黑山露天礦邊坡優(yōu)化穩(wěn)定性分析

馬明康，繆海賓，馬熹焱，趙 賀，張東旭

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

露天礦邊坡穩(wěn)定性是一個(gè)長(zhǎng)期性課題，既要保證露天礦的安全開(kāi)采，又要保證合理的經(jīng)濟(jì)剝采比，在安全生產(chǎn)與利潤(rùn)最大化之間達(dá)到均衡。露天礦的邊坡研究作為一個(gè)復(fù)雜工程性問(wèn)題，與其它工程諸如水利水電工程不同，露天礦采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性并不要求永久穩(wěn)定，只要滿足相應(yīng)的采場(chǎng)服務(wù)期限內(nèi)穩(wěn)定。準(zhǔn)許煤巖體較小范圍的變形與碎裂，當(dāng)小范圍的變形與破碎不影響煤礦的安全生產(chǎn)時(shí)，也可認(rèn)定這種形態(tài)下的邊坡是符合要求的，對(duì)邊坡的治理不僅要重視，而且要進(jìn)行具體的分析，最重要的是斷定邊坡變形破壞模式及變形的發(fā)展變化趨勢(shì)[1-3]。

1 礦山概況

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層有古生代志留系等，露天礦區(qū)基底由這些地層組成。煤系地層走向約95°，南傾，傾角一般在13°～25°，走向上傾角變化不大。礦區(qū)采場(chǎng)已揭露以石炭系、侏羅系以及第四系等地層為主，主要為粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、火燒蝕變巖及砂土礫石層。泥巖主要有深灰色泥巖、淺磚紅色泥巖、灰色泥巖等，巖性硬度較脆弱，干燥、性脆、遇水后易裂開(kāi)，呈松散狀，巖性及破碎；砂巖主要灰白色砂巖、土黃色砂巖，接觸膠結(jié)、膠結(jié)物為鈣質(zhì)，巖性膠結(jié)較好，較堅(jiān)硬，輕擊不易破碎，巖性賦存較好；砂土礫石層呈松散狀，大孔隙，膠結(jié)性較差，透水性極強(qiáng)，主要由礫石約占70%，砂土約占30%，礫石主要由基性巖，石英，燧石，灰?guī)r，砂巖，泥巖等組成，砂土礫石層與下覆地層為角度不整合接觸。露天礦采場(chǎng)邊坡面臨的主要問(wèn)題是由于巖層賦存條件一般，導(dǎo)致部分臺(tái)階出現(xiàn)不同程度的裂縫，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采礦與剝離等工作造成了一定的影響。

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 物理力學(xué)參數(shù)及分析方法

對(duì)采場(chǎng)DB 剖面建模分析，DB 剖面采場(chǎng)邊坡模型如圖1。

圖1 DB 剖面采場(chǎng)邊坡模型

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，得到的不同地質(zhì)層位的物理力學(xué)指標(biāo)匯總見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土物理力學(xué)指標(biāo)

極限平衡法是目前應(yīng)用最為廣泛的分析方法，其原理是假設(shè)露天煤礦邊坡存在潛在滑移面，并設(shè)定破壞區(qū)域土體為可脫離物體，對(duì)滑坡體進(jìn)行分條塊計(jì)算，對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行受力平衡簡(jiǎn)化計(jì)算，滑塊體達(dá)到靜力平衡時(shí)土體所需的阻力與破壞面實(shí)際提供的阻力比值，求得邊坡安全系數(shù)，采用Janbu 法對(duì)所選剖面進(jìn)行極限平衡的計(jì)算，Janbu 法（1957）又稱(chēng)普遍條分法，它主要應(yīng)用于形狀多變的滑動(dòng)面[2]，因此Janbu 法能夠有效而準(zhǔn)確的分析邊坡中存在非圓弧形破壞時(shí)的穩(wěn)定性[4-5]，Janbu 法滿足的平衡條件如下：①條塊水平方向力平衡；②條塊垂直方向力平衡；③力矩平衡保持在條塊繞分塊底滑面中點(diǎn)處。Janbu 法不僅可以計(jì)算復(fù)雜的多地層，還可以綜合考慮地震及地下水的作用。

2.2 計(jì)算結(jié)果

DB 剖面Janbu 法計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 DB 剖面Janbu 法計(jì)算結(jié)果

由圖2 知，圖中整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)為1.310，剪出口位于煤層底板下方的泥巖處，此時(shí)穩(wěn)定系數(shù)大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3；DB 剖面單臺(tái)階穩(wěn)定性系數(shù)為0.921，遠(yuǎn)低于DB 剖面邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3，通過(guò)計(jì)算印證了單臺(tái)階的滑動(dòng)模式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符，單臺(tái)階垮落對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成不利影響，對(duì)于+2460 平盤(pán)道路的運(yùn)輸工作也帶來(lái)不便，為不影響露天礦采場(chǎng)的正常生產(chǎn)與剝離物的運(yùn)輸,優(yōu)化露天礦采場(chǎng)邊坡輪廓，需要對(duì)DB 邊坡進(jìn)行削坡處理，保證DB 剖面的穩(wěn)定性，削坡位置在+2460～+2490平盤(pán)，采用這種削坡方法既能保證邊坡穩(wěn)定性，又能保證平盤(pán)正常的作業(yè)能力。DB 剖面削坡后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 DB 剖面削坡后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

