基于定量評價方法到界邊坡穩(wěn)定性控制方案優(yōu)化研究

王志鵬 任 鵬

(1.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

隨著我國露天煤礦開采年限及生產(chǎn)規(guī)模不斷加大，露天煤礦境界范圍內(nèi)到界邊坡日益增多，到界邊坡的維持時間、暴露高度及暴露面積也不斷增加，導致邊坡巖體強度弱化，使邊坡穩(wěn)定性存在較大的安全隱患。因此如何對到界邊坡穩(wěn)定性進行科學評價及開采參數(shù)優(yōu)化，成為煤礦企業(yè)及科研專家越發(fā)關心的問題。以極限平衡為基礎的邊坡穩(wěn)定分析理論，得出邊坡穩(wěn)定分析塑性上限解的微分方程以及相應的解析解[4]；同時，為了能夠方便準確地確定邊坡任意形狀和到界滑面，對到界滑動場進行的相關研究亦顯得尤為重要[5]；故此，合理評價復雜地質(zhì)條件下到界邊坡的穩(wěn)定性，并設計經(jīng)濟合理、技術可行的優(yōu)化措施，對礦山企業(yè)安全高效生產(chǎn)有著十分重要的意義[6-9]。

1 工程概況

平朔礦區(qū)位于寧武煤田的北端，其中安太堡露天礦作為中國最大露天煤礦，已開采近40年。其主要含煤地層為山西組、太原組和本溪組，其中山西組含煤3層，太原組含煤9層，4-1、9、11號煤層為主要可采煤層。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查與鉆探結果表明，9號煤層已經(jīng)實現(xiàn)靠幫，至此4號煤層上部4級臺階實現(xiàn)并段，巖石的風化和侵蝕作用在該區(qū)域顯現(xiàn)明顯，巖石風化作用對邊坡的變形性質(zhì)產(chǎn)生不利影響并降低其他強度性質(zhì)，而侵蝕作用主要是水的侵蝕，水的存在會增大巖體中的裂縫及增強巖石風化作用，再加上北幫多級臺階并段，且臺階坡面角較大，逐漸形成高陡邊坡，進而造成該區(qū)域巖體邊坡不穩(wěn)。

2 邊坡變形破壞模式分析

2.1 邊坡滑移機制數(shù)值模型

通過對安太堡露天礦北幫東段并段臺階剖面到界邊坡破壞機制進行研究，建立邊坡穩(wěn)定性分析地質(zhì)模型，數(shù)值模擬模型的建立采用FLAC3D分析程序[10]，分析過程中的巖土體采用的本構模型為摩爾—庫侖強度準則；根據(jù)研究區(qū)域的邊坡和地貌特征，綜合考慮北幫到界、并段邊坡以及時效性等因素對北幫邊坡穩(wěn)定性的影響，基于典型工程地質(zhì)剖面構建的FLAC3D有限差分數(shù)值模型如圖1所示。模型沿邊坡傾向長度610 m，垂直高度300 m，模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，根據(jù)建立的模型和實際條件確定邊界條件：模型前、后、左、右邊界施加水平方向的位移約束，即模型的邊界水平位移為零；模型的底部邊界固定，水平、垂直位移為零；模型的頂部和邊坡面為自由邊界。

基于以上3點構成位移邊界條件，以保持整個計算剖面的受力平衡，通過計算并分析到界邊坡水平位移、豎直位移和剪應變增量云圖，確定在并段臺階區(qū)域邊坡潛在滑動部位與滑面形狀，并依此預計邊坡總體變形破壞趨勢。

圖1 數(shù)值模型分析圖

2.2 巖土體強度指標值的確定

體積模量K和剪切模量G作為FLAC3D模擬計算參數(shù)，其所對應材料的力學行為比傳統(tǒng)的楊氏模量以及泊松比更符合實際，(E，v)與(K，G)的轉換關系的表達式如下：

