馬婧佳，徐勇超，劉 干，滕文偉，王 東

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 扎魯特 029200；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

含軟弱夾層邊坡失穩(wěn)是露天煤礦常見邊坡災(zāi)害之一，開展含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算是確定露天煤礦合理邊坡形態(tài)、保證煤炭資源安全回采的前提。國內(nèi)外學(xué)者在含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及滑移機(jī)理方面開展了大量的工作，并取得了豐碩的成果。徐志遠(yuǎn)等[1]通過結(jié)合Closest Point 算法、Kriging 插值算法、三維激光掃描等方法建立了滑坡區(qū)域的三維地質(zhì)模型，模擬了含軟弱夾層邊坡失穩(wěn)滑移的過程，并提出了邊坡治理預(yù)防措施。解廷堃[2]等根據(jù)室內(nèi)三軸壓縮結(jié)果，建立了含軟弱夾層巖體的力學(xué)模型，探討了含軟弱夾層邊坡的失穩(wěn)滑移機(jī)理。金愛兵等[3]利用極限平衡法和離散元方法對比分析了不同反壓高度下含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性，認(rèn)為通過壓腳可以有效的改善邊坡的穩(wěn)定性，可以很好的防治含弱層邊坡的滑塌。丁立明等[4]探討了含軟弱夾層邊坡的破話機(jī)理，分析了其破壞形式，運(yùn)用ANSYS 軟件建立了含弱層邊坡模型并進(jìn)行分析計(jì)算，對實(shí)際礦山進(jìn)行了穩(wěn)定性評價(jià)。祖國林[5]等對撫順西露天煤礦軟巖邊坡傾倒滑移變形及其對圍巖體上構(gòu)建筑物變形破壞特征及規(guī)律進(jìn)行研究，并根據(jù)對研究結(jié)果的分析提出了合理的邊坡防護(hù)措施。芮勇勤對[6-7]阜新海州露天礦邊坡的蠕動(dòng)變形、失穩(wěn)進(jìn)行討論，提出了軟弱夾層的一般流變方程，并在此基礎(chǔ)上建立了軟弱夾層邊坡的流變穩(wěn)定性分析方法。楊天鴻[8]等在弱層流變試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)長期強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評價(jià)，探討了含弱層邊坡失穩(wěn)預(yù)測的方法。王東等[9]利用RFPA2D軟件再現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)破壞的動(dòng)態(tài)過程，分析得出了順層邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形成機(jī)制。趙耀等[10]運(yùn)用費(fèi)歇爾判別分析方法結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對地層進(jìn)行軟弱層識(shí)別，可為邊坡穩(wěn)定性評價(jià)提供依據(jù)。

1 露天礦工程概況

1.1 露天礦生產(chǎn)概述

扎哈淖爾露天礦位于內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗境內(nèi)，霍林河煤田西南部，隸屬于內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司。該礦共有11 個(gè)煤層，其中主采層3 層為ⅡB、Ⅲ、Ⅳ煤層，均全區(qū)可采；設(shè)計(jì)產(chǎn)量規(guī)模為15 Mt／a，共劃分為2 個(gè)采區(qū)，開采程序?yàn)椋貉啬喜棵簩勇额^拉溝降深，工作線沿走向布置，沿傾向推進(jìn)平行發(fā)展。開采工藝為：松散土層剝離采用輪斗-帶式輸送機(jī)連續(xù)工藝，上部巖石剝離及采煤均采用單斗-卡車工藝，深部巖石剝離采用單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)工藝。2016 年扎哈淖爾露天礦產(chǎn)量達(dá)到18 Mt/a。

1.2 露天礦工程地質(zhì)條件

扎哈淖爾露天煤礦屬典型軟巖露天礦，采場各幫均為軟巖邊坡，巖土體力學(xué)強(qiáng)度較低，邊坡自穩(wěn)能力較差。根據(jù)已有資料表明[11-12]，露天礦采場南幫在IVC 煤底板存在泥巖、炭質(zhì)泥巖弱層，該弱層一旦被揭露至一定長度，極可能發(fā)生較大規(guī)?；隆?/p>

