楊志勇，佟德君

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

當(dāng)前煤炭資源需求增速放緩、安全環(huán)保壓力增大，迫使煤炭企業(yè)向高效、安全、環(huán)保、智能化方向發(fā)展[1]。安家?guī)X露天礦隨著露天礦采剝工程的開(kāi)展，露天礦坑不斷向東推進(jìn)，在推進(jìn)過(guò)程中北幫邊坡處于斷層、陷落柱等不良地質(zhì)條件發(fā)育地帶。該區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性受地質(zhì)條件影響存在重要的安全隱患，且在該影響區(qū)域內(nèi)的具有重要的設(shè)備維修車(chē)間，形成復(fù)合邊坡，對(duì)露天礦山的安全等級(jí)要求進(jìn)一步提高。由于斷層、陷落柱較發(fā)育的邊坡體在構(gòu)造帶形成過(guò)程中受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，破壞了原巖邊坡的自然平衡狀態(tài)，巖石整體呈現(xiàn)破碎狀態(tài)[2]，邊坡體自身的穩(wěn)定性較差，同時(shí)由于斷層等不良地質(zhì)條件的影響，部分區(qū)域的巖層傾角可能急劇增大，隨著采礦活動(dòng)的開(kāi)展，礦坑的不斷向東推進(jìn)，不穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒅饾u被揭露出來(lái)，并形成露天礦的工作幫，邊坡存在重大的安全隱患，因此需要對(duì)該復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)地研究。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外露天礦具有斷層發(fā)育的礦山較多，如撫順礦務(wù)局西露天礦、云南小龍?zhí)堵短斓V、鞍鋼集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺露天礦等，但是類(lèi)似安家?guī)X露天礦邊坡斷層發(fā)育如此之密、延伸如此之長(zhǎng)且區(qū)域內(nèi)有較大陷落柱的露天礦比較少見(jiàn)，可供借鑒的研究成果有限。針對(duì)露天礦邊坡復(fù)雜地質(zhì)條件的研究，自20 世紀(jì)80 年代后期開(kāi)始，煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司露天分院針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的問(wèn)題已經(jīng)做了一定的研究工作，例如王建國(guó)、陳天敏開(kāi)展了“復(fù)雜結(jié)構(gòu)邊坡破壞的多元強(qiáng)度反算方法”的研究，王振偉、王建國(guó)、于永江開(kāi)展了“露井聯(lián)采條件下黃土基底排土場(chǎng)演化規(guī)律研究”研究工作等，但是復(fù)雜地質(zhì)條件下邊坡的運(yùn)動(dòng)機(jī)理是什么？邊坡變形破壞規(guī)律如何？如何預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)災(zāi)害的發(fā)生？如何尋找合理的開(kāi)采方案，并采取相應(yīng)災(zāi)害的防治措施等問(wèn)題尚處在研究階段。而在探討復(fù)雜地質(zhì)條件影響下地質(zhì)體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的孕育、潛伏、爆發(fā)、持續(xù)、衰減、終止等過(guò)程及評(píng)估、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、治理等系統(tǒng)理論問(wèn)題的基礎(chǔ)上，為采礦工程提供安全措施和優(yōu)化方案已經(jīng)成為該類(lèi)難題的一大研究趨勢(shì)[3]。

2 露天礦邊坡工程的特點(diǎn)

1）邊坡具有復(fù)雜性。邊坡工程作為露天礦采剝工程系統(tǒng)的一個(gè)重要組成，其穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、巖性、成巖因素以及生產(chǎn)過(guò)程中人為干擾等因素的影響，這些影響因素具有復(fù)雜性、模糊性[4]，而且各相關(guān)因素之間相互耦合，因此需要從系統(tǒng)工程的角度進(jìn)行全面的研究分析，才能使邊坡整體性能達(dá)到最佳水平。

2）邊坡的動(dòng)態(tài)特性。露天礦邊坡隨煤礦開(kāi)采的過(guò)程不斷處于動(dòng)態(tài)變化中，邊坡體受外部氣候、環(huán)境、爆破、運(yùn)輸?shù)绕渌麛_動(dòng)影響進(jìn)行物質(zhì)、能量的交換，也就是說(shuō)邊坡系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)特性。隨著礦山生產(chǎn)工作面的推進(jìn)，工程地質(zhì)條件的揭露，邊坡體的物質(zhì)組成、巖性強(qiáng)度、幾何特征及影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素是逐漸變化的，相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性也是動(dòng)態(tài)變化的。因此，在進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，要結(jié)合露天礦的生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)。

3）邊坡研究原則。露天礦邊坡穩(wěn)定狀況是露天煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，邊坡工程作為礦山生產(chǎn)安全的保障，不能忽視。而邊坡系統(tǒng)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)特性、模糊性及巖性參數(shù)的不確定性，決定了邊坡研究要堅(jiān)持“動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，定性分析與定量評(píng)價(jià)相統(tǒng)一”的原則。在露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，將多研究方法、多角度進(jìn)行綜合分析處理，建立邊坡工程綜合評(píng)價(jià)理論方法體系是邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的一個(gè)必然發(fā)展方向。

