馬婧佳，王 勇，黃浩軒，王 珍

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015；2.黃河科技學院建筑工程學院，河南鄭州 450063）

煤炭資源作為基礎能源和工業(yè)原材料，在國民經(jīng)濟體系中占據(jù)重要地位[1]。我國露天煤礦產能占據(jù)煤炭總產能的15%左右，且該比例呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢[2]。伴隨露天煤礦產能、數(shù)量的快速增長，邊坡穩(wěn)定性問題日益嚴峻[3]。

為保障生產安全與經(jīng)濟效益，露天煤礦端幫往往設計一個合理的幫坡角。然而，隨著采剝工程的逐步發(fā)展，露天煤礦端幫可能存在巨大滑坡隱患。尤其對于軟巖露天煤礦，其端幫穩(wěn)定性問題已成為制約露天煤礦發(fā)展的重要課題。針對該問題，廣大學者從不同角度進行深入研究，并取得了豐碩的科研成果。呂金星等[4]從力學理論角度分析了端幫邊坡時效特性及內排壓幫原理，提出了合理的露天煤礦端幫治理措施；張峰瑋[5]分析了露井聯(lián)采下端幫穩(wěn)定性影響因素，并應用二維極限平衡理論提出露井聯(lián)采區(qū)域端幫穩(wěn)定性計算方法；周偉等[6]采用FLAC3D軟件對端幫邊坡進行三維模擬，闡明了靠幫開采中內排壓幫對不平衡應力的收斂效應；陳爽等[7]應用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了端幫邊坡裂隙分布規(guī)律，并結合邊坡位移數(shù)據(jù)提出合理的端幫監(jiān)測手段及滑坡防治措施；韓流等[8]分析了露天煤礦開采中采、運、排等工序在空間和時間維度上對端幫邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出合理的煤礦開采方案。雖然諸多學者對露天煤礦端幫穩(wěn)定性進行了深入研究，但由于露天煤礦發(fā)展形態(tài)復雜，對于內排壓幫下端幫邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律尚無統(tǒng)一定論，尤其對于軟巖露天煤礦，其端幫穩(wěn)定性問題尚未得到有效解決，而大量端幫滑坡事故均發(fā)生于軟巖露天煤礦開采過程中。

綜上所述，軟巖露天煤礦端幫穩(wěn)定性問題對煤礦安全生產帶來嚴重威脅，而在現(xiàn)階段邊坡穩(wěn)定性分析領域尚未形成統(tǒng)一認識。為此，選取寶日希勒露天煤礦南幫（端幫）軟巖邊坡作為工程背景，綜合運用地質勘察，室內試驗，理論分析，數(shù)值模擬等方法，對南幫邊坡穩(wěn)定性進行深入研究，闡明內排壓幫對邊坡穩(wěn)定性的增強效應，并給出合理的邊坡優(yōu)化措施，為礦山安全生產提供理論保障。

1 工程地質概況

寶日希勒露天煤礦南幫（端幫）邊坡地層自上而下依次由新生界第四系、中生界白堊系以及古生界泥盆系構成。其中，新生界第四系全區(qū)發(fā)育，由湖積、沖積、洪積的表土構成，巖性為粉質黏土。中生界白堊系按巖性組合主要分為4 個巖段：砂、礫巖段以灰色、暗灰色及灰綠色的礫巖以及砂巖為主，中間夾雜薄層泥礫巖和泥巖；砂、泥巖段以灰白色、灰色、深灰色的泥巖以及粉、細砂巖為主，中間夾雜薄層粗砂巖；泥巖段以灰白色、灰色的泥巖以及粉砂巖為主，中間夾雜薄層細砂巖和少量煤層；含煤段巖性以砂巖以及泥巖為主，中間夾雜6 個煤層群，共含有14 組煤層。古生界泥盆系零星出現(xiàn)，其巖性以片理化安山玢巖、綠簾石、安山玄武玢巖和酸性熔巖為主。地質補勘發(fā)現(xiàn)南幫邊坡1 煤煤層中部夾有軟弱夾層，弱層頂?shù)装鍨槊簩樱a狀與煤層一致，隨煤層變化而變化，為層間結構面。由于弱層在地下水的侵蝕下，易發(fā)生軟化、泥化等現(xiàn)象，導致強度急劇降低，對南幫邊坡穩(wěn)定極為不利。露天開采過程中，隨著礦山南幫邊坡的逐步降深，坡頂處地表產生局部隆起和裂痕，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知南幫邊坡變形破壞嚴重，邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴重影響露天煤礦安全生產。