露天礦南幫邊坡地層自下而上由侏羅系、侏羅系-白堊系、第三系、第四系組成，其中上侏羅-下白堊霍林河群地層控制到扎哈淖爾露天煤礦含煤組地層IV 煤底板，以泥巖、砂巖、煤為主，泥巖所占比重多，砂巖及炭質(zhì)泥巖較少；第三系由沖積黏土、亞黏土組成，較松散，下部由沖積、洪積沙礫石組成；第四系由洪積砂礫石、泥質(zhì)亞黏土構(gòu)成，該層上部為風(fēng)積砂，分選和磨圓度良好。下部為沖、洪積砂，磨圓度和分選性均較差。風(fēng)化帶為散體和碎裂結(jié)構(gòu)，淺裂隙發(fā)育，其包含巖體力學(xué)性能較差泥巖結(jié)構(gòu)面，易發(fā)生形變位移，應(yīng)當(dāng)視為弱層。IV 煤層頂?shù)装鍘r石多為灰-灰白色泥巖及少量灰-灰黑色炭質(zhì)泥巖，硬度較低，易風(fēng)化，塑性較強(qiáng)，其產(chǎn)狀與巖層一致，隨巖層變化而變化，為層間結(jié)構(gòu)面，可判定IVC 煤層底板賦存軟弱夾層。

1.3 露天礦潛在滑坡模式

滑動(dòng)是露天礦最常見的邊坡破壞類型，除此之外露天礦邊坡的破壞模式還包括崩落、剝落、傾倒。扎哈淖爾露天礦南幫邊坡主要由散體結(jié)構(gòu)的第四系砂土和風(fēng)化帶泥巖、層狀結(jié)構(gòu)的泥巖和煤層構(gòu)成，邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度普遍較低，巖性組合復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性主要受風(fēng)化帶泥巖弱層、IVC 煤層底板弱層及弱層上覆巖土體載荷的控制，易發(fā)生以四系與風(fēng)化帶中產(chǎn)生的后緣圓弧裂縫為側(cè)界面、以各弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)。值得注意的是，沿IVC 煤層底板弱層產(chǎn)生的滑動(dòng)將使深部境界某一位置底鼓，形成的鼓脹裂縫將與弱層貫通共同組成滑面。

2 露天礦南幫西側(cè)區(qū)段邊坡形態(tài)優(yōu)化

2.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

極限平衡方法是最常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，也是被露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范認(rèn)可的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。常用的極限平衡分析法主要有剩余推力法、簡化Bishop 法、Spencer 法、Janbu 法及陸軍工程師團(tuán)法等。扎哈淖爾露天礦南幫滑坡的潛在滑坡模式是由地表裂紋剪斷至第四系底板，與各弱層相接，最后按45°-φ/2 剪切角剪出的組合滑動(dòng)，滑動(dòng)面形狀為圓弧-折線復(fù)合型，常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)此種類型滑弧的穩(wěn)定性計(jì)算。因此，基于Bishop 法與剩余推力法2種算法的原理，進(jìn)行計(jì)算軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了上部圓弧-下部斜切的組合滑動(dòng)面穩(wěn)定性計(jì)算。

2.2 邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)

扎哈淖爾露天礦南幫原設(shè)計(jì)邊坡角25°，采用縱采方式進(jìn)行降深，邊坡的暴露時(shí)間小于10 年，按照GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，其安全儲(chǔ)備系數(shù)宜為1.1～1.2?？紤]到煤層露頭處的弱層形態(tài)捕捉不清，且南幫上部存在破碎運(yùn)輸系統(tǒng)等重要設(shè)施，曾出現(xiàn)過張裂縫、地鼓裂縫與大變形等滑坡跡象，綜合確定南幫橫采條件下的安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2。

2.3 邊坡穩(wěn)定性參數(shù)及剖面位置

扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)及各指標(biāo)確定方法見表1。

結(jié)合扎哈淖爾露天礦南幫邊坡的工程實(shí)際、變形破壞情況以及工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探結(jié)果，在西側(cè)未開挖區(qū)域選定了垂直于南幫邊坡走向的7 個(gè)剖面，分別為B19、B20、B21、B24、A10、11、20。研究過程中繪制了各剖面地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造剖面圖，以B20剖面圖為例進(jìn)行分析討論。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)及確定方法