3 安家?guī)X露天礦北幫邊坡問(wèn)題

2012 年10 月安家?guī)X露天礦邊坡局部范圍內(nèi)主運(yùn)輸干道發(fā)生垮塌、1375 和1360 工作平盤(pán)運(yùn)輸干道及坡面出現(xiàn)裂縫、裂縫存在繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，且裂縫西側(cè)的1360 運(yùn)輸干道相對(duì)于東側(cè)已明顯下沉，局部區(qū)域裂縫已貫通，通過(guò)對(duì)變形區(qū)已揭露邊坡體的現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域邊坡體巖性破碎嚴(yán)重，1360工作平盤(pán)至1375 工作平盤(pán)間坡體片幫區(qū)域?yàn)轱L(fēng)化泥巖，呈松散狀，強(qiáng)度非常低，且由于該區(qū)域單臺(tái)階坡面角較大，因此發(fā)生了局部片幫現(xiàn)象。

通過(guò)地質(zhì)寫(xiě)實(shí)、現(xiàn)場(chǎng)踏勘，結(jié)合該區(qū)域以往的地質(zhì)勘查資料，確認(rèn)該區(qū)域破碎帶受蘆子溝背斜控制。隨著露天礦礦坑由西向東推進(jìn)，露天礦邊坡受斷層及陷落柱的影響將會(huì)更加劇烈。

按照年度采礦設(shè)計(jì)，隨采剝工程的進(jìn)行，該區(qū)域內(nèi)斷層被不斷揭露。斷層將成為控制該區(qū)域邊坡穩(wěn)定的主要因素，由于斷層構(gòu)造控制帶影響區(qū)域內(nèi)巖體較為破碎、巖體強(qiáng)度較弱，如果按照原年度采礦計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)，該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定系數(shù)將不能滿足規(guī)范中安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，因此需要對(duì)斷層構(gòu)造控制帶影響區(qū)域的年度采礦設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

4 邊坡變形原因

通過(guò)對(duì)變形區(qū)域已揭露邊坡體的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該區(qū)域邊坡巖體主要存在1 360、1 330、1 310 m 水平3 組軟弱面，巖體沿1 360、1 330 m 水平弱面錯(cuò)動(dòng)較為明顯，1 360、1 330 m 水平弱面為風(fēng)化泥巖，呈松散狀，強(qiáng)度非常低，加之該處原單臺(tái)階坡面角較大，因此發(fā)生局部片幫的可能性比較大。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，該區(qū)域存在1 組正斷層，斷距約為6 m，傾角47°?，F(xiàn)場(chǎng)裂縫西起正斷層出露地表處，向東延伸約60 m，該處的變形受正斷層控制比較明顯。該斷層在井工礦工作面的推進(jìn)過(guò)程中得到部分揭露，井工開(kāi)采造成其上覆巖層力學(xué)性質(zhì)變化，導(dǎo)致斷層對(duì)安家?guī)X露天礦邊坡影響加劇。

5 變形區(qū)邊坡數(shù)值模擬分析

對(duì)于多因素作用下的露天煤礦邊坡變形失穩(wěn)的研究極為復(fù)雜而且十分困難。在邊坡研究中，通常采用模型試驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值計(jì)算分析相結(jié)合的研究方法，通過(guò)在邊坡物理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展理論模擬和數(shù)值計(jì)算，才能給出邊坡變形失穩(wěn)破壞機(jī)制和規(guī)律。在邊坡研究領(lǐng)域，常見(jiàn)的數(shù)值分析方法[5]：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權(quán)余量法、半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法、無(wú)界元法和流形元法等。其中有限元法基于最小總勢(shì)能原理通過(guò)解方程組的方法來(lái)求解，由于對(duì)各種邊界和邊界條件的組合比較容易處理，是目前巖土工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法[6]。

數(shù)值模擬是在工程地質(zhì)模型及力學(xué)性態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，求解地質(zhì)體隨時(shí)間的變形、應(yīng)力及破裂狀態(tài)的變化過(guò)程，從而達(dá)到對(duì)地質(zhì)體變形破壞、乃至運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全過(guò)程描述的目的。數(shù)值模擬具有使用方便、模型相似性強(qiáng)、可操縱性大、輸出結(jié)果豐富、費(fèi)用較低等特點(diǎn)；尤其是隨著對(duì)材料性態(tài)本構(gòu)模型研究的深入，數(shù)值計(jì)算理論水平的提高以及計(jì)算機(jī)軟、硬件和圖形處理技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)展，使得這種模擬技術(shù)更加完備、成熟和實(shí)用。

