露天礦多軟弱夾層邊坡變形機(jī)理與形態(tài)優(yōu)化研究

田 宇，張 波，劉博文，王振偉，魏 真，閆 杰

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 伊敏露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；4.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100041；5.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

0 引 言

露天礦山開(kāi)采過(guò)程中邊坡失穩(wěn)滑坡嚴(yán)重影響著現(xiàn)場(chǎng)采礦生產(chǎn)和工作人員的安全，由于邊坡失穩(wěn)滑坡造成重大人員傷亡、巨大經(jīng)濟(jì)損失和工程受阻的事件頻繁發(fā)生，因此邊坡穩(wěn)定是保障礦山安全高效生產(chǎn)的基本條件[1]。對(duì)于露天礦山軟巖邊坡而言，含多弱層控制的復(fù)合邊坡，因其巖土體力學(xué)指標(biāo)很差，特別是在構(gòu)造及地下水作用下易發(fā)生軟化、泥化，強(qiáng)度降低，通常成為邊坡發(fā)生滑坡的主滑動(dòng)面。邊坡體內(nèi)部總是存在有軟弱結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面的分布及其組合特征決定了其工程地質(zhì)性質(zhì)和力學(xué)性狀，在一定條件下將會(huì)成為控制邊坡變形破壞的關(guān)鍵因素，容易誘發(fā)邊坡滑坡失穩(wěn)[2-4]；盡管?chē)?guó)內(nèi)外不少學(xué)者采用二維極限平衡法對(duì)露天采場(chǎng)邊坡形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是大多無(wú)法考慮到不同埋深地層巖性條件和各弱層發(fā)育形態(tài)上的差異，使得礦山開(kāi)采中還未降深至坑底時(shí)就沿淺部弱層發(fā)生滑坡，對(duì)礦山安全高效的生產(chǎn)影響較大[5-6]，因此如何針對(duì)復(fù)合邊坡露天礦采場(chǎng)邊坡形態(tài)優(yōu)化成為邊坡工程領(lǐng)域亟待解決的難題之一[7]。

綜上所述，研究采用剛體極限平衡法與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，以伊敏露天煤礦端幫順傾邊坡為研究對(duì)象，研究多弱層順傾邊坡的潛在滑坡模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，對(duì)最終邊坡坡面形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保端幫到界邊坡的安全及煤炭資源采出的最大化，為類(lèi)似邊坡工程的滑坡防治提供參考。

1 工程背景

礦區(qū)位于伊敏向斜軸部及東南翼，主體為一不完整的走向北東、傾角3°～8°的寬緩向斜，構(gòu)造發(fā)育，該區(qū)內(nèi)巖體以泥巖、半成巖狀態(tài)砂礫巖和砂巖為主，大部分巖體屬于軟巖，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差，力學(xué)指標(biāo)較低，一般均小于5.88 MPa，巖石尤以泥巖最軟，煤層硬度遠(yuǎn)大于巖石[8-11]。該地層發(fā)育多層軟弱夾層，巖層分布不規(guī)律，且由于斷層構(gòu)造因素，邊坡體中的軟弱夾層相對(duì)邊坡順層，且傾角很大，最大傾角可達(dá)11°，極易發(fā)生沿軟弱夾層的順層滑動(dòng)。

隨著開(kāi)采推進(jìn)，礦山目前正處在由二采區(qū)向三采區(qū)有序過(guò)渡階段，屆時(shí)在三采區(qū)西北向形成的端幫位于斷層構(gòu)造發(fā)育帶，發(fā)育的主要斷層有F1、F5兩條正斷層，斷層走向基本和邊坡走向一致，傾向相對(duì)邊坡反傾。同時(shí)，該區(qū)地層、巖層巖性和軟弱夾層賦存情況等工程地質(zhì)特征也影響端幫邊坡的穩(wěn)定性，與端幫最終邊坡角的確定有著直接關(guān)系。選取該端幫典型地質(zhì)剖面，建立邊坡工程地質(zhì)模型如圖1所示，該剖面地層軟弱夾層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型Fig.1 Slope engineering geology simplified model

