周永利，才慶祥，周 偉，陸 翔

（1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾010300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

保持邊坡穩(wěn)定性在露天煤礦煤炭開采過程中是十分重要的問題。邊坡的失穩(wěn)將會(huì)使邊坡維護(hù)工作難度加大，滑坡事故發(fā)生后更是會(huì)導(dǎo)致極大的經(jīng)濟(jì)利益損失以及露天礦生產(chǎn)工作的停滯[1-7]。

對(duì)露天礦產(chǎn)生的剝離物進(jìn)行壓幫內(nèi)排能夠大大減少剝離物的提升高度，縮短運(yùn)輸距離，降低運(yùn)輸成本，提高礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[8-9]。露天煤礦在開采過程中為了保證作業(yè)的安全性，需要預(yù)留保護(hù)平臺(tái)，使邊坡角度處于一個(gè)較低的水平，當(dāng)露天煤礦進(jìn)行端幫殘煤回收時(shí)，會(huì)對(duì)邊坡底部的煤層進(jìn)行開挖，從而導(dǎo)致端幫的暴露[6]。內(nèi)排壓腳法是露天煤礦為了避免端幫長(zhǎng)時(shí)間暴露常采用的一種工藝方法，而端幫的暴露時(shí)間就決定于內(nèi)排工作的跟進(jìn)速度，壓幫內(nèi)排的快速跟進(jìn)能夠有效減少端幫的暴露時(shí)間，所以壓幫內(nèi)排是解決靠幫開采導(dǎo)致端幫穩(wěn)定性下降這一問題的最佳解決途徑[5]?？梢娺吰路€(wěn)定性問題已成為制約露天煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效作業(yè)的主要因素，為此通過力學(xué)理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究?jī)?nèi)排跟進(jìn)過程中，端幫穩(wěn)定性的變化過程[10-15]，對(duì)端幫完全靠幫結(jié)束時(shí)逐步進(jìn)行內(nèi)排這一過程中邊坡穩(wěn)定性變化展開研究。

1 壓幫內(nèi)排對(duì)端幫穩(wěn)定性影響的作用機(jī)理

回填壓腳是治理邊坡問題常用的一種技術(shù)手段，對(duì)于邊坡下部潛在滑動(dòng)出口位于邊坡坡腳位置，而且邊坡臨空位置空間充足、地勢(shì)平坦的情況，回填壓腳技術(shù)相比于其它治理措施有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在邊坡治理中有著非常廣泛的應(yīng)用。露天煤礦利用回填壓腳的方法則是直接通過將剝離物進(jìn)行壓幫內(nèi)排，該方法能夠就地取材使用剝離物，一方面減少運(yùn)輸距離加快了排土工作，增加了經(jīng)濟(jì)效益，另一方面提高了端幫穩(wěn)定性[16]。

露天煤礦端幫在進(jìn)行靠幫開采時(shí)往往需要內(nèi)排的及時(shí)跟進(jìn)以減少端幫的暴露時(shí)間，剝離物的內(nèi)排能夠?qū)Χ藥偷钠履_進(jìn)行壓實(shí)，避免巖體裂隙的持續(xù)發(fā)育[17]。同時(shí)內(nèi)排臺(tái)階自身?yè)碛幸欢ǖ目辜魪?qiáng)度，當(dāng)端幫開始出現(xiàn)下滑的趨勢(shì)時(shí)，內(nèi)排臺(tái)階能夠阻擋潛在滑面從坡腳位置剪出，從而改變潛在滑動(dòng)面的位置，以達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。內(nèi)排土場(chǎng)壓坡腳作用機(jī)理如圖1。

內(nèi)排土場(chǎng)安全系數(shù)Fs表達(dá)式為:

圖1 內(nèi)排土場(chǎng)壓坡腳作用機(jī)理Fig.1 Action mechanism of pressure slope foot of inner dump