在安家?guī)X露天礦北幫邊坡變形區(qū)域內(nèi)選取4 個(gè)典型剖面開(kāi)展分析。通過(guò)對(duì)礦山歷史地質(zhì)資料分析，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行綜合分析。

1）通過(guò)對(duì)比現(xiàn)狀及井采到界時(shí)邊坡的穩(wěn)定性、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D可知，由于斷層的存在，在井工礦采煤工作面采動(dòng)影響下造成北幫巖體沿?cái)鄬蛹叭鯇映霈F(xiàn)擾動(dòng)，導(dǎo)致變形區(qū)域擴(kuò)大化。

2）剖面1 位于斷層影響范圍西側(cè)，由分析結(jié)果可知，其穩(wěn)定性較好，剖面1 穩(wěn)定性分析如圖1。剖面2 位于斷層影響區(qū)域，目前斷層受到井工礦采動(dòng)影響，但其對(duì)邊坡影響有限，邊坡穩(wěn)定性較好；當(dāng)井采到界后，井工采動(dòng)將直接影響斷層破碎帶，邊坡穩(wěn)定性下降明顯。剖面3、剖面4 位于斷層露頭東側(cè)，受斷層及風(fēng)化泥巖影響，目前安全儲(chǔ)備系數(shù)已經(jīng)不足，需要對(duì)該區(qū)域邊坡進(jìn)行處理，以滿足安全生產(chǎn)的需求。

對(duì)安家?guī)X露天礦進(jìn)一步研究，內(nèi)排無(wú)法短期內(nèi)跟進(jìn)，且該斷層從井工礦采煤工作面延伸至露天礦北幫邊坡，在井工礦開(kāi)采過(guò)程中持續(xù)存在，井工開(kāi)采擾動(dòng)影響與斷層始終相互作用，邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)無(wú)法滿足要求。且通過(guò)井工礦和露天礦的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明井工開(kāi)采與斷層影響作用已經(jīng)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效果，隨著井工開(kāi)采的推進(jìn)，安家?guī)X露天礦邊坡變形明顯加劇，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)停采線位置進(jìn)行調(diào)整。

圖1 剖面1 穩(wěn)定性分析

考慮到內(nèi)排壓角[7]在短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此需要考慮井工礦生產(chǎn)對(duì)露天礦邊坡的影響，以及露天礦邊坡和井工礦采煤作業(yè)工作面的相互作用影響，采用井工礦回采工作面位置提前停采的方案是比較可靠的。根據(jù)井工礦回采工作面不同位置的力學(xué)分析和數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合井工礦巷道形變監(jiān)測(cè)和露天礦邊坡地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及井工礦與露天礦的經(jīng)濟(jì)性等綜合因素進(jìn)行研究（分別計(jì)算井工礦不同位置的停采線對(duì)露天礦邊坡安全系數(shù)的影響），通過(guò)綜合分析確定井工礦采煤工作面距停采線100 m 停采，邊坡穩(wěn)定系數(shù)維持到最大的1.128[8-9]。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著礦坑由西向東推進(jìn)，安家?guī)X露天礦在采剝推進(jìn)過(guò)程中的邊坡將遇到多條斷層地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)邊坡體揭露情況發(fā)現(xiàn)正在影響邊坡安全的逆斷層逐步向下延伸，這是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素。逆斷層對(duì)邊坡的影響程度也隨著斷層的逐步往下延伸而增加，因?yàn)閿鄬悠扑閹ё鳛檫吰孪到y(tǒng)的軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面賦存越深，說(shuō)明在軟弱結(jié)構(gòu)面上之上的載荷越大，若發(fā)生邊坡失穩(wěn)災(zāi)害，則災(zāi)害越嚴(yán)重，加上其它斷層等構(gòu)造的耦合作用，地質(zhì)條件會(huì)變得異常復(fù)雜。另外在該區(qū)域上部有的外排土場(chǎng)、設(shè)備維修車(chē)間構(gòu)成復(fù)合邊坡，成為露天礦在采剝工程推進(jìn)過(guò)程中必須考慮的重要問(wèn)題。

鑒于露天礦山邊坡工程的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性、模糊性及巖性參數(shù)的非確定性等，礦山的安全評(píng)價(jià)要堅(jiān)持“動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，定性分析與定量評(píng)價(jià)相統(tǒng)一”的原則。形式上要具有靈活性，因?yàn)樗鞯难芯抗ぷ魇窃谟邢薜囊延匈Y料基礎(chǔ)上的初評(píng)價(jià)，隨著采礦工作面的逐步揭露，許多因素都會(huì)與前期資料存在較大差異，只有將科研工作與采礦工作實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，制定合理的開(kāi)采方案，提出災(zāi)害發(fā)生的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，采取相應(yīng)的災(zāi)害防治措施，不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在提高煤炭產(chǎn)量，減少煤炭資源的浪費(fèi)等方面具有優(yōu)越性，并能帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。