平朔東露天礦邊坡變形機理分析及穩(wěn)定性控制措施

李桂艷

（中煤平朔集團(tuán)公司 露天工程服務(wù)分公司，山西 朔州 036006）

在露天礦生產(chǎn)中，采場邊坡的穩(wěn)定性是礦山能否正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，露天煤礦邊坡最常見的破壞形式即為滑坡[1-2]。導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑坡的影響因素眾多，可將眾多影響因素大致劃分為2 類，即外在因素和內(nèi)在因素；內(nèi)在原因主要為地質(zhì)構(gòu)造、采礦活動、水文地質(zhì)條件等，外在原因主要有邊坡受到冰凍、雨雪以及日曬等[3-4]，另外人們在邊坡技術(shù)管理方面弱也是造成邊坡滑坡的原因。為保障采場邊坡的穩(wěn)定，避免邊坡滑坡事故的出現(xiàn)，對提升礦山經(jīng)濟(jì)效益安全性具有重要意義。為此，根據(jù)平朔東露天礦的地質(zhì)特征和開采條件，采用數(shù)值模擬進(jìn)行北幫和南幫變形機理的分析，采用理論分析與現(xiàn)場實測的方式進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的評價。

1 工程概況

中煤平朔集團(tuán)有限公司東露天礦開采4#煤、9#煤和11#煤，目前礦山已開采至11#煤層，礦坑最大深度已經(jīng)超過250 m，且隨著開采工作進(jìn)行，首采區(qū)向西側(cè)推進(jìn)，南幫及北幫潛在不穩(wěn)定邊坡逐漸揭露，根據(jù)井田地質(zhì)資料可知，北幫榆嶺村區(qū)域，隨著采剝作業(yè)逐漸推進(jìn)，將在該處形成近60 m 高的土質(zhì)邊坡，這對上方榆嶺村村民的安全將構(gòu)成極大威脅；南幫向西繼續(xù)推進(jìn)，煤層底板逐漸走低，形成的邊坡越來越高，且該處邊坡向西上覆土層越來越厚，存在較大不穩(wěn)定隱患，因此，對采場內(nèi)北幫和南幫的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價勢在必行。

2 邊坡變形分析

2.1 橫數(shù)值模擬模型

為有效分析采場在現(xiàn)有開采條件下北幫和南幫邊坡的變形機理，現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行變形的模擬分析，基于極限平衡法和現(xiàn)場實際進(jìn)行分析，數(shù)值模擬模型圖如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

北幫邊坡變形機理選用北幫1-1 剖面進(jìn)行研究分析，邊坡模型如圖1（a），邊坡巖土體主要包括粉土、粉質(zhì)黏土、砂巖、泥巖、泥砂巖互層及煤層，模型尺寸為940 m×150 m×280 m；南幫邊坡變形機理選南幫用3-2 剖面進(jìn)行分析，邊坡模型如圖1（b），巖土體主要包括粉土、粉質(zhì)黏土、軟弱層、砂巖、泥巖、泥砂巖互層、破碎帶及煤層，模型尺寸為150 m×800 m×314 m，模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果進(jìn)行賦值，模型邊界條件為底部固定、左右和前后邊界分別固定x 和y 方向的位移。

2.2 北幫變形機理分析

模型建立后先進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，當(dāng)應(yīng)力平衡后進(jìn)行開采作業(yè)，開采至現(xiàn)狀邊坡，然后計算至平衡，由于邊坡開采、卸荷效應(yīng)引發(fā)了位移、塑性區(qū)狀態(tài)和最大剪應(yīng)變等變化，北幫1-1 剖面開采到現(xiàn)狀后計算收斂，北幫開采到現(xiàn)狀水平應(yīng)力計塑性區(qū)分布圖如圖2。

