馬熹焱，繆海賓

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

通過對安家?guī)X露天礦變形區(qū)揭露邊坡體踏勘及該區(qū)地質資料查閱，此處為逆斷層影響區(qū)域，按照斷層走向及產狀等指標反推，該片幫區(qū)域為逆斷層破碎帶影響區(qū)域，該區(qū)域變形破壞主要受斷層破碎帶控制?，F(xiàn)場調研確定破碎帶夾雜大量風化泥巖，風化嚴重。由于巖性松散并且此處原單臺階坡面角約77°，坡面角較大，出現(xiàn)局部片幫。

安家?guī)X露天礦邊坡在推進過程中，遇到多條斷層和陷落柱[1-5]。斷層破碎帶賦存越深，說明在軟弱結構面上的載荷越大，隨著逆斷層的下延，逆斷層對北幫邊坡的影響程度將會增加。加之斷層、陷落柱、蘆子溝背斜等構造的耦合作用，將構成復雜的地質條件。所以對斷層破碎帶的研究將成為有效控制邊坡穩(wěn)定性的重點。

1 巖土物理力學性質試驗

選取試樣進行了巖石直剪試驗、含水率和密度試驗、單軸抗壓試驗、單向抗拉試驗、彈性參數(shù)測試等巖土物理力學性質試驗，得出一系列力學參數(shù)。根據(jù)Hoek-Brown 強度準則，通過計算得到了安家?guī)X露天礦北幫巖體強度。同時，考慮到以往類似地質條件（巖體破碎、巖石風化嚴重）的力學試驗參數(shù)，運用反分析的方法，結合北幫巖體強度，分析了研究區(qū)邊坡巖體參數(shù)，安家?guī)X露天北幫研究區(qū)域邊坡巖體參數(shù)見表1。

表1 安家?guī)X露天北幫研究區(qū)域邊坡巖體參數(shù)

2 相似模擬試驗方案

1）方案1：單臺階開采方案。方案1 中的模擬共采集了8 組監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)，對逆斷層破碎帶賦存于邊坡內部的情況進行模擬。安家?guī)X露天煤礦主要采掘3 個煤層，自上而下為4 煤、9 煤、11 煤。在開采過程中，首先開采了泥沙巖互層層組（4 煤以上），再開采4 煤，然后開采了泥砂巖互層層組（4 煤與9 煤之間），接下來模擬開采了9 煤，最后開采11 煤。在開采至4 煤與9 煤之間的過程中，單臺階出現(xiàn)局部變形，可能形成局部片幫現(xiàn)象。這是由于邊坡開挖造成應力釋放，引起其向臨空面的位移、水平方向位移、垂直方向位移上均出現(xiàn)了明顯向臨空面的位移；在開采9 煤上部泥砂巖互層組的過程中，開采過程中邊坡變形較大，變形主要沿破碎帶出現(xiàn)。這是由于邊坡下部約束消失，造成邊坡應力釋放，向邊坡臨空面方向發(fā)生變形。在9 煤、11 煤開采過程中，水平方向、垂直方向的位移出現(xiàn)逐漸增大趨勢，在破碎帶面上出現(xiàn)剪應變集中。當開采完畢后，在破碎帶揭露區(qū)域水平及垂直方向，均出現(xiàn)單臺階明顯位移，未出現(xiàn)多臺階的連續(xù)滑動趨勢面。

2）方案2：提前降盤方案。首先需要說明的是方案2 在過逆斷層區(qū)間存在不合理性。方案2 開采過程中，垂直方向位移出現(xiàn)明顯沿逆斷層破碎帶滑動位移趨勢，并且隨著監(jiān)測時間的推移，位移變化越明顯。所以，將坡面布置在破碎帶上部，沿逆斷層上盤破碎帶面易形成滑動趨勢。

3）方案3：提前轉向并降盤方案。方案3 在過破碎帶區(qū)間時也存在不合理性。用方案3 的設計開采結束后，在幾處平盤的臺階下部出現(xiàn)了鼓起現(xiàn)象和向上的位移。同時，隨著破碎帶暴露時間的延長，鼓起趨勢漸增大，并形成貫通面趨勢，致使邊坡破碎帶沿下盤出現(xiàn)滑動的趨勢。

相似模擬試驗結果來看，方案1 單臺階開采方案為最優(yōu)方案。

3 破碎帶影響下安家?guī)X露天礦邊坡變形破壞規(guī)律

在逆斷層破碎帶處選取2 個剖面作為研究對象。受斷層、陷落柱、斷層破碎帶的影響，巖性松散，破碎帶巖土體物理力學性質軟弱，工程開挖揭露后，邊坡容易產生變形失穩(wěn)?；谧罱K優(yōu)化方案、提前降盤方案、提前轉向并降盤方案3 個方案：分析在不同空間形態(tài)下的受斷層、陷落柱、破碎帶影響的邊坡的力學特性以及在連續(xù)開采過程中的邊坡穩(wěn)定性[6-8]。