表1 軟弱夾層參數(shù)統(tǒng)計(jì) Table 1 Weak interlayer parameters statistic

2 順傾邊坡變形破壞分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

三采區(qū)端幫隨著剝采工程計(jì)劃呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，選取三采區(qū)端幫最初規(guī)劃的原設(shè)計(jì)邊坡作為研究對(duì)象，利用CAD-ANSYS-FLAC3D程序以三采區(qū)端幫最初規(guī)劃的原設(shè)計(jì)邊坡剝采平面圖建立邊坡計(jì)算模型[12-15]，邊坡坡面傾向長(zhǎng)度為1 464 m，原設(shè)計(jì)邊坡角22°，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 邊坡計(jì)算模型Fig.2 Slope finite element model

在工程地質(zhì)勘查及試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)巖體整體邊坡含軟弱層較多，巖性整體較軟，強(qiáng)度指標(biāo)較低，可塑性強(qiáng)，根據(jù)邊坡的巖土體特征，模型中巖土體材料均采用Mohr-Coulomb模型來(lái)進(jìn)行描述，邊坡模擬計(jì)算選擇的巖土體的本構(gòu)模型為彈塑性，其中邊坡模型網(wǎng)格共劃分為18 957個(gè)節(jié)點(diǎn)，88 955個(gè)單元；研究所采用的各巖層巖石力學(xué)參數(shù)依據(jù)表2選取。

表2 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexs of rock and soil

2.2 模擬結(jié)果分析

計(jì)算模型最大不平衡力如圖3所示，計(jì)算模型在只考慮重力作用的情況下進(jìn)行的初始地應(yīng)力彈性求解階段和本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型的彈塑性二次求解階段，最大不平衡力曲線都收斂，趨近于0，這表明此時(shí)計(jì)算模型處于極限平衡狀態(tài)。

圖3 最大不平衡力曲線 Fig.3 System imbalance force evolution curve

位移場(chǎng)圖中的位移矢量圖中邊坡上、中部位移矢量與巖層傾向近似平行，方向指向坡面，坡底下部靠近坡腳位置臨空面處位移矢量表現(xiàn)為“剪出”，整體表現(xiàn)為順層滑動(dòng)趨勢(shì)(圖4a)。

圖4 邊坡位移場(chǎng) Fig.4 Displacement field diagram of slope without water

由圖4b、圖4c可知，邊坡總位移變化趨勢(shì)與水平位移基本一致，坡體在自身重力與內(nèi)部地應(yīng)力影響下，邊坡體逐漸自上而下發(fā)生沉降，內(nèi)部低強(qiáng)度處發(fā)生剪切破壞，整體邊坡變形以水平位移為主，邊坡中部段近乎與巖層平行順層滑動(dòng)，邊坡前緣沿坡面處沿F1和F5斷層鄰空面處剪出，并伴隨有擠壓、拉裂現(xiàn)象，最大水平位移出現(xiàn)在坡底F1和F5斷層鄰空面處，位移為0.996 m，由此可知，F(xiàn)1和F5斷層帶雖然相對(duì)邊坡逆傾，但2個(gè)斷層相對(duì)距離只有60 m左右，2個(gè)斷層間的巖石經(jīng)過(guò)巨大的構(gòu)造應(yīng)力，巖石破壞嚴(yán)重，力學(xué)強(qiáng)度降低，尤其處于邊坡抗滑段，對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利破壞，隨時(shí)間不斷積累，坡腳斷層帶處形成剪切破壞帶，其與弱層貫通后，邊坡潛在破壞面形成，位移變形將加速；結(jié)合圖4d剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，土巖邊坡破壞主要由剪切應(yīng)變引起，風(fēng)化薄煤層及煤層煤頂板處泥巖夾層處剪切應(yīng)變?cè)隽棵黠@，邊坡內(nèi)部在自身重力作用下發(fā)生剪切破壞，邊坡整體沿軟弱層滑動(dòng)，主要沿邊坡內(nèi)部弱層④與弱層⑤區(qū)域出現(xiàn)滑動(dòng)，在邊坡中下部區(qū)域弱層⑥處也出現(xiàn)明顯的位移變形，其與坡底剪切破壞層貫通，形成最危險(xiǎn)潛在破壞面，破壞體自坡腳剪出，這表明邊坡的潛在破壞以受弱層控制的順層剪切破壞為主。

