于鑫鑫，任 鵬，趙汝輝

（1.國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán) 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；4.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，隨著大型露天煤礦的陸續(xù)建設(shè)，所形成的邊坡規(guī)模逐漸加大，地質(zhì)條件也愈加復(fù)雜，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)處在一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的階段[1-4]；露天煤礦為了滿足其生產(chǎn)的需要建設(shè)有破碎站，而破碎站的存在將會(huì)導(dǎo)致臨空面的產(chǎn)生，其周?chē)倪吰旅媸茉O(shè)備工藝的要求及地質(zhì)條件的限制，多表現(xiàn)為直立狀態(tài)的邊坡，為了保證露天煤礦安全生產(chǎn)，常需對(duì)破碎站進(jìn)行不同程度的支護(hù)，并對(duì)周?chē)倪吰逻M(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，破碎站的穩(wěn)定運(yùn)行是露天煤礦高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[5-6]；因露天煤礦的地質(zhì)環(huán)境因素、采礦工藝、開(kāi)采參數(shù)、地面調(diào)度及運(yùn)輸系統(tǒng)的限制，使原本就能夠滿足產(chǎn)量需求的破碎站，不能全部建設(shè)在坑內(nèi)，因此，采用坑內(nèi)破碎站同地面破碎站二者相互結(jié)合的方式來(lái)滿足生產(chǎn)要求[7-8]，相較于在單個(gè)位置建設(shè)的破碎站，這種條件下邊坡面穩(wěn)定性的分析更為復(fù)雜。

基于黑岱溝露天煤礦地質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)三維激光掃描以及無(wú)人機(jī)航測(cè)等手段對(duì)破碎站范圍內(nèi)地形地貌修進(jìn)行重測(cè)繪，對(duì)比分析研究其周邊破面的穩(wěn)定性，并驗(yàn)算此處的邊坡穩(wěn)定性。

1 礦山概況

準(zhǔn)格爾煤田位于鄂爾多斯高原的東北部，屬典型大陸性氣候，冬季寒冷多風(fēng)，夏季雨量集中，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，有3 組背斜面近似平行，其中西黃家梁背斜與其東南部的焦家圪卜向斜占據(jù)了勘探區(qū)的中西部地區(qū)，控制著該地區(qū)近2/3 的地層；地層走向與褶曲軸和斷裂方向保持一致，而傾向多以北西向和南東向?yàn)橹?；斷裂發(fā)育程度較小，斷距往往偏小，斷層以北東向?yàn)橹?。此外，該區(qū)域內(nèi)還分布有為數(shù)不多的陷落柱，縱觀整個(gè)礦區(qū)的整體地質(zhì)構(gòu)造情況，地層、褶皺軸和斷層大體都呈東北向，基巖結(jié)構(gòu)東北高，西南低。

黑岱溝露天礦礦區(qū)的采區(qū)地層由老到新依次為：奧陶系下統(tǒng)亮甲山組、石炭系、二迭系、第三系上新統(tǒng)和第四系；本區(qū)內(nèi)的煤系地層主要包括：上石炭統(tǒng)太原組以及下二迭統(tǒng)山西組，分部在黃河西岸及大型溝谷中，主要可采煤層為8#、9#、10#。

2 邊坡變形破壞模式

2．1 破壞模型及巖土強(qiáng)度與變形參數(shù)

基于礦上原有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行收集與整理，對(duì)黑岱溝露天煤礦破碎站設(shè)計(jì)范圍邊坡工程地質(zhì)條件進(jìn)行研究，選取典型位置剖面P1，構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性分析地質(zhì)模型，數(shù)值模擬模型的建立擬采用有限差分法FLAC3D[9]；計(jì)算模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為251 m，最大垂直高140 m，分析模型如圖1。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界。

圖1 黑岱溝破碎站P1 剖面數(shù)值分析模型圖

前、后以y 方向位移約束，模型的左、右方向以x 方向位移約束，模型的底部以z 方向位移約束，構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡，計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫模型來(lái)描述。