式中：K——體積模量，MPa；

G——剪切模量，MPa；

E——楊氏模量，MPa；

v——泊松比。

基于以往巖土體試驗成果，通過歸納和分析獲得本文巖土體物理力學性質(zhì)指標[11]，見表1。

2.3 數(shù)值模擬結果分析

為了研究北幫并段臺階對到界邊坡變形的影響，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析該區(qū)域邊坡變形失穩(wěn)模式，數(shù)值模擬結果分析如圖2所示。

由圖2(a)可知，邊坡剪切應變增量程度較明顯的位置主要集中在4號煤層底板下部臺階與9號煤層頂板上部巖石并段臺階坡面處，根據(jù)應力集中的特征即為標高1100～1150 m處，雖在4號煤層上部并段臺階處出現(xiàn)應力集中但顯現(xiàn)并不明顯，該區(qū)域內(nèi)部剪應變增量比較集中的主要原因是9號煤層頂板上部相鄰臺階留設的安全平盤寬度不足，多臺階并段致使基巖臺階過高，雖然整體邊坡角滿足到界邊坡角的要求，但并段臺階處坡面角過大，導致穩(wěn)定性降低。

表1 邊坡巖土體物理力學性質(zhì)指標

圖2 研究剖面邊坡數(shù)值模擬結果分析

由圖2(b)可知，標高1100～1150 m和1158～1214 m多級并段臺階靠幫程度嚴重，安全平盤寬度不足，局部邊坡角約為59°，有發(fā)生局部區(qū)域向鄰空面滑動的趨勢。

由圖2(c)可知，4號煤層和9號煤層上部巖土體均有豎直向下位移的趨勢，尤以9號煤層上部并段臺階最為明顯，同時受背斜構造影響，該段區(qū)域邊坡面與巖層面順傾，順傾角度約為2°～3°左右，以上因素綜合作用下不利于北幫到界邊坡的穩(wěn)定。

由圖2(d)可知，塑性區(qū)域主要分布的位置在4號煤層和9號煤層上部多級并段臺階處，巖土層中塑性區(qū)域比較集中的原因是該區(qū)域巖土體多級臺階并段，致使坡面角增大，且內(nèi)側坡表巖體破碎，坡體表面懸露巖體長期經(jīng)風化作用致使其抗剪強度相對較低且壓縮性較強，正常情況下，該區(qū)域邊坡整體失穩(wěn)的可能性較小，邊坡的變形破壞模式為在塑性區(qū)域較集中的位置發(fā)生多級臺階組合滑動或崩塌破壞，因此，為了保證安全高效生產(chǎn)，須采取有針對性的防治措施。

3 北幫到界邊坡穩(wěn)定性控制方案優(yōu)化設計

3.1 到界邊坡穩(wěn)定性分析

采用Geo-Slope系統(tǒng)軟件對邊坡穩(wěn)定性進行分析計算，Geo-Slope主要應用極限平衡法進行巖土工程和巖土環(huán)境的模擬仿真計算。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》，綜合考慮研究區(qū)域地質(zhì)條件、構造條件、建筑設施及邊坡重要程度等因素，選取邊坡安全儲備系數(shù)為1.2?；诎蔡ぢ短斓V北幫到界影響區(qū)域邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖，建立極限平衡分析模型，輸人計算所需的強度參數(shù)，得到極限平衡計算結果。本研究邊坡穩(wěn)定計算方法采用畢肖普(Bishop)法、簡布(Janbu)法、斯賓賽(Spencer)法以及摩根斯坦-普拉斯(Mogenstern-Price)法，4種極限平衡分析方法綜合對照表見表2。

針對平朔安太堡露天礦北幫到界邊坡并段臺階的分布現(xiàn)狀，基于對研究剖面邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀展開的全面評價，探明邊坡穩(wěn)定狀況演化趨勢，從而確定邊坡安全工作重點區(qū)域，利用4種極限平衡分析方法，對邊坡穩(wěn)定性進行局部和整體分析，研究剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析計算結果見表3。