2 邊坡穩(wěn)定性定量分析

2.1 典型地質剖面選取

為科學、合理地評價南幫邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)地質概況分析，選取南幫邊坡N1 剖面作為典型地質剖面。南幫邊坡N1 剖面地質斷面圖如圖1。

圖1 N1 剖面地質斷面圖Fig.1 N1 geological section

巖體的強度參數(shù)將直接影響邊坡穩(wěn)定性分析結果。因此，科學、可靠地確定巖體強度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析以及數(shù)值模擬計算的關鍵性因素。由地質資料和力學試驗得到南幫巖體力學參數(shù)，南幫邊坡穩(wěn)定性分析中選取的巖體強度參數(shù)指標見表1。

表1 巖體強度參數(shù)指標Table 1 Parameters of rock mass strength

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

極限平衡法從靜力平衡以及力矩平衡的角度進行邊坡穩(wěn)定性分析，計算過程簡單，計算結果準確，是現(xiàn)階段邊坡穩(wěn)定性分析中應用最為廣泛的一種方法[9-10]。采用極限平衡法中的簡化Bishop 法對南幫邊坡典型地質剖面進行穩(wěn)定性分析。N1 剖面邊坡高度為101 m，整體邊坡坡面角為24°，計算可得N1 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.03，N1 剖面穩(wěn)定性分析結果如圖2。

圖2 N1 剖面穩(wěn)定性分析結果Fig.2 Calculation results of N1 slope stability

根據(jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)選取規(guī)范，并結合南幫邊坡重要程度、存在時間以及弱層賦存形態(tài)等因素，確定南幫邊坡安全儲備系數(shù)為1.2。顯然，南幫邊坡處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，存在巨大的滑坡隱患。由于寶日希勒露天煤礦西幫為內排土場，故在開采過程中，建議選取橫采內排的開采方法提高南幫邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)排土設備的規(guī)格要求，排土臺階高度為15 m，排土臺階坡面角為33°，排土平盤寬度為50 m，自下而上共布置4 個排土臺階，同時為保證內排土場具有一定空間儲備，將排土臺階工作線長度進行適當延長，內排土場布設簡圖如圖3。

圖3 內排壓幫布設簡圖Fig.3 Schematic diagram of the pressure slope via inner dumping

圖3 中，b 為礦山南幫排土臺階的工作線長度，顯然，b 的取值將直接決定南幫邊坡坡腳的位置，進而對邊坡穩(wěn)定性分析結果造成顯著影響。

為探究排土臺階工作線長度的合理值，采用簡化Bishop 法分析排土臺階工作線長度取得不同值時所對應的邊坡穩(wěn)定性，排土臺階工作線長度與所對應的邊坡穩(wěn)定性之間的關系如圖4。

圖4 排土臺階工作線長度與所對應的邊坡穩(wěn)定性之間的關系Fig.4 Relationship between the length of working line of waste bench and the corresponding slope stability

由圖4 分析結果可知，內排壓幫可顯著提升南幫邊坡穩(wěn)定性，當內排土場工作線長度達到140 m時，南幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)提升至1.20，可滿足邊坡安全儲備要求，因此建議南幫邊坡排土工作線長度布設應不小于140 m。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

