李 偉

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

露天煤礦邊坡穩(wěn)定性是礦山企業(yè)重視的首要安全問(wèn)題。合理準(zhǔn)確地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是露天礦邊坡工程中的重要前提，也是對(duì)邊坡采取治理措施最有價(jià)值的參考依據(jù)。復(fù)合邊坡是露天煤礦中較為常見(jiàn)的一種邊坡形式，其復(fù)合結(jié)構(gòu)是指上部人工堆積排土場(chǎng)和下部礦坑內(nèi)的非工作幫[1-2]。形成這種形式的邊坡主要是為了降低剝離物的運(yùn)輸費(fèi)用，減少采礦的成本，提高企業(yè)效益[3]。但是這種排棄方式也存在著一定的安全隱患，因?yàn)榈V坑邊幫上部剝離物的堆載會(huì)給坑內(nèi)邊幫的穩(wěn)定性帶來(lái)影響，同時(shí)礦坑邊幫的變形破壞也會(huì)造成上部排土場(chǎng)的滑動(dòng)失穩(wěn)，所以研究露天煤礦復(fù)合邊坡穩(wěn)定性及影響因素具有重要意義[4-7]。為此，以新疆某露天礦為例，將開(kāi)采后的采場(chǎng)端幫與外排土場(chǎng)形成的復(fù)合邊坡作為工程背景，采用有限差分軟件FLAC3D從三維角度對(duì)復(fù)合邊坡進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)符合工程實(shí)際的邊坡穩(wěn)定性分析，確定外排土場(chǎng)的合理位置，盡可能的減小外排的運(yùn)輸距離，減小運(yùn)輸成本。

1 復(fù)合邊坡的破壞機(jī)理與特征

露天礦外排土場(chǎng)的位置選擇會(huì)影響復(fù)合邊坡的結(jié)構(gòu)及安全性，當(dāng)外排土場(chǎng)位置過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，邊坡的復(fù)合結(jié)構(gòu)不明顯，雖然安全性得到了保障，但是剝離物的運(yùn)輸費(fèi)用會(huì)隨之增加，而且礦區(qū)的占地面積會(huì)大大增大[8]。當(dāng)外排土場(chǎng)選擇的位置能夠與礦坑邊幫構(gòu)成復(fù)合邊坡時(shí)，排土場(chǎng)產(chǎn)生的壓力直接以靜載荷的形式施加在了露天礦邊幫的頂部，使礦坑邊幫經(jīng)歷了開(kāi)采卸載-堆積加載的應(yīng)力變化過(guò)程。由于在對(duì)邊坡煤層的開(kāi)采和上部巖層的剝離已經(jīng)造成了巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布，當(dāng)再次進(jìn)行堆積加載后，邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力會(huì)增加，出現(xiàn)了再次重新分布[9-10]。這也是此類復(fù)合邊坡極易發(fā)生滑動(dòng)破壞失穩(wěn)的原因。所以通常需要對(duì)礦坑邊幫的承載力進(jìn)行驗(yàn)證分析，防止由于外排土場(chǎng)與邊幫距離過(guò)小，導(dǎo)致邊幫所受靜載超過(guò)了其承載能力，從而發(fā)生的滑坡事故[11-12]。

此類復(fù)合邊坡的失穩(wěn)特征一般都表現(xiàn)為下部邊幫的提前破壞，再帶動(dòng)上部排土場(chǎng)的失穩(wěn)破壞[13]。該特征的形成機(jī)理為下部邊幫在上部荷載的高應(yīng)力狀態(tài)下，巖體內(nèi)會(huì)有裂縫持續(xù)發(fā)育并貫通，當(dāng)作為基底的下部邊幫發(fā)生滑動(dòng)破壞后，就會(huì)牽連上部排土場(chǎng)同時(shí)滑坡，由此構(gòu)成一種復(fù)合破壞模式[14]。

2 復(fù)合邊坡的滑動(dòng)破壞的理論模型

理論模型主體上分為外排土場(chǎng)和端幫這兩部分，此類復(fù)合邊坡的破壞模式往往是外排土場(chǎng)呈現(xiàn)近似于豎直的圓弧滑面，而下部端幫的破壞模式近似于平面滑動(dòng)。復(fù)合邊坡理論模型如圖1。