為了保證系統(tǒng)的受力平衡，前、后邊界以y 方向位移約束，模型的左、右邊界以x 方向位移約束，并且模型的底部以z 方向位移約束，形成位移邊界條件，采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度理論進(jìn)行分析計(jì)算。

分析時(shí)所用巖土力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)主要通過(guò)類(lèi)比分析過(guò)往巖土力學(xué)試驗(yàn)及各穩(wěn)定性評(píng)價(jià)報(bào)告的各力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，破碎站設(shè)計(jì)范圍邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

2．2 模擬結(jié)果

破碎站設(shè)計(jì)范圍邊坡P1 剖面的塑性區(qū)域分布如圖2。

剖面上覆粉土層厚度較厚，屬于典型的順傾邊坡，上層粉土層和中部泥巖層是邊坡塑性區(qū)域分布的主要區(qū)域，邊坡發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的位置集中在泥巖層和粉土層，從圖2（a）可以看出，邊坡尚未形成整體塑性貫通。但要提高泥質(zhì)巖層邊坡坡腳處的強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡的抗滑力，達(dá)到支撐上覆巖土體穩(wěn)定所需的力學(xué)平衡；塑性區(qū)域比較集中的區(qū)域在粉土層中，該處抗剪強(qiáng)度較低，易發(fā)生朝向臨空面滑動(dòng)趨勢(shì)。

通過(guò)x 方向和y 方向位移云圖可以看出，坡腳處出現(xiàn)偏向坑內(nèi)的位移；y 方向位移主要發(fā)生在粉土層最高點(diǎn)附近，且坡腳處發(fā)生向上位移，粉土層內(nèi)塑性區(qū)雖尚未貫通，但該影響區(qū)域存在潛在破壞趨勢(shì)。該處臺(tái)階塑性區(qū)貫通的主要是由于粉土層厚度大所致，約為30 m，坡腳有臨空面，粉土的抗剪能力有限。

表1 破碎站設(shè)計(jì)范圍邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

圖2 破碎站P1 剖面塑性區(qū)域分布圖

3 破碎站設(shè)計(jì)范圍地形校正分析

3．1 邊坡校正前后對(duì)比分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，不良地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查及測(cè)繪，并基于以往在露天煤礦開(kāi)展的巖土體力學(xué)試驗(yàn)所確定的邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)，選取1 個(gè)剖面對(duì)開(kāi)展地形調(diào)整前后的破碎站建設(shè)區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

3．1．1 破碎站設(shè)計(jì)狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在破碎站設(shè)計(jì)范圍布置了1 條研究剖面，基于破碎站邊坡巖土體變形前的地質(zhì)地形圖開(kāi)展計(jì)算，其中剖面P1 局部1 和整體的極限平衡分析結(jié)果如圖3，破碎站范圍邊坡在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下不同位置的計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖3 P1 剖面局部和整體極限平衡分析計(jì)算結(jié)果

圖4 破碎站設(shè)計(jì)狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

1）自然狀態(tài)下邊坡。局部位置2（1 225 臺(tái)階）安全系數(shù)為0.97，不符合規(guī)范要求，存在片幫風(fēng)險(xiǎn)；安全系數(shù)較小的原因是單臺(tái)階坡面角過(guò)大（57 °）；局部位置3（1 210 臺(tái)階）安全系數(shù)為0.78，不符合規(guī)范要求，存在片幫風(fēng)險(xiǎn)；安全系數(shù)較小的原因是單臺(tái)階坡面角過(guò)大（82 °）。

2）飽和狀態(tài)下邊坡。在這種條件下，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯下降，各位置剖面出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)小于1.0 的情況，其中土體范圍臺(tái)階安全系數(shù)下降最為明顯，部分巖質(zhì)邊坡區(qū)域出現(xiàn)了安全系數(shù)小于1.0 的情況；從整體穩(wěn)定性來(lái)看，P1 邊坡在飽和狀態(tài)下，穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。

3．1．2 破碎站設(shè)計(jì)范圍實(shí)際狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