邊坡的破壞屬于空間力學問題，二維分析方法雖然能有效解決邊坡穩(wěn)定性問題，但對于邊坡空間形態(tài)分析勢必存在一定缺陷，而露天煤礦采礦方法的選擇受邊坡空間形態(tài)影響顯著。南幫邊坡采用橫采內排的開采方法，其中，內排追蹤距離是橫采內排條件下控制邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析內排追蹤距離對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，并提出合理的露天開采方法。

FLAC3D數(shù)值模擬軟件是巖土工程領域應用最為廣泛的一款分析軟件。該軟件通過建立多面體網(wǎng)格擬合實際的結構和構造，對于線性材料以及非線性材料的結構受力特性及塑性流動規(guī)律具有良好的模擬效果，同時軟件內嵌的顯式Lagrange 算法和離散分區(qū)技術可對建立的非線性偏微分方程進行分析求解。軟件具備運算速率高，占用內存空間小等顯著優(yōu)勢，可有效解決大范圍三維空間問題[11]。

為分析內排追蹤距離對南幫邊坡穩(wěn)定性的影響，建立南幫邊坡三維地質模型，并通過FLAC3D數(shù)值模擬分析排土工作線長度140 m 前提下，追蹤距離為15、25、35、45、55 m 時所對應的邊坡穩(wěn)定性。南幫邊坡三維地質模型如圖5。

圖5 南幫邊坡三維地質模型Fig.5 Three-dimensional geological model of south slope

圖5 中，H 為三維地質模型高度，H=180 m，D為三維地質模型長度，D=500 m，L 為底溝的寬度，在靠幫回采方案中，這一寬度一般稱為采場和內排土場之間的追蹤距離。追蹤距離為15、25、35、45、55 m 時對應的位移云圖如圖6。

圖6 邊坡位移云圖Fig.6 Cloud diagrams of slope displacement

由圖6 可知，南幫邊坡最大位移發(fā)生于坡面與弱層相交的位置處，其原因是由于弱層力學性質薄弱，南幫邊坡的潛在滑坡模式為以弱層為底界面的切層-順層滑動，在滑面最前端出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致坡面與弱層相交位置產生最大位移。同時，在排土工作線長度140 m 前提下，追蹤距離15、25、35、45、55 m 對應最大位移分別為1.05、1.14、1.36、3.04、3.16 m。顯然，隨著追蹤距離增加，1 煤中部賦存弱層逐步暴露，致使采場及內排土場對端幫的支擋效應逐漸減弱，尤其在追蹤距離達到45 m 時，最大位移顯著增長，此時認為采場及內排土場對端幫的支擋效應已喪失。追蹤距離與邊坡穩(wěn)定性關系如圖7。

圖7 追蹤距離對穩(wěn)定性影響Fig.7 Impact of tracking distance on stability

由圖7 分析可得，在追蹤距離不超過35 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于1.20，可滿足南幫邊坡安全儲備要求，此時采場及內排土場對端幫支擋效應顯現(xiàn)明顯。而當追蹤距離達到45 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇降低，此時穩(wěn)定系數(shù)與無支擋效應時邊坡穩(wěn)定系數(shù)極為接近，可認為采場及內排土場對端幫的支擋效應近似喪失。因此，建議南幫邊坡內排追蹤距離不超過35 m。

4 結 語

1）南幫N1 剖面邊坡高度101 m，整體邊坡坡面角24°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.03，未滿足邊坡安全儲備要求，存在巨大滑坡隱患。

2）采用橫采內排的開采方法可顯著提升南幫邊坡穩(wěn)定性，當排土工作線長度達到140 m 時，可滿足邊坡安全儲備要求，因此建議南幫邊坡排土場工作線長度布設不小于140 m。

3）數(shù)值模擬結果表明，當追蹤距離不超過35 m時，采場及內排土場對端幫的支擋效應顯現(xiàn)明顯，邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足安全儲備要求，而當追蹤距離達到45 m 時，采場及內排土場的支擋效應近似喪失，因此建議南幫邊坡內排追蹤距離不超過35 m。