端幫邊坡穩(wěn)定性與內(nèi)排壓腳追蹤距離變化規(guī)律研究

羅 科，劉 震，張 宇

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

露天礦邊坡穩(wěn)定性是露天礦安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，并一直是巖土工程、采礦工程等相關(guān)學科研究的熱點[1]。由于端幫邊坡暴露區(qū)域面積大、時間長，在外界因素的作用下，端幫邊坡會發(fā)生失穩(wěn)破壞，而為了減小端幫邊坡暴露面積，提高端幫邊坡的穩(wěn)定性，許多礦山逐漸采用內(nèi)排壓腳支護。內(nèi)排壓腳支護措施對端幫邊坡起到了鉗制作用[2]，提高了端幫邊坡的穩(wěn)定性，同時也提高了礦山經(jīng)濟效益[3]。

馬文成采用數(shù)值模擬和理論分析的方法，以五彩灣礦區(qū)一號露天礦為工程背景，分析了礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性及其破壞機理，并提出了內(nèi)排壓腳治理技術(shù)[4]；馬進巖等采用數(shù)值模擬與相似實驗相結(jié)合的方法，研究了內(nèi)排壓腳回填參數(shù)對露天邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了不同回填高度對邊坡穩(wěn)定性的影響[5]；王孝亮等采用理論計算的方法，確定了萌動某露天礦內(nèi)排壓腳回填的最優(yōu)高度，提高了邊坡的穩(wěn)定性[6]；祁利民等采用監(jiān)測手段對扎哈淖爾露天礦橫采南端幫邊坡進行了長時間監(jiān)測，并對其進行了分析，提出了內(nèi)排壓腳邊坡防治措施，并對內(nèi)排壓幫參數(shù)進行了優(yōu)化[7]；胡高建等以撫順西露天礦南幫為工程背景，采用微震及衛(wèi)星監(jiān)測的手段，研究了該邊坡的滑移破壞輪廓，并且利用RFPA 軟件確定了邊坡的破壞機理，最終提出了2 階段內(nèi)排壓腳的措施[8]；為了解決寶日希勒礦邊坡變形失穩(wěn)的問題，丁鑫品利用3DEC 離散元軟件研究了內(nèi)排壓腳對于邊坡失穩(wěn)的控制作用[9]；侯殿昆等人則利用FLAC3D以及極限平衡法研究了內(nèi)排土場跟蹤距離對端幫邊坡的鉗制作用影響規(guī)律[10]。

分析上述文獻可知，目前國內(nèi)外專家對端幫邊坡的治理都提出了內(nèi)排壓腳支護措施，但對于內(nèi)排壓腳支護與工作幫邊坡追蹤距離以及內(nèi)排土場追蹤距離與端幫邊坡穩(wěn)定性之間的相互關(guān)系卻少有研究；因此，以河曲露天礦為工程背景，研究了礦區(qū)西端幫內(nèi)排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，確定了不同內(nèi)排壓腳追蹤距離下端幫邊坡滑移形式。

1 工程背景

1.1 河曲舊縣露天礦概況

山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司（以下簡稱河曲露天礦）位于河曲縣城舊縣鄉(xiāng)范家梁村、硬地峁、何家焉一帶，行政區(qū)劃屬河曲縣舊縣鄉(xiāng)。其井田南北長8.260 km，東西寬5.620 km，面積24.953 5 km2，最終開采深度為870～1 060 m，批準開采煤層8#～14#煤。

根據(jù)河曲縣水文站資料，黃河歷年最高水位851 m，最低水位844.38 m，枯水期流量為50 m3/s，洪水期流量為5 060 m3/s。礦田內(nèi)溝谷平時基本干枯無水，只有雨季時才有洪水排泄，自東而西流入黃河，屬黃河流域。