破碎站設(shè)計(jì)范圍邊坡巖土體在建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了一定的變形，需對(duì)變形后的邊坡利用三維激光掃描儀和無(wú)人機(jī)開(kāi)展了進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪以及踏勘工作，對(duì)變形后的邊坡進(jìn)行了修整并開(kāi)展穩(wěn)定性計(jì)算，其中在地形修改后邊坡面P1 局部1 和整體的極限平衡分析結(jié)果如圖5，破碎站范圍邊坡在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下不同位置的計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖5 P1 剖面局部和整體極限平衡分析計(jì)算結(jié)果

圖6 破碎站設(shè)計(jì)范圍實(shí)際狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

自然狀態(tài)下：局部位置2（1 225 臺(tái)階）安全系數(shù)為1.01，不符合規(guī)范要求，存在片幫風(fēng)險(xiǎn)；與修改前情況對(duì)比，局部應(yīng)力調(diào)整后，單臺(tái)階坡面角仍然過(guò)大（53 °）；P1 整體安全系數(shù)為1.19，比修改前剖面安全系數(shù)（1.24）變小，主要原因是邊坡發(fā)生局部滑動(dòng)后，雖然整體邊坡角（34 °）小于修改前（35 °），但邊坡表面巖土體形態(tài)不一，影響邊坡整體穩(wěn)定性。

3．2 實(shí)際工況下邊坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，邊坡上有特別重要建筑物或邊坡滑落會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)重大損失者選取的安全儲(chǔ)備系數(shù)應(yīng)大于1.5，破碎站修改前、修改后的邊坡整體穩(wěn)定性均不符合規(guī)范要求，存在一定風(fēng)險(xiǎn)；破碎站區(qū)域校正前后邊坡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 破碎站設(shè)計(jì)范圍地形校正前后P1 剖面邊坡穩(wěn)定性結(jié)果分析對(duì)照表

綜合以上研究可知：以規(guī)范要求的安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，破碎站各邊坡不符合規(guī)范要求，修改前破碎站邊坡的計(jì)算結(jié)果，在一定程度上吻合了現(xiàn)場(chǎng)情況，由于開(kāi)采活動(dòng)的影響，地表邊坡發(fā)生了局部區(qū)域的邊坡破壞，對(duì)于修改后的破碎站邊坡，即使已經(jīng)發(fā)生過(guò)邊坡巖土體的應(yīng)力調(diào)整，但從計(jì)算結(jié)果看，調(diào)整過(guò)程并未結(jié)束，坡面形態(tài)不一，存在外凸現(xiàn)象，不利于邊坡穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)對(duì)坡面形態(tài)進(jìn)行整理，建立地表位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡情況。

4 結(jié) 論

1）破碎站P1 剖面所在位置邊坡目前未形成整體貫通式裂縫，整體邊坡保持“臨時(shí)”穩(wěn)定狀態(tài)，但要提高泥質(zhì)巖層邊坡坡腳處的強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡的抗滑力，達(dá)到支撐上覆巖土體穩(wěn)定所需的力學(xué)平衡，此外也應(yīng)時(shí)時(shí)觀測(cè)粉土層角度，適當(dāng)放坡，避免粉土層的滑移和失穩(wěn)。

2）基于黑岱溝露天礦邊坡工程地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)成果，構(gòu)建工程地質(zhì)模型，利用FLAC3D研究了破碎站影響區(qū)域內(nèi)的邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理，探明邊坡變形模式。

3）采用三維激光掃描和無(wú)人機(jī)航測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的邊坡地形進(jìn)行重新勘測(cè)，將設(shè)計(jì)邊坡和校正之后的破碎站邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)行對(duì)比分析，修改前破碎站邊坡的計(jì)算結(jié)果，在一定程度上吻合了現(xiàn)場(chǎng)情況，但由于現(xiàn)場(chǎng)工況的時(shí)效性，導(dǎo)致修改后的破碎站邊坡坡面形態(tài)不一，表現(xiàn)為外凸現(xiàn)象，邊坡不穩(wěn)定。