3.1 露天礦邊坡靜力學分析

1）靜力平衡方程式。

式中：σij為應力場；Wi為體積力；Ti為作用于表面S 上的邊界力；nj為S 面法線的方向導數(shù)；ui為相應的位移場為表面位移。

2）變形協(xié)調方程式。

式中：εij為應變場。

3）本構關系方程式。

式中：εkl為應變，Cijkl為反映彈性或塑性本構關系的四階張量表達式。

式（7）采用莫爾-庫侖準則得出。

式中：σn、τ 為破壞面上的拉應力和剪應力；c、φ為黏聚力和內摩擦角。

在一般的巖土材料中，提出了不容許出現(xiàn)拉應力的限制條件，即：巖土體內任一點的小主應力不小于0。

反映實際情況的真實解便是能夠滿足上述條件的解。但由于巖土材料結構在破壞時呈現(xiàn)的體脹和軟化、大變形等特性，同時呈現(xiàn)出各向異性和非線性和不連續(xù)性的本構關系，使求解巖土材料穩(wěn)定的問題變得十分困難和復雜。

3.2 破碎帶影響下安家?guī)X露天礦邊坡穩(wěn)定性

3.2.1 力學分析

逆斷層影響區(qū)域的邊坡，邊坡走向由西向東，逆斷層走向東北，其傾角為36°。逆斷層與邊坡空間交錯關系可能存在4 種情況：①逆斷層斷裂帶完全位于邊坡內部；②逆斷層下部位于邊坡內部，上部為逆斷層；③邊坡上部剝離逆斷層斷裂帶，下部暴露于逆斷層；④絕大多數(shù)逆斷層破碎帶均出露于坡面。

選取剖面1 來研究露天礦開采過程對邊坡穩(wěn)定性影響，因其上部揭露破碎帶，破碎帶下部位于坡體內部，已揭露逆斷層上部影響區(qū)域。選取剖面2 邊坡與逆斷層在空間上不同位置時逆斷層破碎帶的力學特征進行研究，由于其位于背斜軸部，煤層埋深較淺。

1）方案1 是單臺階開采方案。逆斷層斷裂帶上部出露部分水平位移較大，垂直應力沒有形成連續(xù)的貫通面。逆斷層下部距坡面較深，剪應力集中在下盤逆斷層斷裂帶接觸面上，易在坡腳形成剪切口。

2）方案2 是提前降盤方案，斷裂帶處形成連續(xù)的貫通面。邊坡暴露了上逆斷層斷裂帶的接觸面，暴露了部分巖性斷裂帶，巖性松散。剪切應力集中在每一個臺階上，容易在臺階下形成剪切開口。

3）方案3 是提前轉向并降盤方案。轉向使邊坡向外延伸，逆斷層破碎帶暴露于邊坡表面上部。

方案1 為最終的優(yōu)化方案。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性隨露天礦開采加深穩(wěn)定系數(shù)變化見表2。

表2 隨露天礦開采加深穩(wěn)定系數(shù)變化

邊坡傾斜斷層破碎帶影響下，在破碎帶上出現(xiàn)剪切變形，其穩(wěn)定性受破碎帶影響，在邊坡沿破碎帶下部形成滑動面。通過邊坡穩(wěn)定性分析，連續(xù)開采過程中邊坡穩(wěn)定性的變化情況。隨著露天礦開采深度加大，含有斷層破碎帶的邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨臺階向下延深逐漸降低。在同一滑動面處，由于前期開采滑動面處于坡底，導致剪應力集中，穩(wěn)定系數(shù)較小，穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)由小逐漸增大再變小的變化趨勢；隨著開采深度的增加，剪應力不斷變化，穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4 結論

1）破碎帶巖土體物理力學性質軟弱，與周圍巖體的物理力學性質顯著不同。由于物理力學性質軟弱，露天礦開挖揭露后，也使邊坡更容易產生變形失穩(wěn)。隨著露天礦開采不斷加深，斷層破碎帶處邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。

2）對受破碎帶影響的邊坡進行巖體力學分析，采用有限元強度折減法，在破碎帶空間位置關系不同時，分析邊坡巖體的力學特性。在同一滑動面上，穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，然后減小。主要原因在于滑動面位于邊坡底部，導致剪應力集中，使得穩(wěn)定系數(shù)較小。

3）單臺階開采方案為最終優(yōu)化方案。連續(xù)開采過程中邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律：隨著開采深度的增加，剪應力不斷變化，穩(wěn)定系數(shù)先增大后減小。