邊坡應(yīng)力場(chǎng)中的主應(yīng)力等值線平滑，呈層狀均勻分布，主應(yīng)力等值線基本上順著坡面方向并一直延伸至坡腳，并且由上至下應(yīng)力值逐漸遞增(圖5a、圖5b)。由圖5a、圖5b和圖5c可以看出，邊坡坡頂處有拉應(yīng)力產(chǎn)生，在巖土分界面附近區(qū)域以及斷層帶附近區(qū)域發(fā)生突變現(xiàn)象，使得其附近區(qū)域的最大主應(yīng)力變化大而且迅速，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)，邊坡整體受軟弱夾層及斷層帶作用明顯，不利于邊坡穩(wěn)定。主應(yīng)力分布特征表明，邊坡整體主要受垂直方向的壓應(yīng)力作用，表現(xiàn)為受壓屈服狀態(tài)。由圖5d中剪切塑性屈服區(qū)域的分布可以看出，沿④、⑤號(hào)軟弱層和斷層構(gòu)造帶處均出現(xiàn)塑性變形區(qū)域，軟弱層與坡腳斷層帶有逐漸貫通趨勢(shì)。

圖5 邊坡應(yīng)力場(chǎng)Fig.5 Stress field of slope without water

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

基于極限平衡理論的Morgenstern-price法來(lái)計(jì)算分析受軟弱層控制邊坡的穩(wěn)定性，用穩(wěn)定系數(shù)Fs表示該邊坡的穩(wěn)定性[16-17]，分析各弱層對(duì)邊坡的影響程度，從而對(duì)后續(xù)邊坡坡面形態(tài)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2.3.1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)選取

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取，主要依據(jù)研究區(qū)邊坡類(lèi)型及對(duì)邊坡工程地質(zhì)條件的認(rèn)知程度。根據(jù)礦山實(shí)際情況，按照礦區(qū)邊坡采剝計(jì)劃可知，三采區(qū)端幫邊坡屬于非工作幫，隨著采礦推進(jìn)，內(nèi)排壓腳隨之跟進(jìn)，服務(wù)年限小于10 a，屬于臨時(shí)邊坡，依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，選取邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.2。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

由表3邊坡穩(wěn)定系數(shù)(Fs)結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)到界邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果很不理想，受弱層控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)較低，不能滿足安全要求。其中，除了弱層①控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.524以外，其他弱層控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均遠(yuǎn)小于1.2，弱層④、⑤控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)最低，分別為0.781和0.740，分析其原因是該兩層巖性為炭質(zhì)泥巖，弱層分別位于7號(hào)煤層下25～34、32～46 m，巖層傾角較大，為10°～11°，邊坡極易出現(xiàn)沿弱層④、⑤出現(xiàn)順傾式整體滑移失穩(wěn)，這與邊坡變形破壞分析結(jié)果相符合。

表3 邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果Table 3 Results of slope stability coefficient calculation

3 邊坡坡面形態(tài)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

對(duì)于端幫到界邊坡坡角優(yōu)化的前提是在確保原設(shè)計(jì)坡頂位置不變的情況下，采用分段優(yōu)化的方式，對(duì)邊坡角進(jìn)行優(yōu)化，主要分為3個(gè)步驟：①首先根據(jù)調(diào)整的邊坡角度保證中上部弱層控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足1.2的安全儲(chǔ)備要求；②由上條中對(duì)整體邊坡角度調(diào)整優(yōu)化后，邊坡底部弱層控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)就會(huì)有所富裕，為采出更多煤炭資源，再次通過(guò)優(yōu)化邊坡下區(qū)段坡角，使底部弱層控制的邊坡在滿足安全儲(chǔ)備要求的前提下更加接近經(jīng)濟(jì)邊坡；③形成上緩下陡的一致，對(duì)邊坡底部較陡前緣區(qū)段邊坡進(jìn)行驗(yàn)算，保證安全[18-20]。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1 邊坡整體坡角優(yōu)化