圖1 復(fù)合邊坡理論模型

外排時(shí)端幫在二維狀態(tài)下的安全系數(shù)FS[15]：

式中：Fs為邊坡的安全系數(shù)；W 為端幫滑體的重力；C 為端幫巖體潛在滑面處的黏聚力；為端幫巖體的內(nèi)摩擦角；H 為端幫滑體的高度；β 為端幫潛在滑面的角度。

在進(jìn)行外排后，外排土場(chǎng)與下部端幫的距離為d，假設(shè)當(dāng)d=0 時(shí)，上部外排土場(chǎng)對(duì)下部端幫潛在滑體產(chǎn)生的壓力為p，則當(dāng)d≠0 時(shí)，壓力p'=p-dhρg，由此可推導(dǎo)出進(jìn)行外排后的安全系數(shù)Fs為：

式中：d 為排土場(chǎng)下部安全距離，m；p 為上部外排土場(chǎng)對(duì)下部端幫潛在滑體產(chǎn)生的壓力；h 為排土場(chǎng)的高度；ρ 為排土場(chǎng)的密度。

由此可知，上部外排土場(chǎng)對(duì)下部端幫產(chǎn)生的壓力p'直接降低了端幫的安全系數(shù)，一直增加到潛在滑動(dòng)面上的黏聚力作用不再明顯時(shí)，則黏聚力可以忽略不計(jì)，此時(shí)邊坡達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，在外界不利因素的干擾下，就極易發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)。從式（2）中不難發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)增加外排土場(chǎng)與端幫的距離d 來(lái)減小壓力值p'，當(dāng)外排土場(chǎng)與端幫的距離d 增加時(shí)，會(huì)大大加強(qiáng)潛在滑動(dòng)面上黏聚力抗滑作用在安全系數(shù)計(jì)算公式中的所占比例。

上述分析為未發(fā)生滑動(dòng)破壞時(shí)，外排土場(chǎng)對(duì)端幫的作用效果。當(dāng)端幫出現(xiàn)滑動(dòng)破壞后，排土場(chǎng)的存在還會(huì)加劇邊坡的破壞程度，因?yàn)榇藭r(shí)的外排土場(chǎng)類似于一種懸臂梁的結(jié)構(gòu)，外排土場(chǎng)內(nèi)豎直的圓弧滑面會(huì)使滑體的下滑力遠(yuǎn)大于滑動(dòng)面上的抗滑力，從而進(jìn)一步降低邊坡的安全性。

3 邊坡模型的數(shù)值計(jì)算

3.1 復(fù)合邊坡地質(zhì)模型

通過(guò)地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某露天礦區(qū)內(nèi)的煤系地層均無(wú)含水地層，基本不存在涌水的問(wèn)題，所以在建立邊坡模型時(shí)不需對(duì)水的影響加以考慮。在建模時(shí)為了減少設(shè)置邊界條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析準(zhǔn)確度的影響，特意擴(kuò)大了模型的范圍，在模型中加入了南端幫兩側(cè)的邊幫，這樣在固定模型x 方向上的兩端邊界時(shí)則不會(huì)對(duì)南端幫復(fù)合邊坡位置產(chǎn)生影響，復(fù)合邊坡地質(zhì)模型如圖2。該圖所顯示的為外排土場(chǎng)最底部臺(tái)階坡底線距離礦坑邊幫頂部坡頂線50 m 的模型（簡(jiǎn)稱距離50 m 的模型）。

圖2 復(fù)合邊坡地質(zhì)模型

該模型內(nèi)除去最上部外排土場(chǎng)分組，煤系地層包括5 種巖性的地層，各個(gè)地層的厚度以及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合邊坡模型參數(shù)