本區(qū)屬黃土高原的一部分，大部分被黃土覆蓋，最大厚度112.50 m，固結(jié)差，垂直節(jié)理發(fā)育。地表由于受后期風蝕，流水侵蝕作用的影響，形成以劉家溝、鋪溝、舊縣河為主溝的樹枝狀沖溝，地形復雜，支離破碎。溝谷以向源侵蝕為主，橫斷面上游呈“V”字型，中下游呈“U”字型，縱斷面坡度較大，對集中排泄地表匯集而成的洪水起著良好的作用。首采區(qū)內(nèi)溝谷僅在雨季時匯集表流形成較大流量，對沖溝產(chǎn)生的強烈下切側(cè)蝕，使溝谷加長加深。在切割較深的溝谷邊緣，因黃土垂直節(jié)理發(fā)育，受自重應(yīng)力及流水側(cè)蝕的影響，常見規(guī)模不大的崩落、滑塌。

黃土自然斜坡大部分在30°～40°間，在局部沖溝的溝頭見有高約10 m 近直立的黃土陡壁；第三系紅土層自然斜坡在40°～50°間。

西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司露天煤礦主要進行首采區(qū)的開采工作，剝離物排棄已完全由外排轉(zhuǎn)為內(nèi)排土場排棄作業(yè)，河曲露天礦開采現(xiàn)狀圖如圖1。

圖1 河曲露天礦開采現(xiàn)狀圖Fig.1 Hequ open-pit mining status map

由圖1，河曲露天礦目前已開采至13#煤層，盡管內(nèi)排土場已經(jīng)進行了壓幫處理，但端幫邊坡（東、西）仍然暴露外界，受到外界因素的干擾，如雨水、爆破振動等，端幫存在一定的滑坡風險，內(nèi)排壓腳對端幫邊坡穩(wěn)定性雖能夠起到一定的控制作用，但確定1 個合理的內(nèi)排壓腳追蹤距離，不僅能夠更好地起到端幫邊坡穩(wěn)定性控制作用，同時能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)排土場的最大化利用。

1.2 三維數(shù)值模型

西端幫三維數(shù)值模型如圖2。

圖2 三維數(shù)值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

河曲露天礦西端幫邊坡整體高度約為133.78 m，端幫邊坡上部覆蓋有厚度達65.79 m 的黃土層，其底部基巖為泥巖，邊坡整體角度約為36.52°，局部單臺階角度最大為69.99°。該三維數(shù)值模型沿x 方向長度為460 m，沿y 方向長度為500 m，沿z 方向高度為182 m，內(nèi)排土場高度為33 m，邊坡角度為25°，工作幫高度為30 m，邊坡角度為15°，內(nèi)排土場與工作幫之間的追蹤距離為L。為研究端幫邊坡穩(wěn)定性與追蹤距離L 之間的關(guān)系，根據(jù)所建立的模型，分別研究了L 為250、200、150、100、50 m 時端幫邊坡穩(wěn)定性。

2 結(jié)果分析

2.1 內(nèi)排土場端幫邊坡位移云圖分析

內(nèi)排土場不同追蹤距離下端幫邊坡位移云圖如圖3～圖7。

圖3 追蹤距離250 m 端幫邊坡位移云圖Fig.3 End slope displacement cloud map for tracking distance of 250 m

圖4 追蹤距離200 m 端幫邊坡位移云圖Fig.4 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 200 m

圖5 追蹤距離150 m 端幫邊坡位移云圖Fig.5 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 150 m

圖6 追蹤距離100 m 端幫邊坡位移云圖Fig.6 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 100 m

圖7 追蹤距離50 m 端幫邊坡位移云圖Fig.7 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 50 m

1）從數(shù)值模擬計算的x 方向位移云圖來看，根據(jù)不同位移值可將端幫邊坡劃分為危險區(qū)域、次危險區(qū)域及穩(wěn)定區(qū)域。分析圖3～圖7 中所給出的x 方向位移云圖可知，隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離L的不斷減小，端幫邊坡x 方向的最大位移值不斷減小，根據(jù)所劃分的危險區(qū)域來看，隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離L的不斷減小，危險區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，且危險區(qū)域面積有所增大，次危險區(qū)域由端幫邊坡暴露坑底滑移。分析認為：端幫邊坡上部存在較大厚度的黃土層，由于黃土層物理力學性質(zhì)較差，首先發(fā)生失穩(wěn)，并迫使其下部巖土體發(fā)生滑移，而隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離的不斷減小，端幫邊坡受到內(nèi)排土場壓腳支護的區(qū)域不斷增大，為黃土層下部巖土體的滑移提供了抗滑力，進而迫使上部黃土層的抗滑力提高，而未受到內(nèi)排壓腳支護的區(qū)域，形成了“排泄口”，并在“排泄口”的周圍形成應(yīng)力集中，而位于“排泄口”正上方的黃土層區(qū)域由于底部缺乏內(nèi)排土場的壓腳支護，抗滑力較小，首先發(fā)生失穩(wěn)，形成了危險區(qū)，其底部的巖層進而形成次危險區(qū)，即隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，端幫邊坡危險區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，且滑體近似呈“凸”字形。

