿足1.2的臨界工程位置的內(nèi)排土場邊坡進行數(shù)值模擬，揭示蘆子溝背斜區(qū)域的內(nèi)排土場邊坡滑坡機理，并確定其潛在滑坡模式。

3.1 模型的構(gòu)建

考慮到安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡工程地質(zhì)條件的復雜性以及FLAC3D內(nèi)嵌建模時冗雜的工作量，模擬采用在CAD中提取點數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳給具有強大前處理功能的有限分析軟件ANSYS，在ANSYS中建立模型并劃分網(wǎng)格，應用ANSYS-FLAC軟件將建立的模型轉(zhuǎn)化成FLAC3D可以應用的文件格式,在FLAC3D中進行材料屬性賦值，形成最終的模擬模型[11]。為盡可能真實地反應傾斜基底對邊坡穩(wěn)定性的影響，按1∶1的比例構(gòu)建模型，在模型的兩側(cè)側(cè)界面分別施加X和Y水平約束，限制水平面位移為零；在底部設置X、Y、Z方向約束，限制底部邊界的水平與豎直位移均為零；模型的頂部界面和邊坡坡面為自由邊界面；以重力加載方式為模型加載。最后建立的內(nèi)排土場邊坡1702剖面分別以60、70、80 m的平盤寬度向東推進過程中穩(wěn)定系數(shù)滿足1.2的臨界工程位置的具體模型如圖4所示。

圖4 1702剖面臨界工程位置數(shù)值模型Fig.4 Numerical simulation model of critical project position of 1702 profile

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 最大位移變形特征分析

內(nèi)排土場邊坡體內(nèi)的位移變形和破壞是相互依存密不可分的整體，通常情況巖土體產(chǎn)生變形過程是破壞的先決條件。邊坡的破壞、滑動常常是位移變形由量變到質(zhì)變的結(jié)果，通過FLAC3D數(shù)值模擬，可得出各模型的臨界失穩(wěn)最大位移云圖如圖5。

圖5 1702剖面臨界失穩(wěn)最大位移云圖Fig.5 Maximum displacement cloud of the critical buckling slope of 1702 profile

由圖5可知：排土場上部舊排棄物在自身重力和新排棄物壓力的共同作用下發(fā)生一定沉降，不影響滑坡模式的判斷；邊坡體內(nèi)最大位移分布在圓弧側(cè)界面及基底底界面處，說明內(nèi)排土場的滑坡模式為蘆子溝背斜作用下的以松散體圓弧為側(cè)界面、以基底(11煤底板)為底界面的切層—順層的組合滑動，蘆子溝背斜導致的傾斜基底是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

3.2.2 剪切應變增量特征分析

邊坡的失穩(wěn)判據(jù)明確表示，破壞面上出現(xiàn)突變的應變或位移是邊坡發(fā)生滑坡破壞的特征。通過剪切應變增量云圖與最大位移云圖相結(jié)合，能更準確分析邊坡的滑坡模式。排棄標高1 420 m時1702剖面不同平盤寬度與工程位置的剪切應變增量云圖如圖6。

由圖6可知：最大剪切應變增量主要分布在基底底界面處及松散體危險圓弧側(cè)界面處，剪切應變增量的分布和量值不同；各個平盤寬度的剪切破壞分布和最大位移變形特征一致，更能充分說明蘆子溝背斜導致的基底傾斜(11煤底板)是邊坡失穩(wěn)的主要因素。臨界失穩(wěn)最大位移云圖及剪切應變增量云圖的一致性，進一步證明了內(nèi)排土場邊坡滑坡時滑面形狀及滑坡模式。

4 結(jié) 論

(1)在背斜區(qū)域內(nèi)，平盤寬度為80 m向東推進到各工程位置時均滿足安全系數(shù)1.2的要求，安全通過背斜區(qū)域的內(nèi)排土場邊坡的平盤寬度應為80 m。

圖6 1702剖面臨界工程位置剪切應變增量云圖Fig.6 Shear strain increment cloud of critical project position of 1702 profile

(2)受到蘆子溝背斜構(gòu)造影響的安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡，其穩(wěn)定性系數(shù)隨平盤寬度的增加呈現(xiàn)出近線性增長趨勢，隨工程位置東移整體呈現(xiàn)出先減小再增大之后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

(3)FLAC3D數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，內(nèi)排土場上部在自身重力及后續(xù)排棄物的壓力下產(chǎn)生一定的沉降；確定了內(nèi)排土場邊坡滑坡模式為以松散體為圓弧側(cè)界面、以基底(11煤底板)為底界面的切層—順層滑動，蘆子溝背斜構(gòu)造導致的傾斜基底是邊坡失穩(wěn)的控制性因素。

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