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

50、70、90、110 m 距離的模型位移云圖如圖3。

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)隨著外排土場(chǎng)與南端幫距離的增加。邊坡的變形量和變形范圍在明顯減少，而且滑動(dòng)位置在向模型左側(cè)移動(dòng)，這是因?yàn)榕c外排南端幫相接的左側(cè)邊幫坡度較陡，而西幫的坡度較緩，當(dāng)外排土場(chǎng)的壓力作用顯著時(shí)，邊坡的破壞區(qū)域會(huì)集中在南端幫中部，并表現(xiàn)為復(fù)合破壞模式，隨著外排土場(chǎng)壓力作用的減弱，破壞區(qū)域則會(huì)向坡度大的東幫移動(dòng)。其中距離為50、70 m 的邊坡模型滑移模式為外排土場(chǎng)與礦坑邊幫復(fù)合邊坡的整體破壞，而且破壞范圍較大，當(dāng)距離增加到90 m 時(shí)，外排土場(chǎng)的“壓力推移”作用不再明顯，逐漸演變成南端幫自身的變形破壞。當(dāng)距離增加到110 m 時(shí)，整個(gè)模型內(nèi)的最大變形位置轉(zhuǎn)移到了外排土場(chǎng)下方，該變形是由于外排土場(chǎng)自身壓力造成的，基本不會(huì)對(duì)南端幫穩(wěn)定性造成影響。

圖3 排土場(chǎng)與南端幫不同距離所對(duì)應(yīng)的邊坡位移狀態(tài)

排土場(chǎng)與礦坑邊幫距離對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表2。安全系數(shù)隨著外排土場(chǎng)與礦坑邊幫距離的增加也呈現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，距離從50 m 增加到70 m的過(guò)程中安全系數(shù)提升幅度小，當(dāng)距離增加到90 m時(shí)，安全系數(shù)由1.13 直接提高到了1.25。

表2 排土場(chǎng)與礦坑邊幫距離對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)

為了獲取不同距離下的邊坡模型破壞情況，對(duì)構(gòu)成復(fù)合邊坡的每級(jí)臺(tái)階的坡頂線中間位置設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來(lái)監(jiān)測(cè)邊坡的變形破壞情況，該位置通常為邊坡的最大位移點(diǎn)。由模型可知，復(fù)合邊坡有9 級(jí)臺(tái)階，其中礦坑邊幫6 級(jí)，外部排土場(chǎng)3 級(jí)，共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)最危險(xiǎn)邊坡剖面位置的位移值。距離分別為50、70、90、110 m 的模型所得不同臺(tái)階中部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 不同臺(tái)階中部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各個(gè)距離下的邊坡模型位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，其中外排土場(chǎng)距離礦坑南端幫50 m 的模型整體位移量最大，最大位移值達(dá)到了46 cm。距離為50 m 和70 m 的情況下，外排土場(chǎng)各個(gè)臺(tái)階位移量與礦坑南端幫位移量有著一定的差距，處于一種連續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)，可見(jiàn)此時(shí)邊坡的復(fù)合結(jié)構(gòu)明顯，破壞形式主要為復(fù)合邊坡的整體滑移破壞。距離為90、110 m 的模型相比于50、70 m 的模型，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量處于了1 個(gè)相對(duì)較低的水平，7、8、9 級(jí)臺(tái)階的位移值幾乎完全相等，結(jié)合表2 中安全系數(shù)的變化趨勢(shì)，均表明外排土場(chǎng)邊坡和礦坑邊幫之間距離的增加弱化了邊坡的復(fù)合結(jié)構(gòu)，邊坡的安全性得到了有效提高。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)露天煤礦復(fù)合邊坡的破壞模式以及形成機(jī)理進(jìn)行了分析，明確了復(fù)合邊坡在形成過(guò)程中的應(yīng)力變化過(guò)程。推導(dǎo)出了二維狀態(tài)下外排土場(chǎng)對(duì)端幫邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的安全系數(shù)計(jì)算公式。使用FLAC3D軟件對(duì)某露天煤礦外排土場(chǎng)與礦坑邊幫復(fù)合邊坡進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析。通過(guò)建立外排土場(chǎng)與礦坑邊幫距離分別為50、70、90、110 m 的三維數(shù)值模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)邊坡的安全系數(shù)隨著距離的增加也一直在增加，當(dāng)距離為90 m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)達(dá)到了1.25，此時(shí)邊坡可靠性滿足長(zhǎng)期要求。結(jié)合模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離超過(guò)110 m 時(shí)，邊坡的復(fù)合結(jié)構(gòu)變得不再明顯，而且外排土場(chǎng)對(duì)礦坑邊幫穩(wěn)定性的影響較弱，因此可以認(rèn)為設(shè)置外排土場(chǎng)的安全距離是110 m。