受井采影響排土場邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究

王韜

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾010300）

受井采影響排土場邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究

王韜

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾010300）

針對受井采影響露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性問題，基于數(shù)值模擬方法，以黑岱溝露天礦陰灣排土場為例,在對邊坡工程環(huán)境充分掌握的基礎(chǔ)上，深入分析了邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理。

井采；排土場邊坡；失穩(wěn)破壞機(jī)理；數(shù)值模擬

0 引言

近年來，為充分回收煤炭資源，露井聯(lián)（協(xié)）采模式在我國各大露天礦區(qū)逐漸發(fā)展起來。露井聯(lián)（協(xié)）采兼具露天開采與井工開采的特征，特別是井采影響范圍內(nèi)以排土場邊坡為代表的露天礦邊坡的穩(wěn)定性成為邊坡工程部門急需解決的重要課題[1-3]。

邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究是邊坡穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。對于受井采影響露天礦邊坡的穩(wěn)定性問題已開展了大量工作，如王振偉[4]在理論與實(shí)際相結(jié)合的基礎(chǔ)上對井采影響下黃土基底排土場邊坡變形機(jī)制和滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究；王振偉等[5]井采影響下黃土基底排土場邊坡變形演化規(guī)律進(jìn)行了研究；李偉等[6-7]采用變形監(jiān)測方法研究了井采因下下排土場邊坡的變形特征和規(guī)律。但是采用數(shù)值模擬對井采影響排土場邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理的相關(guān)研究仍然較少，而數(shù)值模擬作為一種科學(xué)合理的研究方法，有必要開展相關(guān)研究，以對井采影響下排土場邊坡安全管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

以黑岱溝露天礦陰灣排土場為例，采用數(shù)值模擬方法研究受井采影響區(qū)域邊坡失穩(wěn)機(jī)理。相關(guān)研究可以作為陰灣排土場邊坡穩(wěn)定性分析的依據(jù)，也可以為條件類似礦山提供參考。

1 工程概況

陰灣排土場是黑岱溝露天礦外排土場，位于首采區(qū)西南部，緊鄰大準(zhǔn)鐵路南坪支線。長期以來，陰灣排土場表面受雨水沖刷嚴(yán)重，坡面沖溝發(fā)育。受力量煤業(yè)排矸、排水作業(yè)以及大氣降水明顯增加和不及時疏排等多種因素綜合影響，陰灣排土場南部原水坑區(qū)域水位上升，目前已經(jīng)超過1 140 m標(biāo)高，淹沒陰灣排土場南部最下層的1 132～1 140 m水平的臺階。同時，受力量煤業(yè)大飯鋪煤礦井工開采影響，陰灣排土場已經(jīng)出現(xiàn)大范圍地表裂縫，邊坡表面出現(xiàn)大幅度不均勻沉降（沉降量級達(dá)10 m）及朝向臨空面的3 m以上矢量位移的大變形，并伴隨有西北部坡底的嚴(yán)重底鼓擠斷輸水管線等不利現(xiàn)象。目前正在進(jìn)行6112接續(xù)工作面推進(jìn)，塌陷影響顯現(xiàn)。隨著力量煤業(yè)井采工作面繼續(xù)向南發(fā)展，將直接影響陰灣排土場原滑坡影響區(qū)的穩(wěn)定。有必要對邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理開展相關(guān)研究，并在此基礎(chǔ)上分析邊坡穩(wěn)定性。陰灣排土場井采影響區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 陰灣排土場井采影響區(qū)示意圖

2 邊坡工程環(huán)境分析

2.1 工程地質(zhì)條件分析

場地地層從上至下主要由排棄物、沖積物及新近系粘土巖和下伏二疊系砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成。

第1層：排棄物，褐黃色，以粉砂巖廢棄物為主，稍有濕潤，松散-略微致密狀態(tài)。

第2層：粉土（Q4），為沖洪積、殘坡積和坡積物，巖性以灰黃色、灰褐色細(xì)沙、粉沙、亞沙土和亞黏土為主，含少量腐植土，含氧化物和云母等。稍有濕潤，因受大好賴溝沖刷影響，厚度不均。

第3層：黏土和粉質(zhì)黏土（Q3），淺黃色、黃褐色，成分以亞砂、亞黏土為主，夾黏土層，具垂直節(jié)理，含層狀鈣質(zhì)結(jié)核及少量鐵質(zhì)。該層與下伏隔水層接觸，稍有濕潤，在該排土場中東北處尖滅。

第4層：泥巖和泥質(zhì)粉砂巖（P），黃褐色-紫色，斜層理發(fā)育，膠結(jié)中等，較穩(wěn)定。礦物成分以長石和石英為主，局部有氧化鋁礦物。與上覆黃土層呈角度不整合接觸。

第5層：砂巖（P），深灰色～紫紅色，中等風(fēng)化，塊狀結(jié)構(gòu)。成分以細(xì)砂巖、泥巖、砂泥巖為主，礦物以長石、石英為主。表面粗糙，巖層厚度較大。該層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，總體呈北傾產(chǎn)狀。

