張 巖，蔡 峰，李海濤

(1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

東露天礦隸屬于山西朔州市，整個(gè)礦區(qū)的東西方向走向長度約為4.5～5.5km，南北方向?qū)挾葹?.5～10.5km。礦井批準(zhǔn)開采高度為1480～1000m，礦井儲(chǔ)量為1848.92Mt，建礦初期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20Mt/a。排土場在建設(shè)過程中往往要求在保障安全的前提下，在有限的排土空間內(nèi)最大限度地增加其收容能力[1-4]，由于隨著礦山生產(chǎn)的進(jìn)行，排土場自身所處的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及基底土體和排棄物料的工程性質(zhì)在不斷演化，露天煤礦的采礦工程在進(jìn)行年度設(shè)計(jì)時(shí)，必須依據(jù)國家頒布的《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)要求，先進(jìn)行露天煤礦邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，而非工作幫形成范圍到界臺階前或工作幫邊坡達(dá)到計(jì)算邊界前，都將要進(jìn)行穩(wěn)定性分析、評估，且在適當(dāng)時(shí)采用必要的措施。

1 地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

依據(jù)該露天礦礦井資料可知，平朔東露天礦的內(nèi)外排土場及采場的基底賦存的巖層依次為：物料層、粉土層、粘土層及風(fēng)化基巖層。

由于大部分排棄的物料多為巖土、砂巖、泥巖等混雜物組成，且大小不一，故基底物料層的結(jié)構(gòu)較散，因此其滲透性、儲(chǔ)水性比較好；粉土層層厚1.1～50.1m，平均厚度22.58m，天然含水量2.6～40.7%，天然密度1.39～2.13g/cm3，頂部為褐黃、灰黃色粉土，呈稍密、中密狀態(tài)，干強(qiáng)度較低，韌性低，無光澤，垂直節(jié)理發(fā)育，孔隙較大，為本區(qū)黃土地貌的主要成分。未開挖的區(qū)域，上部有蟲孔及植物根系，含鈣質(zhì)結(jié)核及云母，下部偶見夾砂礫石層。

粘土層層厚0.1～56.7m，平均厚度18.09m，天然含水量11.1～42.4%，天然密度1.49～2.41g/cm3，內(nèi)摩擦角介于9.9°～28.9°，一般呈紅色、棕紅色，垂直節(jié)理發(fā)育，可見顆粒狀結(jié)構(gòu)(俗稱蒜瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu))，結(jié)構(gòu)面可見黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾卵石及漂石層。在采場邊幫上有出露，與下伏基巖不整合接觸。

風(fēng)化的基巖層主要由下石盒子組、太原組及本溪組構(gòu)成，其巖性主要為中砂巖、含礫粗砂巖、粉細(xì)砂巖及泥巖砂質(zhì)泥巖，基巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，與上層覆蓋的第四系黃土層呈角度不整合接觸。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水的主要來自于降水，其余的為地表水。其中，盆地外圍除了南面外其余三面的巖露區(qū)為奧灰水層補(bǔ)給區(qū)，盆地內(nèi)的周圍平原區(qū)的補(bǔ)水源為其下面的各含水層，由于盆地基巖與地層間夾存著一層棕色粘土，致使黃土層中地下水下滲時(shí)受到了阻礙作用。由于在該盆地區(qū)域的南、西面有條季節(jié)性的河流，且該河床將風(fēng)華基巖層的山西組及太原組切斷，對地下含水層進(jìn)行了及時(shí)的補(bǔ)給。

礦區(qū)地下水的排泄方式有點(diǎn)狀排泄、線狀排泄及地表蒸發(fā)等幾種形式，而在河谷地帶的含水層多以泉的形式點(diǎn)狀泄出，該區(qū)域內(nèi)的地層多為多為上、下石盒子組，但在東南方位的山口地帶附近有流量較大的奧灰水泉涌出。馬關(guān)河為區(qū)域內(nèi)地下水主要排泄通道，河床切割了上、下石盒子組地層，其流向基本沿向斜部分布，河谷與巖層走向大致平行，形成了東西兩側(cè)含水層沿著河床以線狀泄流條件。

圖1 南洼村外排土場巖層地質(zhì)剖面

1.3 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

在已有巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，通過工程類比法和反演法獲得東露天礦排土場巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值見表1。

表1 東露天礦巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值

1.4 工程地質(zhì)簡化模型

基于研究區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，建立東露天礦排土場邊坡地質(zhì)簡化模型如圖2—圖4所示。

圖2 南洼村排土場分析剖面模型(南洼6-1剖面)

圖3 南洼村排土場分析剖面模型(南洼6-2剖面)

圖4 南洼村排土場分析剖面模型(南洼6-5剖面)

2 排土場邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理研究

2.1 PFC數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

基于南洼排土場剖面6-1和剖面6-5邊坡工程地質(zhì)模型，運(yùn)用PFC軟件建立數(shù)值模擬研究模型，進(jìn)而模擬出邊坡發(fā)生失穩(wěn)時(shí)應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的原因及變形規(guī)律。

PFC模擬計(jì)算主要分以下4步：①采用顆粒流程序內(nèi)部自帶程序生成初始長方形邊坡模型；②用Fish編寫函數(shù)進(jìn)行地層劃分；③賦予不同地層相應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，消除不均衡力；④開挖形成邊坡外部坡型。圖5為邊坡的PFC模型，其中在X軸方向上對模型兩邊進(jìn)行固定約束，在Y軸方向上只對模型的底部進(jìn)行固定約束，上邊界為自由邊界。數(shù)值模型分別包括排土場下部基底和上部填土兩部分。

