馬明康，呂擁軍，郭 旭，武 敏，任宇航

（1.中煤科工集團(tuán)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；3.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)貓兒溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)對礦產(chǎn)資源需求的快速增長，礦山企業(yè)不斷加大采礦力度，導(dǎo)致我國出現(xiàn)了大量的露天礦邊坡。繆海賓等[1]研究了礦-城型露天礦常見的地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、地裂縫等，對城市以及露天礦的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生不利的影響；軟弱夾層發(fā)育和水對巖土的作用為影響環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的主導(dǎo)因素；肖海平[2]采用定性篩選和定量篩選相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)的挖掘，克服了以往邊坡穩(wěn)定性評價模型中影響因素指標(biāo)權(quán)重固定不變的不足，在建立的動態(tài)變權(quán)重模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于未確知測度的邊坡危險性動態(tài)評價模型；董文文等[3]介紹傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測技術(shù)及其不足的基礎(chǔ)上，闡述了近10 余年間國內(nèi)外邊坡變形監(jiān)測技術(shù)的最新發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點分析和對比了分布式光纖傳感等新型監(jiān)測技術(shù)的特點。

貓兒溝露天礦北外排土場界地形復(fù)雜，地表沖溝發(fā)育，溝谷較多，溝谷坡度為45°～70°之間，井工礦13103 工作面，推進(jìn)長度167 m，工作面長度240 m，開采煤層為13＃煤，平均厚度為16 m；1817 工作面，推進(jìn)長度108 m，工作面長度246 m，開采煤層為8＃，厚度3.6～3.8 m，正在回采。排土場基底為粉土、粉質(zhì)黏土。北外排土場毗鄰黃河（距離約320 m），下部為公路（距離約250 m）及鐵路（距離約220 m），若排土場發(fā)生滑坡危險，將造成不可預(yù)估的損失。為此，基于北外排土場邊坡的井上井下對照圖，建立工程地質(zhì)簡化模型，分析貓兒溝露天礦外排土場邊坡受井下采空區(qū)影響[4-8]。

1 邊坡工程地質(zhì)模型及物理力學(xué)參數(shù)

1）露天礦邊坡工程地質(zhì)模型。工程地質(zhì)模型是人們對觀測的理解的細(xì)化和可視化。巖體工程地質(zhì)力學(xué)是主要的研究基礎(chǔ)，其核心觀點是巖體（也包括土體）有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)基本上控制著巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體的變形破壞和巖體的穩(wěn)定性，在構(gòu)造中，構(gòu)造面起主導(dǎo)作用，弱巖層（軟巖）起初始變形和破壞作用。結(jié)構(gòu)面種類繁多，產(chǎn)狀復(fù)雜，不僅有不同強(qiáng)度點，還是隨機(jī)分布?？偨Y(jié)近年的研究成果，結(jié)構(gòu)對工程巖體的影響和作用大致可以概括為3 個重要作用：①結(jié)構(gòu)面工程尺寸效應(yīng):即結(jié)構(gòu)面尺寸與工程尺寸的相關(guān)性；②結(jié)構(gòu)面與工程的依存效應(yīng):結(jié)構(gòu)面與工程之間存在依存關(guān)系，由于依賴關(guān)系不同，結(jié)構(gòu)對工程巖體的影響也不同；③多組結(jié)構(gòu)面的綜合作用：巖體中只有一組結(jié)構(gòu)面，很多情況下有多組結(jié)構(gòu)面，這就導(dǎo)致了多組結(jié)構(gòu)對工程巖體的共同影響，即組合效應(yīng)問題。根據(jù)礦區(qū)以往地質(zhì)資料及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況，按照實際工作需求，選取NZG1 剖面，NZG1 剖面井采條件下工程地質(zhì)模型如圖1。

圖1 NZG1 剖面井采條件下工程地質(zhì)模型

2）巖土體物理力學(xué)參數(shù)確定。收集、分析、總結(jié)以往各項目的巖土試驗研究成果。采用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比法，對適合本項目研究的試驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，為本項目研究提供依據(jù)。對露天礦北外排土場進(jìn)行了工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探，得到了各層位物理力學(xué)參數(shù)。對由于試樣有限滿足不了規(guī)程要求的，采用與同類巖土的試驗結(jié)果類比的方法確定，對變形區(qū)巖土物理力學(xué)性質(zhì)的確定是在綜合以上2 個方面資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析、歸納、整理得到的。邊坡巖土物理力學(xué)性質(zhì)推薦指標(biāo)見表1.

