王術(shù)峰，楊志勇，胡桂林

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆昌吉 831100）

煤炭的形成過程中會伴隨著一系列地質(zhì)構(gòu)造，這使得在煤層附近經(jīng)常出現(xiàn)不同級別和類型的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、斷層、裂隙、軟弱夾層等[1-2]，所以在露天礦端幫兩側(cè)邊坡內(nèi)的煤層周圍會存在許多復(fù)雜的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面[3]。結(jié)構(gòu)面是影響邊坡穩(wěn)定性的一個重要的內(nèi)部因素[4]，但為了節(jié)約資源并提高經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)露天礦端幫壓煤較多時，礦區(qū)經(jīng)常會對含有結(jié)構(gòu)面的端幫邊坡陡幫開采來回收煤炭資源[5]。而近年來，含斷層的露天礦邊坡在采動過程中的穩(wěn)定性問題日益突出，斷層地質(zhì)構(gòu)造造成滑坡對人們的生產(chǎn)、生活帶來巨大損失[6]，因此，在陡幫開采回收端幫壓煤過程中研究結(jié)構(gòu)面對邊坡的影響具有重要意義。

現(xiàn)有研究中，許多學(xué)者對賦存構(gòu)造結(jié)構(gòu)面邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。曹蘭柱等[7]為研究露天礦含斷層復(fù)合邊坡穩(wěn)定性，采用剛體極限平衡法與數(shù)值模擬的方法，分析得出構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的存在會使邊坡穩(wěn)定性明顯下降，而邊坡面空間位置的不同對邊坡穩(wěn)定性的影響不明顯；蔣軍等[8]為研究露天礦含斷層邊坡敏感性，采用結(jié)合正交試驗和數(shù)值模擬的方法，分析得出構(gòu)造結(jié)構(gòu)面傾角在邊坡穩(wěn)定性影響中占主導(dǎo)因素；梅開品等[9]采用數(shù)值模擬分析對露天礦含斷層巖質(zhì)邊坡變形破機(jī)理進(jìn)行研究，分析得出斷層對邊坡穩(wěn)定穩(wěn)定性起到直接控制作用，且斷層的位置將會控制整個邊坡的滑移面以及滑移區(qū)域?；诖?，通過對含有不同結(jié)構(gòu)面邊坡穩(wěn)定性的研究，得出了露天礦陡幫內(nèi)排全過程的穩(wěn)定特性與潛在滑動面演化特征，為含有結(jié)構(gòu)面邊坡選擇安全合理的陡幫開采方案提供理論依據(jù)。

1 露天礦靠幫開采技術(shù)

露天礦進(jìn)行開采過程中，端幫壓煤量巨大，而內(nèi)排土場在采場中形成組合梁結(jié)構(gòu)，對端幫邊坡起到良好的支撐效果[10]，端幫邊坡由長期暴露轉(zhuǎn)變?yōu)槎唐诒┞逗笱诼?，采用基于時效邊坡理論的陡幫開采技術(shù)可回收巨厚煤層下壓大量煤炭資源[11]。露天礦陡幫開采及內(nèi)排土場分布如圖1。

圖1 露天礦陡幫開采及內(nèi)排土場分布Fig.1 Mining and distribution of inner dump

傳統(tǒng)露天礦邊坡設(shè)計時，將兩側(cè)端幫視為永久性邊坡，穩(wěn)定系數(shù)要求較高，一般兩側(cè)端幫也布設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的運(yùn)輸平盤，為了保證開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行與端幫邊坡的穩(wěn)定，必須犧牲相當(dāng)數(shù)量的端幫下壓的煤炭資源，尤其是巨厚煤層的露天礦山，下壓煤炭資源浪費(fèi)尤為嚴(yán)重。針對這一不合理的露天礦山設(shè)計方法，基于時效邊坡理論的陡幫開采技術(shù)已經(jīng)在越來越多的礦山得到應(yīng)用。如圖1，在保證兩側(cè)端幫在其服務(wù)周期內(nèi)穩(wěn)定的前提下，保持煤臺階頂點B 固定不變，坡腳由D 點推進(jìn)至C 點，可實現(xiàn)BCD 區(qū)域煤炭資源的回收，然后內(nèi)排土場進(jìn)行壓幫內(nèi)排，保證了陡幫臺階及整體端幫邊坡穩(wěn)定性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可實現(xiàn)端幫下壓煤炭資源的高效安全回收。

