安家?guī)X露天煤礦斷層破碎帶影響下邊坡穩(wěn)定性研究

馬熹焱，繆海賓

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 113122）

通過對安家?guī)X露天礦變形區(qū)揭露邊坡體踏勘及該區(qū)地質(zhì)資料查閱，此處為逆斷層影響區(qū)域，按照斷層走向及產(chǎn)狀等指標(biāo)反推，該片幫區(qū)域?yàn)槟鏀鄬悠扑閹в绊憛^(qū)域，該區(qū)域變形破壞主要受斷層破碎帶控制?，F(xiàn)場調(diào)研確定破碎帶夾雜大量風(fēng)化泥巖，風(fēng)化嚴(yán)重。由于巖性松散并且此處原單臺階坡面角約77°，坡面角較大，出現(xiàn)局部片幫。

安家?guī)X露天礦邊坡在推進(jìn)過程中，遇到多條斷層和陷落柱[1-5]。斷層破碎帶賦存越深，說明在軟弱結(jié)構(gòu)面上的載荷越大，隨著逆斷層的下延，逆斷層對北幫邊坡的影響程度將會增加。加之?dāng)鄬?、陷落柱、蘆子溝背斜等構(gòu)造的耦合作用，將構(gòu)成復(fù)雜的地質(zhì)條件。所以對斷層破碎帶的研究將成為有效控制邊坡穩(wěn)定性的重點(diǎn)。

1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

選取試樣進(jìn)行了巖石直剪試驗(yàn)、含水率和密度試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)、單向抗拉試驗(yàn)、彈性參數(shù)測試等巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得出一系列力學(xué)參數(shù)。根據(jù)Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，通過計算得到了安家?guī)X露天礦北幫巖體強(qiáng)度。同時，考慮到以往類似地質(zhì)條件（巖體破碎、巖石風(fēng)化嚴(yán)重）的力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)用反分析的方法，結(jié)合北幫巖體強(qiáng)度，分析了研究區(qū)邊坡巖體參數(shù)，安家?guī)X露天北幫研究區(qū)域邊坡巖體參數(shù)見表1。

表1 安家?guī)X露天北幫研究區(qū)域邊坡巖體參數(shù)

2 相似模擬試驗(yàn)方案

1）方案1：單臺階開采方案。方案1 中的模擬共采集了8 組監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對逆斷層破碎帶賦存于邊坡內(nèi)部的情況進(jìn)行模擬。安家?guī)X露天煤礦主要采掘3 個煤層，自上而下為4 煤、9 煤、11 煤。在開采過程中，首先開采了泥沙巖互層層組（4 煤以上），再開采4 煤，然后開采了泥砂巖互層層組（4 煤與9 煤之間），接下來模擬開采了9 煤，最后開采11 煤。在開采至4 煤與9 煤之間的過程中，單臺階出現(xiàn)局部變形，可能形成局部片幫現(xiàn)象。這是由于邊坡開挖造成應(yīng)力釋放，引起其向臨空面的位移、水平方向位移、垂直方向位移上均出現(xiàn)了明顯向臨空面的位移；在開采9 煤上部泥砂巖互層組的過程中，開采過程中邊坡變形較大，變形主要沿破碎帶出現(xiàn)。這是由于邊坡下部約束消失，造成邊坡應(yīng)力釋放，向邊坡臨空面方向發(fā)生變形。在9 煤、11 煤開采過程中，水平方向、垂直方向的位移出現(xiàn)逐漸增大趨勢，在破碎帶面上出現(xiàn)剪應(yīng)變集中。當(dāng)開采完畢后，在破碎帶揭露區(qū)域水平及垂直方向，均出現(xiàn)單臺階明顯位移，未出現(xiàn)多臺階的連續(xù)滑動趨勢面。

2）方案2：提前降盤方案。首先需要說明的是方案2 在過逆斷層區(qū)間存在不合理性。方案2 開采過程中，垂直方向位移出現(xiàn)明顯沿逆斷層破碎帶滑動位移趨勢，并且隨著監(jiān)測時間的推移，位移變化越明顯。所以，將坡面布置在破碎帶上部，沿逆斷層上盤破碎帶面易形成滑動趨勢。

3）方案3：提前轉(zhuǎn)向并降盤方案。方案3 在過破碎帶區(qū)間時也存在不合理性。用方案3 的設(shè)計開采結(jié)束后，在幾處平盤的臺階下部出現(xiàn)了鼓起現(xiàn)象和向上的位移。同時，隨著破碎帶暴露時間的延長，鼓起趨勢漸增大，并形成貫通面趨勢，致使邊坡破碎帶沿下盤出現(xiàn)滑動的趨勢。

相似模擬試驗(yàn)結(jié)果來看，方案1 單臺階開采方案為最優(yōu)方案。

3 破碎帶影響下安家?guī)X露天礦邊坡變形破壞規(guī)律

在逆斷層破碎帶處選取2 個剖面作為研究對象。受斷層、陷落柱、斷層破碎帶的影響，巖性松散，破碎帶巖土體物理力學(xué)性質(zhì)軟弱，工程開挖揭露后，邊坡容易產(chǎn)生變形失穩(wěn)?；谧罱K優(yōu)化方案、提前降盤方案、提前轉(zhuǎn)向并降盤方案3 個方案：分析在不同空間形態(tài)下的受斷層、陷落柱、破碎帶影響的邊坡的力學(xué)特性以及在連續(xù)開采過程中的邊坡穩(wěn)定性[6-8]。