首先，對(duì)邊坡整體坡角進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整邊坡角度依次為11°～15°，計(jì)算邊坡調(diào)整至各角度下的穩(wěn)定系數(shù)，邊坡整體坡角與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。 根據(jù)邊坡坡角調(diào)整后計(jì)算結(jié)果，整體邊坡角與最小穩(wěn)定系數(shù)近似呈線性關(guān)系。當(dāng)邊坡坡角調(diào)至12°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1.2。其中，中上部③、⑤號(hào)弱層控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小，底部弱層⑥、⑦控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.513和1.838。

圖6 整體坡角與Fs關(guān)系曲線Fig.6 Curves of overall slope angle and Fs

3.2.2 邊坡下區(qū)段提角優(yōu)化

為減少壓煤量，采出更多煤炭資源，在保證安全的前提下，進(jìn)行邊坡下部坡角優(yōu)化，優(yōu)化以F5斷層為界，在保證F5斷層以上區(qū)段坡角不變的情況下，調(diào)整F5斷層以下區(qū)段邊坡坡角，分別計(jì)算了邊坡下部區(qū)段坡角為13°～25°的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，來(lái)提高整體邊坡角的方式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

下區(qū)段坡角與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線如圖7所示，可知邊坡下部區(qū)段穩(wěn)定系數(shù)隨著坡角的增大而逐漸減小，邊坡下部區(qū)段坡角由13°提高至25°時(shí)，號(hào)弱層⑥、⑦控制的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別由1.513、1.838減小至1.274、1.792，穩(wěn)定系數(shù)下降幅度較小，對(duì)整體邊坡的穩(wěn)定性影響變化不大，能夠滿足穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2的安全儲(chǔ)備要求；但是將F5斷層以下區(qū)段前緣局部邊坡坡角由13°提高至25°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)從1.521減小至0.992，降低了34.78%，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響變化較大。這是由于在邊坡坡角不斷提高的同時(shí)也伴隨著的形成，巖體自重作用下的坡面F1和F5斷層帶處于邊坡下部抗滑段，巖石發(fā)生剪切破壞，力學(xué)強(qiáng)度降低，斷層帶對(duì)邊坡的支擋作用明顯減弱，不利于邊坡穩(wěn)定。

圖7 下區(qū)段坡角與Fs關(guān)系曲線Fig.7 Curves of slope angle and Fs in lower section

當(dāng)F5斷層以下區(qū)段坡角調(diào)整為18°時(shí)，弱層⑥、⑦控制的整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.433和1.819，均能夠滿足安全要求；前緣局部邊坡穩(wěn)定穩(wěn)定系數(shù)為1.227，大于1.2安全儲(chǔ)備系數(shù)，能夠滿足非工作幫邊坡安全設(shè)計(jì)要求，屬于穩(wěn)定邊坡；

3.2.3 最終坡面形態(tài)確定

綜上計(jì)算結(jié)果表明，可以確定當(dāng)F5斷層以上區(qū)段坡角為12°，F(xiàn)5斷層以下區(qū)段坡角為18°，整體坡角為14°，能夠滿足邊坡安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求，邊坡坡角參數(shù)優(yōu)化達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 最終邊坡優(yōu)化模型示意Fig.8 Schematic of slope optimization model

4 結(jié) 論

1)露天煤礦端幫多弱層順傾邊坡的潛在滑坡模式為下部牽引致使沿弱層發(fā)生順層滑動(dòng)，軟弱泥巖是滑坡的主控層，泥巖弱層和斷層破碎帶的相對(duì)位置關(guān)系是滑坡的主控因素。

2)在露天礦含多弱層-斷層構(gòu)造復(fù)合順傾邊坡中，上部巖體含多弱層且?guī)r層風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，隨礦坑深度增加，下部斷層帶處巖體對(duì)上部巖體的約束作用減小，相比較直線型邊坡而言，綜合考慮生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益，露天礦邊坡設(shè)計(jì)成凸邊坡更為合理。

3)邊坡參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，邊坡角與最小穩(wěn)定系數(shù)近似呈線性關(guān)系， F5斷層以上區(qū)段坡角為12°，F(xiàn)5斷層以下區(qū)段(下部阻滑段)坡角為18°，整體坡角不超14°，滿足邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范要求，邊坡能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)。