式中：p 為內(nèi)排土場(chǎng)對(duì)端幫產(chǎn)生的壓力；W 為潛在滑動(dòng)面上部滑體的重力；C 潛在滑動(dòng)面上的黏聚力；φ 為潛在滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角；L 為潛在滑動(dòng)面長(zhǎng)度；ψ 為內(nèi)排土場(chǎng)壓力方向與潛在滑動(dòng)面的夾角；β 為潛在滑動(dòng)面與水平方向的夾角。

式中p（cosψ+sinψtanφ）則是由內(nèi)排土場(chǎng)給端幫提供的抗滑作用力，提高了端幫穩(wěn)定性。然而單單從二維剛體極限平衡法對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行支擋效果分析無(wú)法對(duì)內(nèi)排跟進(jìn)距離進(jìn)行分析，仍然存在與實(shí)際不相符的地方，會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏于保守[18]。而FLAC3D能夠從三維角度考慮內(nèi)排跟進(jìn)時(shí)的三維支擋效應(yīng)，與實(shí)際更為相近。

2 端幫邊坡地質(zhì)模型

通過地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該煤礦內(nèi)的煤系地層均無(wú)含水地層，基本不存在涌水的問題，受地下水影響較小，所以在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)不需對(duì)水的影響加以考慮。為了分析內(nèi)排過程對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，建立了4 個(gè)邊坡模型，分別為：①模型Ⅰ：未內(nèi)排，即端幫靠幫結(jié)束時(shí)的模型；②模型Ⅱ：內(nèi)排壓幫1/3；③模型Ⅲ：內(nèi)排壓幫2/3；④模型Ⅳ：內(nèi)排完全壓幫。其中內(nèi)排臺(tái)階高度為30 m，端幫上的每個(gè)臺(tái)階高度為15 m，內(nèi)排過程的邊坡地質(zhì)模型如圖2。

圖2 內(nèi)排過程的邊坡地質(zhì)模型Fig.2 Slope geological model of the internal discharge process

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽繝顟B(tài)

各個(gè)模型的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖3。模型Ⅰ～模型Ⅲ3 個(gè)模型中巖體產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)變均在坡腳位置，隨著內(nèi)排的跟進(jìn)，高剪切應(yīng)變區(qū)域范圍一直在向臨空位置縮小、轉(zhuǎn)移。坡腳剪應(yīng)力集中程度越為明顯，巖體剪切應(yīng)變量的降低表明了巖體破壞程度的下降。模型Ⅳ中的最大剪切應(yīng)變位置甚至轉(zhuǎn)移到了應(yīng)力水平較高邊坡后方。未內(nèi)排的初始模型中最大應(yīng)變?cè)隽繛?.48×10-2左右，當(dāng)內(nèi)排跟進(jìn)到第2 個(gè)階段（模型Ⅲ）時(shí)，最大應(yīng)變?cè)隽?.93×10-6，可見內(nèi)排壓幫的進(jìn)行有效減少了坡腳位置巖體的應(yīng)變破壞變形。

圖3 剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.3 Slope geological model of the internal discharge process

3.2 邊坡變形狀態(tài)

不同內(nèi)排跟進(jìn)距離下的邊坡變形情況如圖4。內(nèi)排跟進(jìn)距離為0、110、220、330 m 所對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.05、1.17、1.23、1.27。當(dāng)端幫靠幫結(jié)束后，邊坡安全系數(shù)為1.05，邊坡幾乎處于極限平衡狀態(tài)，同時(shí)邊坡巖體朝臨空面的方向變形量也比較大，邊坡最大變形量達(dá)到了33 cm。當(dāng)內(nèi)排跟進(jìn)了110 m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)得到了較大提高，達(dá)到了1.17，而且邊坡巖體最大變形量也降到了3 mm。隨著后續(xù)內(nèi)排工作的跟進(jìn)，邊坡安全系數(shù)也在一直增加，但是邊坡安全系數(shù)的增加幅度呈現(xiàn)出了減小的趨勢(shì)。

圖4 不同內(nèi)排跟進(jìn)距離下的邊坡變形情況Fig.4 Slope deformation under different follow-up distances of the internal discharge