通過(guò)削坡后的計(jì)算結(jié)果可知，削坡后2 個(gè)臺(tái)階的整體邊坡角平均減少了20°，單臺(tái)階穩(wěn)定性系數(shù)由0.921 提高到1.325，整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)由1.310 提升到1.351，均滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊坡穩(wěn)定性要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采礦作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)起到了保證。

由圖2、圖3 可知，削坡前后DB 剖面都存在的單臺(tái)階滑坡，滑坡體沿泥巖滑出，而邊坡的整體滑移，滑坡體主要沿著煤層底板的泥巖滑出。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法和模型

有限元方法是一種數(shù)值計(jì)算的近似方法，采用有限元研究方法的主要目的在于模擬出削坡前邊坡輪廓的位移云圖、速度矢量圖和塑性應(yīng)變?cè)茍D，為極限平衡理論地分析起到輔助分析的作用，同時(shí)，借助數(shù)值模擬最大可能地還原和驗(yàn)證平盤(pán)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的具體位置，查看邊坡塑形變形區(qū)是否完全貫穿整個(gè)邊坡[6-8]。

由以上分析可確定，在驗(yàn)證露天礦邊坡的穩(wěn)定與否是必要的，也是科學(xué)的，采用有限元分析既能完美貼合實(shí)際邊坡的物理力學(xué)參數(shù)、直觀對(duì)比削坡前后的模型差異，又能精確計(jì)算出x、y 方向的位移數(shù)值，確定塑性變形最大值區(qū)域，為露天煤礦邊坡的治理提供方向。

模型的建立主要涉及物理力學(xué)參數(shù)和網(wǎng)格的劃分，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，巖體體積膨脹的大小用膨脹角來(lái)表示，在此處，默認(rèn)DB 剖面的巖土為壓實(shí)顆粒，輸入膨脹角為0，同時(shí)，為了精確模擬DB 剖面的實(shí)際情況，將坡面處網(wǎng)格進(jìn)行2 倍密度劃分，邊坡下方單元網(wǎng)格密度設(shè)置為8，劃分時(shí)統(tǒng)一采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，提高數(shù)值模擬計(jì)算的精度，對(duì)左右兩側(cè)進(jìn)行x 方向的約束，對(duì)下側(cè)進(jìn)行xy 方向的約束，對(duì)邊坡整體施加重力約束，重力加速度這里取值為9.8 m/s2。

3.2 計(jì)算結(jié)果

DB 剖面削坡前的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。

圖4 DB 剖面削坡前數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

從模擬結(jié)果可知，水平最大位移發(fā)生在+2460-+2490 平盤(pán)之間，最大塑性應(yīng)變發(fā)生在+2460-+2475平盤(pán)之間，塑性應(yīng)變未貫穿到坡頂，邊坡此時(shí)未遭到破壞，但邊坡前緣部分應(yīng)力集中；邊坡的速度矢量最大位置位于邊坡中間標(biāo)高+2445 m 和+2490 m 全段，即速度矢量最大位置已經(jīng)遠(yuǎn)離原滑帶位置處，DB 剖面后緣下部位移矢量速率比較小，是由于原潛在滑面在上覆荷載下發(fā)生滑動(dòng)，牽引著DB 剖面發(fā)生單臺(tái)階楔體滑動(dòng)變形，反應(yīng)了坡體滑動(dòng)的趨勢(shì)[9-10]。

數(shù)值模擬最終的結(jié)果云圖，與削坡前的極限平衡分析基本對(duì)應(yīng)，邊坡潛在的滑坡模式為單臺(tái)階滑坡與整體滑坡，同時(shí)塑形變形區(qū)未貫穿整個(gè)邊坡，此時(shí)邊坡雖有裂縫等不良地質(zhì)特征，卻未遭到整體破壞，及時(shí)進(jìn)行削坡處理，對(duì)露天礦的安全生產(chǎn)、邊坡穩(wěn)定具有正向作用。

4 結(jié)論

1）削坡前，DB 剖面的+2465 等平盤(pán)均出現(xiàn)不同程度的地裂縫，甚至片幫現(xiàn)象，這些不良地質(zhì)因素對(duì)露天礦采場(chǎng)的采煤工作有較大影響，長(zhǎng)期以往，可能會(huì)對(duì)露天礦邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響，通過(guò)對(duì)比削坡前后的邊坡角，削坡后2 個(gè)臺(tái)階的整體邊坡角平均減少了20°，單臺(tái)階穩(wěn)定性系數(shù)由0.921 提高到1.325，整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)由1.310 提升到1.351，均大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3，達(dá)到了安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求。

2）通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，塑性應(yīng)變未貫穿到坡頂，邊坡未遭到破壞，但邊坡前緣部分應(yīng)力集中；邊坡的速度矢量最大位置位于邊坡中間標(biāo)高+2 445 m 和+2 490 m 全段，即速度矢量最大位置已經(jīng)遠(yuǎn)離原滑帶位置處，DB 剖面后緣下部位移矢量速率比較小，是由于原潛在滑面在上覆荷載下發(fā)生滑動(dòng)。

3）通過(guò)削坡前后穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比分析，結(jié)合數(shù)值模擬理論，得到削坡后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足黑山露天礦的生產(chǎn)作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)，能夠正常保證采煤進(jìn)行。