馬明康，繆海賓，馬熹焱，趙 賀，張東旭

（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(shù)國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

露天礦邊坡穩(wěn)定性是一個長期性課題，既要保證露天礦的安全開采，又要保證合理的經(jīng)濟剝采比，在安全生產(chǎn)與利潤最大化之間達到均衡。露天礦的邊坡研究作為一個復雜工程性問題，與其它工程諸如水利水電工程不同，露天礦采場邊坡穩(wěn)定性并不要求永久穩(wěn)定，只要滿足相應的采場服務期限內(nèi)穩(wěn)定。準許煤巖體較小范圍的變形與碎裂，當小范圍的變形與破碎不影響煤礦的安全生產(chǎn)時，也可認定這種形態(tài)下的邊坡是符合要求的，對邊坡的治理不僅要重視，而且要進行具體的分析，最重要的是斷定邊坡變形破壞模式及變形的發(fā)展變化趨勢[1-3]。

1 礦山概況

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層有古生代志留系等，露天礦區(qū)基底由這些地層組成。煤系地層走向約95°，南傾，傾角一般在13°～25°，走向上傾角變化不大。礦區(qū)采場已揭露以石炭系、侏羅系以及第四系等地層為主，主要為粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、火燒蝕變巖及砂土礫石層。泥巖主要有深灰色泥巖、淺磚紅色泥巖、灰色泥巖等，巖性硬度較脆弱，干燥、性脆、遇水后易裂開，呈松散狀，巖性及破碎；砂巖主要灰白色砂巖、土黃色砂巖，接觸膠結(jié)、膠結(jié)物為鈣質(zhì)，巖性膠結(jié)較好，較堅硬，輕擊不易破碎，巖性賦存較好；砂土礫石層呈松散狀，大孔隙，膠結(jié)性較差，透水性極強，主要由礫石約占70%，砂土約占30%，礫石主要由基性巖，石英，燧石，灰?guī)r，砂巖，泥巖等組成，砂土礫石層與下覆地層為角度不整合接觸。露天礦采場邊坡面臨的主要問題是由于巖層賦存條件一般，導致部分臺階出現(xiàn)不同程度的裂縫，對現(xiàn)場的采礦與剝離等工作造成了一定的影響。

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 物理力學參數(shù)及分析方法

對采場DB 剖面建模分析，DB 剖面采場邊坡模型如圖1。

圖1 DB 剖面采場邊坡模型

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)試驗，得到的不同地質(zhì)層位的物理力學指標匯總見表1。

表1 邊坡巖土物理力學指標

極限平衡法是目前應用最為廣泛的分析方法，其原理是假設露天煤礦邊坡存在潛在滑移面，并設定破壞區(qū)域土體為可脫離物體，對滑坡體進行分條塊計算，對滑坡區(qū)域進行受力平衡簡化計算，滑塊體達到靜力平衡時土體所需的阻力與破壞面實際提供的阻力比值，求得邊坡安全系數(shù)，采用Janbu 法對所選剖面進行極限平衡的計算，Janbu 法（1957）又稱普遍條分法，它主要應用于形狀多變的滑動面[2]，因此Janbu 法能夠有效而準確的分析邊坡中存在非圓弧形破壞時的穩(wěn)定性[4-5]，Janbu 法滿足的平衡條件如下：①條塊水平方向力平衡；②條塊垂直方向力平衡；③力矩平衡保持在條塊繞分塊底滑面中點處。Janbu 法不僅可以計算復雜的多地層，還可以綜合考慮地震及地下水的作用。

2.2 計算結(jié)果

DB 剖面Janbu 法計算結(jié)果如圖2。

圖2 DB 剖面Janbu 法計算結(jié)果

由圖2 知，圖中整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)為1.310，剪出口位于煤層底板下方的泥巖處，此時穩(wěn)定系數(shù)大于安全儲備系數(shù)1.3；DB 剖面單臺階穩(wěn)定性系數(shù)為0.921，遠低于DB 剖面邊坡的安全儲備系數(shù)1.3，通過計算印證了單臺階的滑動模式與現(xiàn)場實際相符，單臺階垮落對現(xiàn)場生產(chǎn)造成不利影響，對于+2460 平盤道路的運輸工作也帶來不便，為不影響露天礦采場的正常生產(chǎn)與剝離物的運輸,優(yōu)化露天礦采場邊坡輪廓，需要對DB 邊坡進行削坡處理，保證DB 剖面的穩(wěn)定性，削坡位置在+2460～+2490平盤，采用這種削坡方法既能保證邊坡穩(wěn)定性，又能保證平盤正常的作業(yè)能力。DB 剖面削坡后穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖3。