根據(jù)不同內(nèi)排跟進(jìn)距離的云圖可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)排的跟進(jìn)對(duì)邊坡巖體的變形產(chǎn)生了很大的影響，尤其是當(dāng)端幫由未內(nèi)排-內(nèi)排跟進(jìn)110 m 時(shí)的這一過程，邊坡的最大變形位置從整個(gè)邊坡底部轉(zhuǎn)移到了未進(jìn)行內(nèi)排壓幫的邊坡底部位置。當(dāng)內(nèi)排跟進(jìn)距離為220 m 時(shí)，產(chǎn)生大變形的范圍進(jìn)一步縮小，基本完全集中在了最下部2 個(gè)平盤位置。當(dāng)內(nèi)排跟進(jìn)距離達(dá)到330 m 時(shí)，大變形的范圍轉(zhuǎn)移到了上部未進(jìn)行壓幫內(nèi)排的平盤位置，也呈現(xiàn)出一種整體滑動(dòng)的趨勢(shì)，但是最大變形量相比較于未內(nèi)排的情形已經(jīng)有了很明顯的下降?？梢姸藥蛶r體的變形范圍和變形量在內(nèi)排跟進(jìn)過程中得到了有效的控制，內(nèi)排臺(tái)階對(duì)端幫起到了非常有效的保護(hù)和阻擋作用。

為了詳細(xì)地分析內(nèi)排跟進(jìn)時(shí)端幫變形的變化過程，在FLAC3D中對(duì)第三級(jí)平盤的坡頂線每隔30 m設(shè)置了1 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中未內(nèi)排模型在每個(gè)臺(tái)階上的變形量完全一致，未內(nèi)排模型在第三級(jí)平盤的變形量為0.264 m，第三級(jí)平盤坡頂線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖略）。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行內(nèi)排的跟進(jìn)時(shí)，通過未內(nèi)排模型（模型Ⅰ）可以發(fā)現(xiàn)邊坡的位移量很大，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均處在分米級(jí)，最大位移量達(dá)到了0.275 m。在內(nèi)排跟進(jìn)110 m 的模型（模型Ⅱ）內(nèi)前5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值均很小，這5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于內(nèi)排臺(tái)階上部，第10 個(gè)以及后面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比于前面監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量處于一個(gè)較高的水平。內(nèi)排跟進(jìn)220 m 的模型（模型Ⅲ）和內(nèi)排跟進(jìn)330 m 的模型（模型Ⅳ）的整體變形量極小，但是也表現(xiàn)出了各自的變形規(guī)律，其中模型Ⅲ與模型Ⅱ的變形規(guī)律較為一致，只是在變形增加階段的每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量相比較于上一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較小。模型Ⅳ的最大變形位置位于邊坡中部，隨著與中部位置距離的增加，變形量在持續(xù)減小，位移分布形式與未內(nèi)排情況一致，呈現(xiàn)近似的對(duì)稱分布。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)露天煤礦靠幫結(jié)束后并進(jìn)行內(nèi)排壓幫提高邊坡穩(wěn)定性這一過程進(jìn)行了機(jī)理分析，提出了內(nèi)排壓幫后的二維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算公式。通過FLAC3D軟件對(duì)端幫靠幫結(jié)束后未進(jìn)行內(nèi)排的狀態(tài)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到的安全系數(shù)為1.05。然后又將內(nèi)排壓幫過程分成3 個(gè)階段（每次內(nèi)排跟進(jìn)110 m）進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。當(dāng)內(nèi)排跟進(jìn)了110 m，邊坡的安全系數(shù)有了很大的提升，同時(shí)邊坡的變形量也由0.264 m 降到了3 mm 左右。后期內(nèi)排的繼續(xù)跟進(jìn)使得邊坡安全系數(shù)也一直有著小幅度的增加趨勢(shì)?？梢娫趦?nèi)排工作的前期，則是工作進(jìn)度越快邊坡穩(wěn)定性的提升速度越快。根據(jù)計(jì)算結(jié)果云圖可以看出內(nèi)排的跟進(jìn)明顯的減小了端幫巖體的變形范圍和變形量，內(nèi)排臺(tái)階的壓坡腳作用有效的增加了邊坡穩(wěn)定性。