圖5 南洼村排土場邊坡PFC數(shù)值模型

根據(jù)前期已有工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，PFC顆粒流程序需要輸入的是細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，參數(shù)選取要依據(jù)室內(nèi)巖土壓縮試驗(yàn)，通過多次調(diào)試，當(dāng)數(shù)值模型的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)一致時(shí)，才能將其用于各邊坡模型。排土場邊坡細(xì)觀力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 排土場邊坡各層細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

2.2 南洼村排土場邊坡變形機(jī)理分析

2.2.1 南洼6-1剖面分析

邊坡應(yīng)力分布如圖6所示，邊坡水平位移矢量如圖7所示。由圖6可知，在X軸方面上(水平方向)，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力普遍大于外部的應(yīng)力。由圖7可知應(yīng)力從頂部開始沿著Y軸方面(垂直方向)逐漸增大，并在模型的底部應(yīng)力達(dá)到了最大值，為6.8929MPa，且在模型的坡面顆粒上出現(xiàn)明顯的位移，最大的位移值為2.19m。從應(yīng)力和位移云圖可知排土場邊坡的破壞模式為填土物料坡體內(nèi)部的圓弧滑動(dòng)破壞。

圖6 南洼村排土場6-1剖面邊坡應(yīng)力分布

圖7 南洼村排土場6-1剖面邊坡水平位移矢量

2.2.2 南洼6-5剖面分析

邊坡應(yīng)力分布如圖8所示，邊坡滑移區(qū)域分布如圖9所示。由圖8可知，應(yīng)力從頂部開始沿著Y軸方面(垂直方向)逐漸增大，并在模型的底部應(yīng)力達(dá)到了最大值，為5.789MPa。由位移分布圖可知，左側(cè)臺階坡頂處將出現(xiàn)大范圍片幫破壞，向前滑移距離約為3～5m，分析原因?yàn)閱闻_階高度過大所致。因此，采用GPS等監(jiān)測手段對該區(qū)域展開全天候地表變形監(jiān)測。

圖8 南洼村排土場6-5剖面邊坡應(yīng)力分布

圖9 南洼村排土場6-5剖面邊坡滑移區(qū)域分布

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定分析方法及安全系數(shù)確定

根據(jù)《露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》邊坡穩(wěn)定性初步判別標(biāo)準(zhǔn)為：①邊坡安全系數(shù)大于1.20，邊坡穩(wěn)定；②邊坡安全系數(shù)在1.10～1.20之間，邊坡基本穩(wěn)定；③邊坡安全系數(shù)小于1.10，邊坡不穩(wěn)定[5，6]。

基于以上標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合邊坡滑移面形狀、巖土層特征、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)物以及周圍相似條件下露天礦的經(jīng)驗(yàn)等，綜合以上在對該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行考量，邊坡安全系數(shù)見表3。

表3 邊坡安全系數(shù)選用表

由于極限平衡分析法在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)具備了便捷、準(zhǔn)確、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用，它主要分為垂直條分法和滑移線法(上限解法)，垂直條分法又包括瑞典圓弧法、畢紹普法、Janbu法，Morgenstern-price法等，不同計(jì)算方法的適用條件和力學(xué)機(jī)理均有所不同[7-13]。采用以極限平衡算法為原理的SLIDE軟件，選擇簡化Bishop極限平衡分析法，分圓弧滑動(dòng)面和折線滑動(dòng)面兩種情況，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.2 計(jì)算剖面及參數(shù)選取

根據(jù)研究區(qū)域及其周邊地質(zhì)條件，結(jié)合邊坡變形失穩(wěn)模式研究成果，選取南洼6-1、6-2、6-5三個(gè)剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定定量評價(jià)。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

通過采用PFC模擬軟件對南洼村排土場邊坡變形破壞特征研究發(fā)現(xiàn)，南洼6-1剖面的排土場邊坡的破壞模式為填土物料坡體內(nèi)部的圓弧滑動(dòng)破壞，而南洼6-5剖面的排土場邊坡的破壞模式為從左側(cè)臺階坡頂處出現(xiàn)了大范圍片幫破壞，為了更直觀的計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，因此借助于Slide軟件建立了極限平衡分析模型，其計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 南洼6-1、6-2和6-5剖面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，三個(gè)剖面邊坡整體安全系數(shù)分別為1.271、1.257和1.047，其中6-2、6-3剖面均能滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2的要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)，而6-5剖面的最小安全系數(shù)為1.047，排土場邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見表4。

表4 排土場邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

因此，根據(jù)PFC南洼村邊坡變形破壞特征及Slide極限平衡分析模型研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在南洼村6-5剖面位置的邊坡，即在排土場左側(cè)單臺階處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將發(fā)生局部圓弧滑動(dòng)，應(yīng)在該位置加強(qiáng)巡視和監(jiān)測。

4 結(jié) 論

1)基于工程地質(zhì)勘查成果，建立東露天礦南洼排土場邊坡PFC數(shù)值分析模型，通過對邊坡變形特征及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的原因及變形規(guī)律，為定量評價(jià)邊坡穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

2)計(jì)算結(jié)果表明，東露天礦南洼村排土場邊坡6-1剖面和6-2剖面安全系數(shù)均大于1.2，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；6-5剖面左側(cè)臺階最小安全系數(shù)為1.047，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3)工程地質(zhì)調(diào)查與測繪結(jié)果表明，6-5剖面坡頂存在明顯裂縫，與數(shù)值分析和極限平衡分析中出現(xiàn)的連通滑移面相吻合，在滑移影響區(qū)域內(nèi)分布有重要構(gòu)筑物，研究結(jié)論為監(jiān)測方案設(shè)計(jì)和構(gòu)筑物提前搬離提供了依據(jù)，避免了更大的經(jīng)濟(jì)損失。