2.2 水文地質(zhì)條件分析

陰灣排土場位于鄂爾多斯高原東北部，東臨黃河，表層覆蓋厚層黃土。因該地區(qū)氣候干旱，植被稀少，雨水集中，導(dǎo)致大量水土流失，樹枝狀沖溝較為發(fā)育，這種具溝谷地形的地貌有利于地表徑流，降雨可迅速被排泄掉。

區(qū)域內(nèi)發(fā)育有數(shù)10條樹枝狀沖溝，主溝為大好賴溝，在排土場西側(cè)中部，由南延伸。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，主溝和支溝基本無水，局部地區(qū)有少量地下水滲出。但是，由于排土場物料的堆積，破壞了地表徑流條件，在雨季或暴雨過后，大好賴溝匯水無法疏排。

該區(qū)域底層主要有排棄物、粉土、粉質(zhì)黏土。其中粉土和排棄物均為透水層，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和上伏粉質(zhì)黏土為相對隔水層。由于該地區(qū)3月初開始春融，在蒸發(fā)作用下，凍土現(xiàn)象逐漸消失。該區(qū)域粉質(zhì)黏土層滲透率很低，以至于支持毛細(xì)水不能很快滲透到地面，無法蒸發(fā)，導(dǎo)致該土層在很長一段時間內(nèi)出現(xiàn)過飽和的情況。

地下水補(bǔ)給來源為大氣降水、凍土融化，由于地表流徑的破壞，大量降水滲入地下土層。在隔水層上部土層含水較高。

2.3 穩(wěn)定性影響因素分析

1）邊坡作用力發(fā)生變化。在邊坡的頂部建造建筑物或堆疊材料使坡頂受荷，或因車輛行駛、爆破、打樁等引起振動而使原來平衡狀態(tài)發(fā)生變化。

2）土體抗剪強(qiáng)度降低。雨雪天氣會使土體中孔隙水壓力或含水量增加，降低有效應(yīng)力，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低。

3）水壓力的作用。地面或雨水流入排土場中的豎向裂縫，邊坡側(cè)向壓力增加，導(dǎo)致邊坡滑動。因此黏性邊坡的裂縫會導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定，導(dǎo)致滑坡。

4）井工開采影響。井工開采引起覆巖破壞，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

此外，還有邊坡巖土體的地質(zhì)構(gòu)造及巖石力學(xué)性質(zhì)，邊坡的坡度與坡體形狀，以及邊坡中地下水滲流所產(chǎn)生的滲流力等，都是邊坡失穩(wěn)的重要因素。

3 邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理研究

3.1 露天礦邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

露天煤礦滑坡破壞模式主要有曲線型滑坡破壞模式和組合滑動破壞模式2種，前者主要存在于第四系土層和采場巖質(zhì)無明顯弱層的邊坡，后者主要存在于巖質(zhì)且含有明顯軟弱夾層的邊坡。

3.1.1 曲線型滑坡破壞模式分析

該類型滑坡其滑坡破壞模式分析采用非線性大變形有限差分軟件FLAC，計(jì)算結(jié)果曲線型滑坡位移矢量場圖如圖2及曲線型滑坡最大剪應(yīng)變場圖如圖3。該類型邊坡主要呈現(xiàn)為坐落式曲線型滑動，在滑動邊坡頂部出現(xiàn)明顯的張拉裂縫，待滑動面上鎖固段臨界值被剪斷后，表現(xiàn)為沿坡腳剪出破壞形式。

圖2 曲線型滑坡位移矢量場圖

圖3 曲線型滑坡最大剪應(yīng)變場圖

3.1.2 組合滑動破壞模式分析

對巖質(zhì)邊坡內(nèi)軟弱夾層發(fā)生滑動破壞的邊坡地質(zhì)模型進(jìn)行概化分析，構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果組合滑動型滑坡位移矢量場圖如圖4及組合滑動型滑坡沿軟弱滑動接觸面的剪切應(yīng)力分布圖如圖5。該類型邊坡滑坡破壞呈現(xiàn)為上部圓弧滑動，下部沿軟弱接觸面（夾層）滑移，而后導(dǎo)致整體沉陷滑移破壞。

圖4 組合滑動型滑坡位移矢量場圖

圖5 組合滑動型滑坡沿軟弱滑動接觸面剪切應(yīng)力分布

由以上分析可知，對于基底無弱層的排棄物料型邊坡，邊坡破壞模式主要以曲線型破壞模式為主。而對于有基底水存在的情況，基底巖土體易演變形成潛在弱層，邊坡破壞模式主要以組合滑動型破壞模式為主。

3.2 陰灣排土場現(xiàn)狀邊坡破壞模式分析

3.2.1 分析模型

根據(jù)陰灣排土場工程地質(zhì)模型，本次選取YW-1剖面進(jìn)行數(shù)值分析。YW-1計(jì)算模型沿邊坡傾向長度為1 100 m，邊坡最大垂直高488 m。模型中排棄物料和砂巖、泥巖、6#煤均采用理想的彈塑性模型來描述，參數(shù)取值見表1。