2 數(shù)值計算軟件及巖土體物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計算采用GEO-Slope 軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算。靠幫開采及內(nèi)排回填過程采用FLAC3D軟件對邊坡進(jìn)行建模分析，F(xiàn)LAC3D是一種利用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)來數(shù)值模擬分析的三維有限差分軟件，F(xiàn)LAC 進(jìn)行數(shù)值模擬時，采用有限差分法進(jìn)行分析，在計算過程中，其準(zhǔn)確性及計算速度與模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的疏密程度有直接聯(lián)系。網(wǎng)格劃分的足夠精細(xì)，得到的最危險滑動面將無限接近與實際滑動面。

分析的邊坡巖體共分4 種巖性，從上至下分別為上覆巖層、煤層、基底以及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，各地層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass of each stratum

3 不同結(jié)構(gòu)面參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

為了探究不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度對于邊坡穩(wěn)定性的影響情況，對含有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面邊坡模型進(jìn)行數(shù)值計算分析，建立不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度的邊坡模型，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在邊坡模型內(nèi)部傾角固定為30°，距邊坡角固定為50 m，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的長度從0 m 到400 m，50 m 為1 個間隔。不同結(jié)構(gòu)面長度下端幫邊坡穩(wěn)定性如圖2，不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度下邊坡穩(wěn)定性變化如圖3。

圖2 不同結(jié)構(gòu)面長度下端幫邊坡穩(wěn)定性Fig.2 Stability of side slope at the lower length of different structural faces

圖3 不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度下邊坡穩(wěn)定性變化Fig.3 Change of slope stability under the length of different structural surfaces

可以看出，在不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度下，邊坡最危險滑面位置及其形態(tài)各異，由此可見，邊坡在發(fā)生失穩(wěn)破壞瞬間的滑面形態(tài)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面相關(guān)，在無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的邊坡坡體上部區(qū)域，邊坡滑面呈現(xiàn)典型圓弧滑動面形式，在含構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的邊坡下部坡體區(qū)域，邊坡坡體呈現(xiàn)出明顯的沿構(gòu)造結(jié)構(gòu)面滑動趨勢。隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度的增大，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。在無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)較高為1.439，當(dāng)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度為50 m 時，物理力學(xué)性質(zhì)較弱的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面完全位于邊坡下部基巖段，與邊坡潛在滑面相交，所以其穩(wěn)定系數(shù)與無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面情況下相同都為1.439，隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度的進(jìn)一步加大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)下降，當(dāng)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度為150 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)有了大幅下降，當(dāng)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度大于200 m 時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)已低于1.1，不能滿足礦山臨時邊坡的穩(wěn)定系數(shù)要求，隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度的進(jìn)一步加大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)低于1.0，在這種臺階布設(shè)方案下，邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 結(jié)構(gòu)面距坡腳位置對邊坡穩(wěn)定性的影響

為探究構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距離坡腳的不同距離情況下，邊坡穩(wěn)定特性及發(fā)生臨界失穩(wěn)時其內(nèi)部滑移面變化情況，通過建立不同邊坡數(shù)值計算模型，計算其穩(wěn)定性及變形特征，采用GEO-Slope 軟件建立數(shù)值計算模型，設(shè)置50、100、150、200、250 m 共5 種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距離坡腳距離情況下數(shù)值模型計算其穩(wěn)定性。不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離邊坡穩(wěn)定性計算如圖4，不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離下邊坡穩(wěn)定性變化如圖5。

圖4 不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離邊坡穩(wěn)定性計算Fig.4 Stability calculations of slope distance from slope foot of different structural structures

圖5 不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離下邊坡穩(wěn)定性變化Fig.5 Stability change of slope distance from slope foot of different structural structures

構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離不同時，邊坡滑體范圍與穩(wěn)定情況均有所不同，隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面位置的內(nèi)移，軟件自動搜索的最易滑體的范圍與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面相交，分布范圍也隨之變大。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在距離坡腳50 m 時邊坡穩(wěn)定系數(shù)低于1.10，不能滿足礦山對于臨時邊坡穩(wěn)定性的要求，隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面賦存位置距邊坡臨空面的距離不斷變大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，在距離超過200 m 時穩(wěn)定系數(shù)增加幅度最大，穩(wěn)定系數(shù)接近無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面情況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，說明構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離大于200 m 時對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