3.1 露天礦邊坡靜力學(xué)分析

1）靜力平衡方程式。

式中：σij為應(yīng)力場；Wi為體積力；Ti為作用于表面S 上的邊界力；nj為S 面法線的方向?qū)?shù)；ui為相應(yīng)的位移場為表面位移。

2）變形協(xié)調(diào)方程式。

式中：εij為應(yīng)變場。

3）本構(gòu)關(guān)系方程式。

式中：εkl為應(yīng)變，Cijkl為反映彈性或塑性本構(gòu)關(guān)系的四階張量表達(dá)式。

式（7）采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則得出。

式中：σn、τ 為破壞面上的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力；c、φ為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

在一般的巖土材料中，提出了不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力的限制條件，即：巖土體內(nèi)任一點(diǎn)的小主應(yīng)力不小于0。

反映實(shí)際情況的真實(shí)解便是能夠滿足上述條件的解。但由于巖土材料結(jié)構(gòu)在破壞時呈現(xiàn)的體脹和軟化、大變形等特性，同時呈現(xiàn)出各向異性和非線性和不連續(xù)性的本構(gòu)關(guān)系，使求解巖土材料穩(wěn)定的問題變得十分困難和復(fù)雜。

3.2 破碎帶影響下安家?guī)X露天礦邊坡穩(wěn)定性

3.2.1 力學(xué)分析

逆斷層影響區(qū)域的邊坡，邊坡走向由西向東，逆斷層走向東北，其傾角為36°。逆斷層與邊坡空間交錯關(guān)系可能存在4 種情況：①逆斷層斷裂帶完全位于邊坡內(nèi)部；②逆斷層下部位于邊坡內(nèi)部，上部為逆斷層；③邊坡上部剝離逆斷層斷裂帶，下部暴露于逆斷層；④絕大多數(shù)逆斷層破碎帶均出露于坡面。

選取剖面1 來研究露天礦開采過程對邊坡穩(wěn)定性影響，因其上部揭露破碎帶，破碎帶下部位于坡體內(nèi)部，已揭露逆斷層上部影響區(qū)域。選取剖面2 邊坡與逆斷層在空間上不同位置時逆斷層破碎帶的力學(xué)特征進(jìn)行研究，由于其位于背斜軸部，煤層埋深較淺。

1）方案1 是單臺階開采方案。逆斷層斷裂帶上部出露部分水平位移較大，垂直應(yīng)力沒有形成連續(xù)的貫通面。逆斷層下部距坡面較深，剪應(yīng)力集中在下盤逆斷層斷裂帶接觸面上，易在坡腳形成剪切口。

2）方案2 是提前降盤方案，斷裂帶處形成連續(xù)的貫通面。邊坡暴露了上逆斷層斷裂帶的接觸面，暴露了部分巖性斷裂帶，巖性松散。剪切應(yīng)力集中在每一個臺階上，容易在臺階下形成剪切開口。

3）方案3 是提前轉(zhuǎn)向并降盤方案。轉(zhuǎn)向使邊坡向外延伸，逆斷層破碎帶暴露于邊坡表面上部。

方案1 為最終的優(yōu)化方案。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性隨露天礦開采加深穩(wěn)定系數(shù)變化見表2。

表2 隨露天礦開采加深穩(wěn)定系數(shù)變化

邊坡傾斜斷層破碎帶影響下，在破碎帶上出現(xiàn)剪切變形，其穩(wěn)定性受破碎帶影響，在邊坡沿破碎帶下部形成滑動面。通過邊坡穩(wěn)定性分析，連續(xù)開采過程中邊坡穩(wěn)定性的變化情況。隨著露天礦開采深度加大，含有斷層破碎帶的邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨臺階向下延深逐漸降低。在同一滑動面處，由于前期開采滑動面處于坡底，導(dǎo)致剪應(yīng)力集中，穩(wěn)定系數(shù)較小，穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)由小逐漸增大再變小的變化趨勢；隨著開采深度的增加，剪應(yīng)力不斷變化，穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4 結(jié)論

1）破碎帶巖土體物理力學(xué)性質(zhì)軟弱，與周圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì)顯著不同。由于物理力學(xué)性質(zhì)軟弱，露天礦開挖揭露后，也使邊坡更容易產(chǎn)生變形失穩(wěn)。隨著露天礦開采不斷加深，斷層破碎帶處邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。

2）對受破碎帶影響的邊坡進(jìn)行巖體力學(xué)分析，采用有限元強(qiáng)度折減法，在破碎帶空間位置關(guān)系不同時，分析邊坡巖體的力學(xué)特性。在同一滑動面上，穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，然后減小。主要原因在于滑動面位于邊坡底部，導(dǎo)致剪應(yīng)力集中，使得穩(wěn)定系數(shù)較小。

3）單臺階開采方案為最終優(yōu)化方案。連續(xù)開采過程中邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律：隨著開采深度的增加，剪應(yīng)力不斷變化，穩(wěn)定系數(shù)先增大后減小。