表1 陰灣排土場邊坡巖體強(qiáng)度取值

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于陰灣排土場下方存在井采區(qū)，6#煤回采錢，邊坡的位移矢量速率分布如圖6所示，邊坡的位移矢量幾乎沿排土臺階坡面方向，邊坡剪應(yīng)變率云圖如圖7所示，邊坡呈圓弧形滑動破壞模式。

圖6 YW-1剖面位移速率云圖

6#煤回采后，其應(yīng)力場發(fā)生了改變，邊坡剪應(yīng)變情況如圖8所示，坡體內(nèi)應(yīng)變進(jìn)一步增加，對邊坡穩(wěn)定不利。

邊坡塑性區(qū)發(fā)展如圖9所示，由于6#煤回采，6#煤上方覆巖產(chǎn)生垮落，造成明顯的應(yīng)力集中；而排土場邊坡位置位于井采的巖移影響范圍內(nèi)，造成了邊坡中塑性區(qū)的貫通，邊坡有失穩(wěn)風(fēng)險。雖然排土場已停止排棄，但后期仍應(yīng)注重巡查，避免滑坡事件的發(fā)生造成大的損失。

圖7 YW－1剖面剪應(yīng)變率云圖

圖8 6#煤回采后YW－1剖面剪應(yīng)變率云圖

圖9 6#煤回采后YW－1剖面塑性區(qū)

3.3 邊坡穩(wěn)定性研究

在井工開采過程中，6#煤以上巖層及排棄物將發(fā)生沉降，覆巖破壞，導(dǎo)致排土場邊坡表面出現(xiàn)裂縫及塌陷。根據(jù)力量煤業(yè)井采工作面的初設(shè)資料查得：井工開采區(qū)域表土層巖移角取45°；基巖層巖移角取70°。采用M－P法、Bishop法2種計(jì)算方法對邊坡在自然狀態(tài)下局部、整體穩(wěn)定性及可能存在的圓弧滑動及圓弧－直線組合滑動模式分別進(jìn)行了計(jì)算分析；考慮井采工作面和巖移角共同影響下，計(jì)算過程中對陰灣研究區(qū)域剖面參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的弱化。計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 陰灣排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

陰灣現(xiàn)狀邊坡大多符合永久邊坡Fs＞1.20的要求。YW－1剖面臺階4計(jì)算所得安全系數(shù)為1.01，安全系數(shù)較小的原因是單臺階坡面角較大48°，該臺階存在片幫風(fēng)險，需加強(qiáng)巡查或采取放坡措施。同時由于井采塌陷的影響，陰灣排土場區(qū)域隨著工作面的頂板垮塌，地表將出現(xiàn)裂縫和沉降，應(yīng)定期巡查，及時對地表裂縫進(jìn)行充填處理。

4 結(jié)論

在分析邊坡工程環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對邊坡變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）陰灣排土場受到力量煤業(yè)井采的影響，邊坡內(nèi)部應(yīng)力集中加劇，塑性區(qū)面積增加，有失穩(wěn)風(fēng)險；

2）基底水是否存在對失穩(wěn)破壞模式有重要影響；

3）考慮可能的2種失穩(wěn)破壞模式，采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，表明數(shù)值分析結(jié)果可靠。

［1］呂俊偉，楊天鴻.井采條件下安家?guī)X排土場邊坡穩(wěn)定性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2007（5）：13－16.

［2］王振偉，王來貴，王建國.井采影響下邊坡巖體變形破壞規(guī)律研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（2）：13－15.

［3］秦建民，宋子嶺，尚文凱.安家?guī)X露天礦井采影響下北幫邊坡變形規(guī)律研究［J］.露天采礦技術(shù)，2011（2）：22－24.

［4］王振偉.井采影響下黃土基底排土場邊坡穩(wěn)定性研究［D］.撫順：煤炭科學(xué)研究總院，2006.

［5］王振偉，王建國，于永江.露井聯(lián)采條件下黃土基底排土場變形演化規(guī)律［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（2）：165-167.

［6］李偉.露天煤礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析與治理技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（10）：37-40.

［7］李偉，張忠超，馬明.井采擾動排土場邊坡監(jiān)測與變形特征研究［J］.露天采礦技術(shù)，2016，31（9）：30-33.

【責(zé)任編輯：解連江】

Study on slope instability mechanism numerical simulation under the influence of underground mining

WANG Tao
(Heidaigou Open-pit Mine,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

According to slope stability problem under the influence of underground mining in open-pit dump,based on numerical simulation method,the article takes Yinwan Dump in Heidaigou Open-pit Mine as an example,deeply analyzes the slope instability mechanism on the basis of fully mastering the slope engineering conditions.

underground mining;dump slope;instability mechanism;numerical simulation

TD824.7

B

1671－9816（2017）08－0010－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.003

王韜.受井采影響排土場邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：10-13.

2017-03-09

王韜（1989—），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，助理工程師，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)任神華準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部邊坡主管。