4 結(jié)構(gòu)面對靠幫開采及內(nèi)排回填穩(wěn)定性的影響

4.1 含結(jié)構(gòu)面端幫靠幫開采數(shù)值計算模型

含構(gòu)造結(jié)構(gòu)面邊坡計算模型如圖6。

圖6 含結(jié)構(gòu)面邊坡計算模型Fig.6 Calculation model of structural surface slope

邊坡模型長720 m、高240 m，模型參考某巨厚煤層露天礦山實際參數(shù)，整體邊坡角度為30°，巖臺階高度15 m，煤臺階高度為10 m，坡面角為60°，共布設(shè)保安平盤5 個，運(yùn)輸平盤3 個，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面厚度5 m。為了回收端幫下壓煤炭資源，本次陡幫開采工程采用上部境界不動方案，即端幫邊坡中煤層上覆巖層剝離臺階不再變動，縮減下部煤臺階寬度。在進(jìn)行陡幫開采后，此端幫邊坡下部煤臺階取消運(yùn)輸平盤，原有6 個煤臺階含有4 個保安平盤和2 個30 m 運(yùn)輸平盤，進(jìn)行陡幫開采后，煤臺階進(jìn)行并段處理，煤臺階高度由陡幫前10 m 變?yōu)?0 m，煤臺階區(qū)域僅設(shè)置1 個5 m 的保安平盤。在陡幫開采結(jié)束后，邊坡穩(wěn)定性較礦山其它區(qū)域的長期邊坡而言，穩(wěn)定性有所下降，需及時對此端幫臨時性邊坡進(jìn)行內(nèi)排回填，以增加其穩(wěn)定性，排土臺階高度30 m、寬30 m，內(nèi)排臺階坡面角度為33°，排土臺階共分2層，下部排土臺階進(jìn)行4 次排土過程共120 m，上部排土臺階進(jìn)行3 次排土過程共90 m。

4.2 結(jié)構(gòu)面對端幫靠幫開采期間穩(wěn)定性的影響

構(gòu)造結(jié)構(gòu)面位于端幫體內(nèi)部，其物理力學(xué)性質(zhì)較弱，易使邊坡內(nèi)部裂隙擴(kuò)展逐漸貫通，形成邊坡的變形甚至失穩(wěn)。在邊坡巖體內(nèi)部，不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面賦存位置情況下，邊坡在破壞模式和滑坡機(jī)理都會有所不同，邊坡滑體范圍及形態(tài)也隨著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在邊坡內(nèi)部賦存不同有所差異。為此，探究構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在露天礦邊坡巖體內(nèi)部的不同賦存條件下，如構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在邊坡巖體中，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度及距離坡角距離對邊坡穩(wěn)定性及陡幫開采及內(nèi)排回填過程的邊坡內(nèi)部變形破壞演化規(guī)律，不同結(jié)構(gòu)面賦存下端幫靠幫開采模型如圖7。基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面厚度5 m，長度200 m，距離靠幫開采結(jié)束后坡腳50 m，長結(jié)構(gòu)面長度為300 m，距坡腳遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)面模型，結(jié)構(gòu)面距離距離靠幫開采結(jié)束后坡腳200 m。

圖7 不同結(jié)構(gòu)面賦存下端幫靠幫開采模型Fig.7 Lower side slope mining models for different structural surfaces

在長結(jié)構(gòu)面情況下，進(jìn)行陡幫開采前，邊坡內(nèi)部最大剪切應(yīng)變增量分布大致呈圓弧狀分布于邊坡內(nèi)部，并未與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)相交或重疊，隨著陡幫開采的進(jìn)行，最大剪切剪切應(yīng)變增量分布范圍向邊坡臨空面處移動，在第4 次陡幫煤臺階被開采結(jié)束時，邊坡巖體內(nèi)部最大剪切應(yīng)變增量分布出現(xiàn)了較大變化，分布范圍以左側(cè)大面積圓弧狀為主，在與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面相交處也出現(xiàn)了最大剪切應(yīng)變增量的分布，隨著陡幫開采的進(jìn)一步進(jìn)行，煤臺階持續(xù)并段，最大剪切應(yīng)變增量分布逐漸向邊坡臨空面處移動，與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面重疊區(qū)域越來越大，表現(xiàn)為典型的剪切圓弧-弱層滑坡模式，到陡幫開采結(jié)束時，最大剪切應(yīng)變增量基本沿構(gòu)造結(jié)構(gòu)面分布，表現(xiàn)出沿弱層滑動模式，說明本次數(shù)值模擬設(shè)置的300 m 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在邊坡陡幫開采前期并未起確定性因素，但在陡幫開采過程中，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為邊坡失穩(wěn)變形的主導(dǎo)因素。隨著陡幫開采結(jié)束內(nèi)排壓幫的進(jìn)行，最大剪切應(yīng)變增量分布范圍離開構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，分布于邊坡內(nèi)部呈圓弧狀滑坡，當(dāng)內(nèi)排臺階次數(shù)進(jìn)一步增加，最大剪切應(yīng)變增量分布于內(nèi)排臺階，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞時，首先為內(nèi)排土場發(fā)生破壞。