表1 邊坡巖土物理力學(xué)性質(zhì)推薦指標(biāo)

2 邊坡變形數(shù)值模似分析

采用Ansys 軟件對NZG1 剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，對比數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合以往研究經(jīng)驗，對該露天礦及排土場邊坡的變形破壞模式進(jìn)行了分析[9]。用x方向固定不動分別約束模型的左邊界、右邊界，用x、y 2 個方向固定不動約束剖面底部，計算原理采用牛頓-拉普斯。介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)用理想的彈塑性模型來描述，以保持整個邊坡模型在約束下達(dá)到力的平衡[8-11]。NZG1 剖面x 方向位移云圖如圖2，NZG1剖面y 方向位移云圖如圖3，NZG1 剖面總位移云圖如圖4。

圖2 NZG1 剖面x 方向位移云圖

圖3 NZG1 剖面y 方向位移云圖

圖4 NZG1 剖面總位移云圖

通過以上數(shù)值模擬結(jié)果分析可知：

1）井工開采過后，開采煤層頂板至邊坡頂部會形成一貫通應(yīng)力集中區(qū)，其區(qū)域內(nèi)巖層受采空區(qū)影響在自重應(yīng)力作用下，表現(xiàn)出較大豎向應(yīng)力[10-11]，最大值出現(xiàn)在井工采空區(qū)垂直上方邊坡臨空面附近。

2）x 方向位移云圖最大位移處為1 100 m 水平平盤，整體位移最大發(fā)生在采空區(qū)正上方1 040 m水平平盤，主要原因是井工開采導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞，關(guān)鍵層位置也隨之發(fā)生下移，排土場整體位移量變化大，采空區(qū)輻射影響范圍為940～1 080 m水平區(qū)域。該露天礦排土場邊坡滑坡模式及變形破壞機(jī)理為：①排土場邊坡內(nèi)部圓弧滑動；②排土場沉降變形引起的裂縫；③排土場沿基底的“坐落滑移式”整體滑動。

3）NZG1 剖面巖體由于南北向應(yīng)力近于0，實際上變?yōu)闁|西兩向受力。單臺階邊坡角較大部分，出現(xiàn)部分裂縫，未形成貫穿裂縫帶，裂縫帶的分布位置與邊坡的形狀和坡面的角度有關(guān)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

選取NZG1 剖面，分析采空區(qū)影響下的邊坡穩(wěn)定性，依據(jù)經(jīng)驗值對邊坡強(qiáng)度進(jìn)行折減，同時根據(jù)開采設(shè)計進(jìn)行不同采動距離下的穩(wěn)定性計算。邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

由表2 可知：

表2 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

1）當(dāng)進(jìn)行第1 次強(qiáng)度折減后，北外排西部邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，出現(xiàn)了較為明顯的降低，當(dāng)井采煤層推進(jìn)120 m 時，內(nèi)部圓弧滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.308 下降到1.046，沿基底滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.312 下降到1.118；井采煤層推進(jìn)240 m 時，內(nèi)部圓弧滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.308 下降到1.039，沿基底滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.312 下降到1.114，此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)已遠(yuǎn)小于安全儲備1.3 的要求。

2）當(dāng)進(jìn)行第2 次強(qiáng)度折減后，當(dāng)井采煤層推進(jìn)120 m 時，內(nèi)部圓弧滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.308下降到0.954，沿基底滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.312下降到1.008；井采煤層推進(jìn)240 m 時，內(nèi)部圓弧滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.308 下降到0.938，沿基底滑動時穩(wěn)定系數(shù)由1.312 下降到0.999，已小于極限平衡狀態(tài)的1.0，此時邊坡將發(fā)生大范圍滑坡。

由此可知：此大范圍內(nèi)的采空區(qū)擾動，必將促進(jìn)排土場基底巖層孔隙、裂隙發(fā)育；同時，北外排土場排棄時間為6 年，尚處于沉降固結(jié)期（排土場邊坡的沉降固結(jié)期一般為10 年），大范圍采沉將弱化排棄物料的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致北外排土場發(fā)生大范圍滑坡現(xiàn)場。

4 結(jié)語

通過對貓兒溝露天礦研究區(qū)現(xiàn)場踏勘，并對以往工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料進(jìn)行了廣泛的收集，基本查清了研究區(qū)域工程地質(zhì)條件。通過整理、分析，建立了邊坡工程地質(zhì)簡化模型，對井采擾動下的露天煤礦北外排土場西幫邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計算，得到了排土場邊坡變形破壞機(jī)理及滑坡模式。

在井采擾動情況下露天邊坡穩(wěn)定情況，隨著工作面的不斷推進(jìn)，對地表排土場邊坡的穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)井下工作面完全形成時，若不及時采取有效措施將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，因此如何協(xié)調(diào)井采與露天礦采礦作業(yè)活動是需要研究的重點問題。