2.4 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算及形態(tài)優(yōu)化

根據(jù)地質(zhì)剖面圖可知，南幫西側(cè)未開挖區(qū)域淺部主要由第四系砂土和風(fēng)化帶泥巖構(gòu)成，風(fēng)化帶至地表約65～80 m，巖體力學(xué)性能和穩(wěn)定性較差，風(fēng)化帶中存在的泥巖結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定影響較大，露天礦開采以后風(fēng)化帶邊坡易發(fā)生小范圍的滑坡事故，影響車輛通行與人員安全。因此，在南幫邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先給出風(fēng)化帶以上邊坡的穩(wěn)定形態(tài)參數(shù)。設(shè)定不同的風(fēng)化帶以上邊坡角度，開展邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)邊坡角為14°時(shí)，各剖面風(fēng)化帶以上邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均能滿足安全儲(chǔ)備要求，風(fēng)化帶以上B20 面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 風(fēng)化帶以上B20 剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

為避免淺層巖體坍塌給露天礦生產(chǎn)造成影響，在風(fēng)化帶底板標(biāo)高附近設(shè)計(jì)留設(shè)20 m 寬的清掃平盤?？紤]到南幫邊坡存在剝離運(yùn)輸環(huán)線，按照內(nèi)排土場排土平盤標(biāo)高每降深24 m 留設(shè)至少30 m 寬的運(yùn)輸平臺(tái)，對各剖面邊坡降深至IV 煤時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算風(fēng)化帶以下不同角度邊坡穩(wěn)定性，直至邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足儲(chǔ)備安全系數(shù)的要求，風(fēng)化帶以下B20 面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖3。根據(jù)各剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化各剖面邊坡形態(tài)，西側(cè)未開挖區(qū)域風(fēng)邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖3 風(fēng)化帶以下B20 剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：由于IV 煤層底板弱層傾角較緩或是弱層上覆巖土體載荷較少的原因，20、A10、B21、B24 剖面均能以30 m 寬的運(yùn)輸平臺(tái)、24 m 為段高直接降深至IV 煤。對于11 剖面，IV 煤層底板弱層傾角在露頭附近基本在13.5°以上，加之弱層上覆巖土體較多，載荷較大，采用橫采內(nèi)排追蹤壓幫開采方式仍不能使南幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到安全儲(chǔ)備要求，只能降深至III 煤。由于地層產(chǎn)狀變化的特性，11 剖面附近B19、B20 剖面也有著類似11 剖面的情況，其若要降深至IV 煤，則需損失一定的煤炭資源。

3 結(jié)論

1）分析了露天礦工程地質(zhì)條件和已揭露巖層邊坡變形情況，得出露天礦南端幫西側(cè)未開挖區(qū)域潛在滑坡模式為由地表裂紋剪斷至第四系底板，與各弱層相接，最后按45°－φ/2 剪切角剪出的組合滑動(dòng)。

表2 西側(cè)未開挖區(qū)域風(fēng)邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)

2）參照GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范并綜合考慮邊坡重要性、服務(wù)年限以及工程地質(zhì)條件、力學(xué)參數(shù)掌握程度，確定采場南幫邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2。

3）分階段、分區(qū)段對采場南幫西側(cè)未開挖區(qū)段現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并結(jié)合以往三維穩(wěn)定性分析稱過優(yōu)化設(shè)計(jì)了采場南幫的邊坡形態(tài)：①風(fēng)化帶以上穩(wěn)定邊坡角為14°；②20、A10、B21、B24 剖面以24 m 高臺(tái)階、30 m 運(yùn)輸平盤向下降深至IV煤；③11 剖面無法安全降深到IV 煤，僅可按24 m 高臺(tái)階、30 m 運(yùn)輸平盤降深至III 煤；④B19、B20 剖面按24 m 高臺(tái)階、30 m 運(yùn)輸平盤降深至III 煤滿足安全要求，若想降深到IV 煤，須減緩風(fēng)化帶以下、III煤以上邊坡角，即增加IV 煤需要以犧牲III 煤為代價(jià)，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。