2）從數(shù)值模擬計算的z 方向位移云圖來看，根據(jù)方向的不同位移值可將端幫邊坡劃分為主沉降區(qū)域、次沉降區(qū)域、底鼓區(qū)域以及穩(wěn)定區(qū)域。分析圖3～圖7 中所給出的z 方向的位移云圖可知，端幫邊坡在重力的作用下，發(fā)生不同程度的沉降，根據(jù)沉降的位移值不同，將端幫邊坡劃分為主沉降區(qū)域、次沉降區(qū)域、底鼓區(qū)域以及穩(wěn)定區(qū)域。主沉降區(qū)域主要位于端幫邊坡黃土層位置，且隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，主沉降區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，分析認為由于端幫邊坡上覆黃土層物理力學性質(zhì)較差，在其重力的作用下首先發(fā)生失穩(wěn)破壞，進而引發(fā)周邊巖土體發(fā)生破壞，形成了圍繞式破壞，而端幫邊坡底部由于受到內(nèi)排壓腳支護的影響，端幫邊坡抗滑力提高，與之對應(yīng)的端幫邊坡區(qū)域基本處于次沉降區(qū)域，而內(nèi)排土場及坑底靠近端幫邊坡位置由于受到上部滑體的擠壓作用，形成底鼓區(qū)域。

綜合上述分析，河曲露天礦端幫邊坡由于上覆黃土層的影響，滑移危險區(qū)域主要集中在黃土層，且隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，危險區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，滑體近似呈“凸”字形，這也說明了內(nèi)排土場壓腳支護可以對端幫邊坡提供一定的抗滑力，并迫使危險區(qū)域轉(zhuǎn)移；在沉降方面，沉降主要發(fā)生在黃土層，內(nèi)排土場及坑底靠近端幫邊坡坡腳處發(fā)生了底鼓現(xiàn)象，這是由于端幫上覆巖土體的滑體的擠壓作用形成的，且內(nèi)排壓腳追蹤距離L的減小，主沉降區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，底鼓區(qū)域不斷擴大。因此，內(nèi)排壓腳可以對端幫邊坡起到一定的抗滑作用，迫使危險區(qū)域轉(zhuǎn)移，但端幫邊坡底部易形成底鼓現(xiàn)象，礦區(qū)在采取內(nèi)排壓腳時，必須選定1 個合理的內(nèi)排壓腳追蹤距離。

2.2 內(nèi)排土場端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖

端幫邊坡在失穩(wěn)破壞的過程中，在其潛在滑移面附近會形成變形集中區(qū)域，產(chǎn)生局部化的剪切變形，內(nèi)排土場不同追蹤距離下端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖如圖8～圖12。

圖8 追蹤距離250 m 端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖Fig.8 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 250 m

圖9 追蹤距離200 m 端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖Fig.9 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 200 m

圖10 追蹤距離150 m 端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖Fig.10 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 150 m

圖11 追蹤距離100 m 端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖Fig.11 End slope maximum shear strain incrementscloud diagram for tracking distance of 100 m

圖12 追蹤距離50 m 端幫邊坡最大剪切應(yīng)變增量云圖Fig.12 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 50 m