圖3 DB 剖面削坡后穩(wěn)定性計算結(jié)果

通過削坡后的計算結(jié)果可知，削坡后2 個臺階的整體邊坡角平均減少了20°，單臺階穩(wěn)定性系數(shù)由0.921 提高到1.325，整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)由1.310 提升到1.351，均滿足安全儲備系數(shù)1.3，達到現(xiàn)場實際邊坡穩(wěn)定性要求，對現(xiàn)場的采礦作業(yè)、運輸作業(yè)起到了保證。

由圖2、圖3 可知，削坡前后DB 剖面都存在的單臺階滑坡，滑坡體沿泥巖滑出，而邊坡的整體滑移，滑坡體主要沿著煤層底板的泥巖滑出。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法和模型

有限元方法是一種數(shù)值計算的近似方法，采用有限元研究方法的主要目的在于模擬出削坡前邊坡輪廓的位移云圖、速度矢量圖和塑性應變云圖，為極限平衡理論地分析起到輔助分析的作用，同時，借助數(shù)值模擬最大可能地還原和驗證平盤發(fā)生地質(zhì)災害的具體位置，查看邊坡塑形變形區(qū)是否完全貫穿整個邊坡[6-8]。

由以上分析可確定，在驗證露天礦邊坡的穩(wěn)定與否是必要的，也是科學的，采用有限元分析既能完美貼合實際邊坡的物理力學參數(shù)、直觀對比削坡前后的模型差異，又能精確計算出x、y 方向的位移數(shù)值，確定塑性變形最大值區(qū)域，為露天煤礦邊坡的治理提供方向。

模型的建立主要涉及物理力學參數(shù)和網(wǎng)格的劃分，物理力學參數(shù)見表1，巖體體積膨脹的大小用膨脹角來表示，在此處，默認DB 剖面的巖土為壓實顆粒，輸入膨脹角為0，同時，為了精確模擬DB 剖面的實際情況，將坡面處網(wǎng)格進行2 倍密度劃分，邊坡下方單元網(wǎng)格密度設置為8，劃分時統(tǒng)一采用四邊形網(wǎng)格進行劃分，提高數(shù)值模擬計算的精度，對左右兩側(cè)進行x 方向的約束，對下側(cè)進行xy 方向的約束，對邊坡整體施加重力約束，重力加速度這里取值為9.8 m/s2。

3.2 計算結(jié)果

DB 剖面削坡前的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。

圖4 DB 剖面削坡前數(shù)值模擬計算結(jié)果

從模擬結(jié)果可知，水平最大位移發(fā)生在+2460-+2490 平盤之間，最大塑性應變發(fā)生在+2460-+2475平盤之間，塑性應變未貫穿到坡頂，邊坡此時未遭到破壞，但邊坡前緣部分應力集中；邊坡的速度矢量最大位置位于邊坡中間標高+2445 m 和+2490 m 全段，即速度矢量最大位置已經(jīng)遠離原滑帶位置處，DB 剖面后緣下部位移矢量速率比較小，是由于原潛在滑面在上覆荷載下發(fā)生滑動，牽引著DB 剖面發(fā)生單臺階楔體滑動變形，反應了坡體滑動的趨勢[9-10]。

數(shù)值模擬最終的結(jié)果云圖，與削坡前的極限平衡分析基本對應，邊坡潛在的滑坡模式為單臺階滑坡與整體滑坡，同時塑形變形區(qū)未貫穿整個邊坡，此時邊坡雖有裂縫等不良地質(zhì)特征，卻未遭到整體破壞，及時進行削坡處理，對露天礦的安全生產(chǎn)、邊坡穩(wěn)定具有正向作用。

4 結(jié)論

1）削坡前，DB 剖面的+2465 等平盤均出現(xiàn)不同程度的地裂縫，甚至片幫現(xiàn)象，這些不良地質(zhì)因素對露天礦采場的采煤工作有較大影響，長期以往，可能會對露天礦邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響，通過對比削坡前后的邊坡角，削坡后2 個臺階的整體邊坡角平均減少了20°，單臺階穩(wěn)定性系數(shù)由0.921 提高到1.325，整體滑移面的穩(wěn)定系數(shù)由1.310 提升到1.351，均大于安全儲備系數(shù)1.3，達到了安全儲備系數(shù)的要求。

2）通過數(shù)值模擬軟件對結(jié)果進行分析可知，塑性應變未貫穿到坡頂，邊坡未遭到破壞，但邊坡前緣部分應力集中；邊坡的速度矢量最大位置位于邊坡中間標高+2 445 m 和+2 490 m 全段，即速度矢量最大位置已經(jīng)遠離原滑帶位置處，DB 剖面后緣下部位移矢量速率比較小，是由于原潛在滑面在上覆荷載下發(fā)生滑動。

3）通過削坡前后穩(wěn)定系數(shù)對比分析，結(jié)合數(shù)值模擬理論，得到削坡后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足黑山露天礦的生產(chǎn)作業(yè)、運輸作業(yè)，能夠正常保證采煤進行。