圖2 北幫開采到現(xiàn)狀水平應(yīng)力計塑性區(qū)分布圖

由圖2 可以看出，北幫邊坡最大水平位移發(fā)生在粉質(zhì)黏土層區(qū)域，約42 cm，明顯大于邊坡其它區(qū)域，表明上部土層邊坡穩(wěn)定性較差，需加強監(jiān)測，必要時需采取一定處治措施；坡面部分塑性區(qū)分布較多，很少部分存在于采場深部，表明邊坡局部穩(wěn)定性狀況較差，建議將上部臺階削坡放緩；另外根據(jù)邊坡最大剪應(yīng)變增量云圖可知，邊坡僅上部粉質(zhì)黏土層出露地表局部存在較大剪應(yīng)變增量，表明該處相對變形較大，而其它區(qū)域相對變形都較小。

綜合上述計算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實際，當(dāng)前狀態(tài)下北幫1-1 剖面采場處邊坡整體是穩(wěn)定的，但粉質(zhì)黏土層邊坡較陡、變形過大，有局部失穩(wěn)可能，需加強監(jiān)測，必要時采取處治措施。

2.3 南幫變形機理分析

南幫邊坡變形的模擬過程同北幫，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出開采到現(xiàn)狀，計算能夠自動平衡，南幫邊坡水平位移云圖如圖3。

圖3 南幫開采到現(xiàn)狀水平位移云圖

由圖3 可以看出，南幫1 380 m 水平平臺以上至1 420 m 水平平臺的土質(zhì)邊坡位移相對較大，位移較大部分呈圓弧形滑動，這即表明土質(zhì)邊坡不穩(wěn)定；坡面塑性區(qū)主要集中在1 380～1 420 m 水平平臺的土體處以及下部臺階處，局部臺階已經(jīng)產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生剪切破壞，邊坡穩(wěn)定性較差。另外根據(jù)南幫剪應(yīng)變增量云圖可知1 350 m 水平平臺以上局部存在較大剪應(yīng)變增量，表明該處相對變形較大，而其它區(qū)域相對變形較小。

綜合上述計算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實際，當(dāng)前狀態(tài)下南幫3-2 剖面采場處邊坡整體不穩(wěn)定，且1 350 m水平平臺以上變形過大，有失穩(wěn)可能，需加強監(jiān)測。

3 邊坡穩(wěn)定性評價與控制

3.1 評價理論方法的選取

為有效分析邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)合目前國內(nèi)外眾多邊坡穩(wěn)定性的評價方法，結(jié)合平朔東露天礦的地質(zhì)條件，確定采用簡化Bishop 法記性邊坡穩(wěn)定性的評價，根據(jù)現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析方法，結(jié)合井田地質(zhì)條件，確定本次選取極限平衡法-Bishop 法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價。該法是采用圓弧滑裂面，通過力矩平衡條件進(jìn)行穩(wěn)定性求解，另外該法在進(jìn)行土條底部法向力分析時，考慮條間作用力在法線方向上影響，以使分析結(jié)果更精確[5-7]。具體其初步判別標(biāo)準(zhǔn)為：①邊坡安全系數(shù)大于1.20，邊坡穩(wěn)定；②邊坡安全系數(shù)在1.10～1.20，邊坡基本穩(wěn)定；③邊坡安全系數(shù)小于1.10，邊坡不穩(wěn)定。

本次對于東露天礦北幫和南幫邊坡穩(wěn)定性的評價，在初步判別的基礎(chǔ)上，綜合考慮滑面形狀、邊坡巖土層分布、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及平朔地區(qū)類似工程經(jīng)驗等，最終給出邊坡穩(wěn)定性的綜合性評價。

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果

1）北幫邊坡穩(wěn)定性評價。本次北幫穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性分析選取北幫1-1 剖面，進(jìn)行采場和排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性狀況分析，對性質(zhì)較均一土層邊坡采用圓弧滑動面分析方法，對下部巖石邊坡采用折線滑動面分析方法。北幫現(xiàn)狀邊坡上部以粉土和粉質(zhì)黏土為主，計算采用圓弧滑動面分析，北幫1-1剖面現(xiàn)狀邊坡圓弧滑動面分析結(jié)果如圖4，最小安全系數(shù)為0.829，邊坡最不穩(wěn)定區(qū)域主要位于1 380 m 水平平臺以上，局部單臺階坡角達(dá)70°，臺階過陡，這是邊坡的主要危險因素。此外，榆嶺十戶下方的1 410～1 430 m 水平臺階安全系數(shù)為0.938，邊坡也不穩(wěn)定。