根據(jù)圖8～圖12 中所給出的不同追蹤距離L 下的最大剪切應(yīng)變增量云圖可知：當追蹤距離L 小于150 m 時，最大剪切應(yīng)變增量主要集中于黃土層區(qū)域，且在端幫邊坡靠近坑底位置，單臺階面存在局部較大的剪切應(yīng)變增量區(qū)域，當內(nèi)排土場追蹤距離變?yōu)?00 m 和50 m 時，最大剪切應(yīng)變增量主要集中在內(nèi)排土場及坑底靠近端幫邊坡坡底區(qū)域，黃土層區(qū)域的最大剪切應(yīng)變增量較小，從數(shù)值上看，當內(nèi)排壓腳追蹤距離大于150 m 時，最大剪切應(yīng)變增量數(shù)值最大僅為0.229，而當內(nèi)排要交追蹤距離變?yōu)?00 m 和50 m 時，最大剪切應(yīng)變增量數(shù)值分別為0.579和0.608，此時的最大剪切應(yīng)變增量已經(jīng)有了較大的變化。分析認為當內(nèi)排壓腳最終距離大于150 m時，內(nèi)排壓腳支護此時隨對端幫邊坡的支護起到了一定的作用，而隨著內(nèi)排壓腳支護的追蹤距離繼續(xù)減小到100 m 時，內(nèi)排壓腳支護作用進一步得到擴大，迫使滑體由“排泄口”滑出。

2.3 端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

不同追蹤距離L 與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的擬合函數(shù)圖如圖13。

圖13 不同追蹤距離L 與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)擬合函數(shù)圖Fig.13 Fitting function diagram of different tracking distance L and end slope stability coefficient

由圖13 給出的端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與不同追蹤距離L 之間的函數(shù)擬合圖可知，端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離L 之間的函數(shù)關(guān)系服從Boltzmann函數(shù)關(guān)系式，擬合度R2為0.998 32，屬于高度擬合，分析圖中所給出的端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢可知，當內(nèi)排壓腳追蹤距離大于150 m 時，內(nèi)排壓腳追蹤距離的變化會引起端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化，但變化不大，而當內(nèi)排壓腳追蹤距離由150 m變?yōu)?00 m 時，端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.46 變?yōu)?.60，發(fā)生了較大變化，而后當內(nèi)排壓腳追蹤距離由100 m 變化為50 m 時，端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)僅由1.60 變化為1.61，僅增加了0.01，變化并不是特別明顯。分析認為當內(nèi)排壓腳追蹤距離L 由250 m 不斷減小時，端幫邊坡受到內(nèi)排土場壓腳支護的區(qū)域也不斷增大，從而使得端幫邊坡穩(wěn)定性有所提高，而當內(nèi)排壓腳追蹤距離由150 m 變化至100 m 時，內(nèi)排壓腳支護效果發(fā)生突變，從而使得端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生了斷崖式變化。

3 結(jié) 語

1）不同內(nèi)排壓腳追蹤距離下，端幫邊坡形成了不同的危險區(qū)域。河曲露天礦端幫邊坡由于上覆巖層為厚度較大的黃土層，危險區(qū)域主要集中于黃土層，而端幫邊坡部分區(qū)域受到內(nèi)排土場壓腳支護的作用，與之對應(yīng)的黃土層區(qū)域處于次危險區(qū)域，而隨著內(nèi)排追蹤距離的不斷減小，危險區(qū)域逐漸向工作幫方向遷移，端幫邊坡滑移區(qū)域也逐漸向“排泄口”靠攏，滑移區(qū)域近似呈“凸”字形。

2）不同內(nèi)排壓腳追蹤距離下，端幫邊坡形成了不同的沉降區(qū)域，并伴隨有底鼓現(xiàn)象。受端幫邊坡上覆黃土層的影響，黃土層區(qū)域發(fā)生沉降，而部分黃土層區(qū)域受到底部內(nèi)排土場壓腳支護的影響，沉降有所減小，形成次沉降區(qū)域，而隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離的不斷減小，壓腳支護區(qū)域逐漸增大，主沉降區(qū)域減小的同時向工作幫邊坡方向遷移，而坑底位置受到擠壓作用，形成底鼓區(qū)域。

3）不同內(nèi)排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)服從Boltzmann 函數(shù)。隨著內(nèi)排壓腳追蹤距離的不斷減小，端幫邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生了斷崖式的變化，內(nèi)排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)之間存在最優(yōu)追蹤距離。