表2 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析方法對照表

表3 4種極限平衡分析方法計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)對照表

通過4種極限平衡方法對該區(qū)域危險位置進行搜尋，確定到界邊坡最危險滑移面。根據(jù)危險滑移面搜尋結果，應用畢肖普法、簡布法、斯賓賽法以及摩根斯坦-普拉斯法對北幫到界邊坡同一位置區(qū)域的穩(wěn)定性進行分析；根據(jù)表3中的計算結果，該區(qū)域位置處的整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.2，邊坡整體穩(wěn)定，但4號煤層和9號煤層底板上部并段臺階穩(wěn)定系數(shù)小于1.2，對礦山安全生產(chǎn)有一定的隱患，基于此，亟需采取優(yōu)化措施規(guī)避北幫到界邊坡安全風險。

3.2 控制方案優(yōu)化選擇

邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域常見的防治措施有排水、減載、壓腳、加固等幾種方法，為了保證北幫到界邊坡的穩(wěn)定，根據(jù)該區(qū)域的水文地質(zhì)條件，擬采用削坡減載措施在現(xiàn)場條件下進行分析。該過程所造成的邊坡失穩(wěn)區(qū)域進行治理主要基于2個原則：減小滑坡體的致滑力和提高滑坡體的抗滑力。

對9號煤層上部巖土體(多級臺階并段區(qū)域)作削坡處理。優(yōu)化前9號煤層上部巖土體邊坡角為59°，現(xiàn)將9號煤層上部并段臺階采取削坡減載措施，4種優(yōu)化方案的研究剖面邊坡角分別為56°、53°、50°和47°。其中，9號煤層上部巖土體邊坡角優(yōu)化至47°時的簡化模型如圖3所示。

結合上述研究方案，為了進一步研究分析不同位置處的邊坡穩(wěn)定性，通過Geo-Slope計算各位置處的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，如圖4所示，該方案中研究剖面邊坡巖土體沿4號煤層底板相鄰并段臺階發(fā)生局部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.227，9號煤層底板相鄰并段臺階發(fā)生局部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.206，采用畢肖普法計算兩處位置的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.121和1.093，見表3，優(yōu)化之后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于原始局部邊坡安全系數(shù)，同時邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.368，滿足1.2的安全儲備系數(shù)，邊坡失穩(wěn)的可能性大大降低。通過計算其他3種削坡減載方案的整體和局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，綜合分析4種方案結果如圖5所示。圖5中局部邊坡角度指9號煤底板上部巖土體并段臺階角度。

圖5 邊坡角度優(yōu)化方案中整體和局部邊坡安全系數(shù)分析

由圖5綜合4種方案可以得出，邊坡角度為53°和56°時，雖整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足要求，但局部臺階仍未達到安全儲備系數(shù)，故此舍棄這2種方案；9號煤層底板上部并段臺階角度為47°和50°時，局部和整體均滿足邊坡安全儲備系數(shù)(Fs>1.2)，對2種方案的經(jīng)濟效益(剝離量)進行評價：

V=S·L

式中：V——剝離量， m3；

S——剝離區(qū)域，m2，可通過CAD求解；

L——邊坡的走向長度，m。

由于邊坡的走向長度L是定值，因此只需基于S對剝離量進行對比評價。當邊坡角度為47°時：S= 1112.05 m2；當邊坡角度為50°時：S= 994.97 m2。利用極限評分分析理論并通過經(jīng)濟效益對比，在保證者到界邊坡穩(wěn)定，即局部潛在滑坡危險可得到有效控制前提下，選擇9號煤層底板上部并段臺階角度為50°的削坡減載方案。

4 結論

(1)通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對北幫典型剖面到界邊坡巖體的破壞機制進行了分析和研究，并根據(jù)計算結果確定潛在危險區(qū)域，同時探明了邊坡的變形破壞模式。

(2)基于Geo-Slope極限平衡分析方法對該區(qū)域現(xiàn)狀邊坡進行穩(wěn)定性驗算，同時對9號煤層底板上部并段臺階進行削坡處理，即優(yōu)化后的邊坡角度分別為47°、50°、53°和56°。結合極限平衡分析方法對此4種治理方案進行安全評價，綜合考慮邊坡的安全性及經(jīng)濟性，北幫該區(qū)域到界邊坡削坡減載至邊坡角為50°時效果最優(yōu)。