在距離邊坡臨空面較遠(yuǎn)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面賦存條件下，邊坡在臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的最大剪切應(yīng)變增量分布規(guī)律有了較大變化，較無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和距離坡腳較近的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面賦存下，無論在陡幫開采的哪一階段，邊坡巖體內(nèi)部的最大剪切應(yīng)變增量分布范圍都更靠近遠(yuǎn)離邊坡臨空面?zhèn)?，基本與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面重疊，為圓弧狀滑坡模式。在陡幫開采結(jié)束后進(jìn)行內(nèi)排回填過程中，在第3 次內(nèi)排結(jié)束后，內(nèi)排土場平盤寬度達(dá)到90 m 后，邊坡內(nèi)部最大剪切應(yīng)變增量由端幫內(nèi)部分布轉(zhuǎn)為排土場，隨著內(nèi)排的持續(xù)進(jìn)行及第2 層內(nèi)排臺階的排棄，最大剪切應(yīng)變完全分布于排土場，在上下2 層排土場間距為30 m 時，在臨界失穩(wěn)狀態(tài)時，內(nèi)排土場出現(xiàn)了最大剪切應(yīng)變增量的貫通。

不同長度構(gòu)造結(jié)構(gòu)面下陡幫開采過程邊坡穩(wěn)定性變化如圖8，不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離下陡幫開采過程邊坡穩(wěn)定性變化如圖9。

圖8 不同長度構(gòu)造結(jié)構(gòu)面下陡幫開采過程邊坡穩(wěn)定性變化Fig.8 Slope stability changes of steep mining process under different length structural surfaces

圖9 不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離下陡幫開采過程邊坡穩(wěn)定性變化Fig.9 Slope stability changes of steep mining process of different structural surfaces from slope foot

露天礦端幫內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度不同，邊坡在臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情況及滑坡模式會有所不同，穩(wěn)定性系數(shù)也會有所變化。圖8 為不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度下陡幫開采過程邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分為無構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度為200 m 的基準(zhǔn)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和長度為300 m 的長構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，距邊坡臨空面距離及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面傾角均一致。由圖8 可知，從整體來看，無論是陡幫開采及內(nèi)排回填的哪一階段，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面長度越長邊坡穩(wěn)定性越差。在陡幫開采階段不同長度構(gòu)造結(jié)構(gòu)面條件下，穩(wěn)定性變化規(guī)律大致相同，隨著陡幫開采的進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，隨著內(nèi)排回填的進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)都出現(xiàn)增大的變化，隨著內(nèi)排次數(shù)的增加穩(wěn)定系數(shù)增加速率變小。長度不同的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在內(nèi)排回填進(jìn)行到第4次后直至結(jié)束，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本一致，由最大剪切應(yīng)變增量分布規(guī)律可知，在內(nèi)排的持續(xù)進(jìn)行過程中，端幫邊坡由于受到壓幫作用穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)上升，邊坡臨界失穩(wěn)時的最易滑面也未出現(xiàn)在端幫邊坡內(nèi)部，而出現(xiàn)在內(nèi)排土場臺階。

由圖9 可知，隨著陡幫開采的進(jìn)行，煤臺階進(jìn)行并段，不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距坡腳距離下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均逐漸減小。內(nèi)排壓幫過程中，內(nèi)排物料起到了減小坡腳附近剪應(yīng)力、增大水平應(yīng)力的方式來控制坡體內(nèi)剪切應(yīng)變增量的發(fā)展及位移的增大，從而發(fā)揮內(nèi)排物料的壓腳作用，在構(gòu)造結(jié)構(gòu)面距離邊坡臨空面距離不同時，內(nèi)排臺階仍然發(fā)揮了較好的壓幫作用，隨著內(nèi)排次數(shù)的增加，邊坡穩(wěn)定性也隨著提高。

5 結(jié) 語

1）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面不僅會使邊坡穩(wěn)定性降低，還會使邊坡在臨界失穩(wěn)時潛在破壞模式發(fā)生變化，由原來的的圓弧滑動面發(fā)展為剪切圓弧-弱層滑動，并且構(gòu)造結(jié)構(gòu)面越長，距離坡腳越近，對邊坡穩(wěn)定性和破壞模式影響越大，越小越遠(yuǎn)影響越小甚至不影響。

2）陡幫過程中由于開采擾動且失去部分支撐實體的支撐作用使邊坡穩(wěn)定性不斷降低，而含有不同構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的邊坡陡幫和內(nèi)排回填過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢相似。

3）由于內(nèi)排回填過程物料對端幫的壓煤作用，無論邊坡含有何種結(jié)構(gòu)面，端幫邊坡穩(wěn)定性均提高，最大剪應(yīng)變增量逐漸由端幫向內(nèi)排土場臺階轉(zhuǎn)移。