圖4 北幫1-1 剖面現(xiàn)狀邊坡圓弧滑動面分析結(jié)果

2）南幫邊坡穩(wěn)定性評價。東露天礦對南幫滑坡區(qū)進(jìn)行了一系列削幫工作，削坡作業(yè)主要在1 390 m 水平以上，1 400 m 水平上部土體已經(jīng)基本削除至征地邊界。對削坡后現(xiàn)狀進(jìn)行分析。現(xiàn)狀邊坡上部以粉土和粉質(zhì)黏土為主，計算首先采用圓弧滑動面分析。此外，由于南幫土體已經(jīng)發(fā)生過滑動，形成了軟弱滑移面，因此需要分析滑體發(fā)生整體滑移失穩(wěn)的可能性。對滑體進(jìn)行沿滑移面滑動分析，本次南幫邊坡穩(wěn)定性評價主要選取3-2 剖面進(jìn)行分析。南幫3-2 剖面沿圓弧滑動面分析計算結(jié)果如圖5。由圖5（a）可知，最小安全系數(shù)為0.761，邊坡最不穩(wěn)定區(qū)域主要位于1 350 m 水平平臺的土巖交界面。發(fā)生局部單臺階失穩(wěn)乃至土層邊坡整體失穩(wěn)的可能性大。由圖5（b）可知，滑體整體安全系數(shù)為1.175，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，礦山削坡治理對穩(wěn)定性有較大改善。

3.3 邊坡穩(wěn)定性控制對策

根據(jù)采場工程地質(zhì)測繪、工程鉆探以及對各邊坡極限平衡和數(shù)值模擬分析的結(jié)果，同時結(jié)合《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范[8-10]，標(biāo)示出采場邊坡的潛在不穩(wěn)定區(qū)域。北幫邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域位于榆嶺十戶下方及東側(cè)半連續(xù)運輸機道上部土層；南幫主要不穩(wěn)定區(qū)域仍位于原滑坡區(qū)域。

1）北幫不穩(wěn)定區(qū)域控制對策。北幫榆嶺村下方邊坡的不穩(wěn)定區(qū)域主要位于采場上部，該處的土質(zhì)邊坡高近60 m，且局部過陡，建議對1 380 m 水平平臺以上區(qū)域有針對性地加強對土層的監(jiān)測，必要時可采取一定處治措施，如放緩上部土坡的單臺階坡面角。為保證北幫1-1 剖面處邊坡半連續(xù)運輸機道的正常作業(yè)，建議對上部土坡加強監(jiān)測，必要時需采取一定處治措施，提高邊坡穩(wěn)定性。南洼村排土場朝著礦坑方向不易過排，建議排土場與采場的安全距離(排土場距采場1 380 m 水平平臺水平距離)取值大于200 m。

2）南幫不穩(wěn)定區(qū)域控制對策。針對目前南幫裂縫外擴(kuò)、單臺階片幫及底鼓的現(xiàn)象提出鋪墊碎石壓坡腳的處治建議，南幫滑坡體削坡減載，將1 360 m水平至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡。對1 410～1 430 m 水平單臺階采取回填護(hù)頂措施，封住裂隙，防止雨水灌入裂隙使滑面向南移動；當(dāng)碎石鋪滿整個1 360 m 水平平臺時，將碎石坡道向坡內(nèi)平移，遠(yuǎn)離1 360 m 水平平盤開口線，在1360 m 水平平臺置留出一定的緩沖平臺，根據(jù)折線計算結(jié)果觀察，最少約需空出10～20 m 距離。鋪墊高度控制在10 m 較經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié)語

平朔東露天礦北幫和南幫邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評價，建議對北幫榆嶺村區(qū)域上部土層進(jìn)行局部削坡清方處治、南幫滑坡體削坡減載，將1 360 m 水平臺階至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡的控制對策，為保障采場邊坡穩(wěn)定提供有效指導(dǎo)。