孫典卓

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100176）

隨著我國能源需求量的日益增加，露天轉(zhuǎn)地下井工開采便成為常見的開采方式之一[1]。相比于地下開采，露天礦山安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵在于保證邊坡的穩(wěn)定，而滑坡是露天生產(chǎn)中最常見的邊坡破壞形式[2-4]。井工開采會造成圍巖應(yīng)力改變，這一改變過程會導(dǎo)致巖體的完好性與完整性受損，對邊坡的穩(wěn)定性造成了一定的影響[5]。為研究井工開采擾動對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響，我國國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究。侯鵬[6]通過數(shù)值試驗對順、逆坡開采下端幫邊坡穩(wěn)定性進行了研究分析，順坡開采更加有利于保證邊坡穩(wěn)定性，同時預(yù)留保安煤柱可顯著降低頂板下沉量；韓亮[7]以安太堡為研究背景，使用FLAC3D數(shù)值軟件研究了換界開采條件下南幫破壞模式，并采用GEO－Slope 進行了南幫穩(wěn)定性分析；楊宇江等[8]利用FLAC3D軟件研究了地下采深對露天邊坡巖體的應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)的影響規(guī)律，隨著地下開采深度的增加，保證覆巖處于穩(wěn)定標(biāo)高，可顯著優(yōu)化露天邊坡塑性區(qū)與應(yīng)力場的分布狀態(tài)，有效控制圍巖變形，預(yù)防邊坡破壞；徐帥等[9]采用PFC 與FLAC 數(shù)值軟件進行了地下開采方法對露天邊坡穩(wěn)定性計算，表明了進路充填采礦法的可行性；王韜等[10]以黑岱溝露天礦為背景，通過數(shù)值試驗和理論分析了開挖卸荷條件下露天邊坡的穩(wěn)定性，得到了邊坡應(yīng)力與變形特征；袁遠等[11]采用GEO－Slope 程序?qū)Π蔡ぢ短斓V排土場邊坡進行了穩(wěn)定性研究，分析了邊坡破壞規(guī)律，并針對性地提出了壓腳措施，有效控制了變形范圍，保證了礦山排土場邊坡的安全穩(wěn)定?；诖耍瑢Π布?guī)X露天礦井工采動對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響進行研究。

1 工程概況

安家?guī)X露天礦南北長9.5 km，東西寬5.3 km，邊坡高度達200 m 左右。井工礦井田位于安家?guī)X礦的南北兩側(cè)，由露天礦不采區(qū)、上窯采區(qū)以及太西采區(qū)構(gòu)成。其中上窯采區(qū)呈不規(guī)則的多邊形，東西寬1.7～2.3 km，南北長1.7～2.65 km。區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，無斷層。巖層產(chǎn)狀平緩，呈近水平緩傾斜分布，傾角一般在2°～5°，局部達12°。端幫邊坡從上往下依次為黃土層、砂巖層，4＃和9＃煤層。上窯外排土場為長條形狀，1 條帶式輸送機走廊將其分為東、西2 部分；最大排高140 m，東區(qū)最大排棄標(biāo)高1 455 m 水平，西區(qū)最大排棄高為1 430 m 水平；排土場邊坡由黃土構(gòu)成，其中黃土帶有少量巖石。

露天礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，煤系地層之底板巖性多為含黏土質(zhì)的頁巖和砂頁巖，都為隔水巖層，露天礦的底部不會有水突出。井工礦主要采4＃、9＃以及11＃煤層。4＃煤層位于上窯采區(qū)，埋深70.82～343.42 m，平均221.85 m，采用斜井開拓方式，煤層賦存穩(wěn)定，構(gòu)造簡單，厚度為12 m，直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

2 數(shù)值模似

選取有代表性的A－A＇、B－B＇ 2 個剖面，其中A－A＇斷面邊坡緊鄰鐵路環(huán)線，為上窯排土場西南部典型剖面；B－B＇剖面位于上窯區(qū)，縱切安家?guī)X露天礦南幫和西排土場。所選取的2 個剖面能比較全面地反映出井工采動對露天礦端幫和排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，剖面具體位置如圖1。FLAC 邊坡數(shù)值模擬分析的巖體力學(xué)參數(shù)及支護材料參數(shù)取值見表1。

表1 邊坡巖土材料物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 剖面位置平面圖

2.1 FLAC 數(shù)值分析

井工采動主要影響包括上窯排土場邊坡和露天礦邊坡。使用FLAC 軟件在A－A＇剖面建立數(shù)值試驗?zāi)Ｐ停Ｐ透?00 m，長2 500 m，共劃分為21×44＝924 個有限元網(wǎng)格。模型底部設(shè)為全約束，側(cè)面設(shè)為水平約束。研究只將巖土體自重應(yīng)力考慮在內(nèi)，并認為邊坡開挖已經(jīng)完成，著重研究井工開采擾動條件下邊坡巖體變形破壞特征。開挖模擬是從首采區(qū)北邊界開始從右向左進行開挖，每步掘進200 m，重點分析第1、第2 步開挖后邊坡巖體的變形與破壞特征。第1 步開挖（開挖200 m）數(shù)值試驗結(jié)果如圖2。第2步開挖（開挖400 m）數(shù)值試驗結(jié)果如圖3。

圖2 第1 步開挖（開挖200 m）數(shù)值試驗計算結(jié)果

圖3 第2 步開挖（開挖400 m）數(shù)值試驗計算結(jié)果

由圖2 可知，第1 步開挖完成后，采空區(qū)附近圍巖、坡腳位置的地表以及黏土弱層都進入塑性區(qū)域，但在坡腳附近的風(fēng)氧化煤弱層并沒有進入塑性區(qū)。在完成第1 步開挖（開挖200 m）后，采空區(qū)上覆巖層的主應(yīng)力矢量發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)；排土場坡腳上端的臺階平盤為最大水平位移位置，上覆巖層最大垂直位移為4.25 m，井采巖移角70°左右。分析邊坡巖體的水平位移與垂直位移以及塑性區(qū)分布可知，在井工開采作用下，排土場坡腳位置出現(xiàn)開裂后形成拉伸裂隙，從而構(gòu)成潛在滑坡后緣，后向下發(fā)育到風(fēng)氧化煤弱層，最后裂縫在坑下沿煤層頂板水平剪出。因為沒有徹底連通排土場邊坡滑動面的巖體塑性區(qū)，故此邊坡整體不會出現(xiàn)失穩(wěn)滑移。

由圖3 可知，在完成第2 步開挖（開挖400 m）后，采空區(qū)上覆巖體的塑性區(qū)與黏土弱層連合，上覆圍巖最大垂直位移與最大水平位移分別為7.5 m 和1.5 m，其中排土場頂端的平盤處為最大水平位移位置，其位移值為1.5 m。故排土場邊坡的潛在滑坡模式為在排土場邊坡頂端平盤出現(xiàn)拉裂縫，裂縫向下延伸并貫穿黏土弱層，最后沿坡腳剪出。

隨著開挖長度的推進，開采擾動作用愈發(fā)明顯，塑性區(qū)范圍明顯擴大，邊坡巖體的最大水平位移與垂直位移都增大。邊坡內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，并與基巖面之上的黏土弱層連通，造成了邊坡的失穩(wěn)破壞。

2.2 RFPA 數(shù)值分析

選取B－B＇剖面并建立計算模型，該斷面為上窯排土場邊坡，全部在井工采動影響范圍內(nèi)。分析BB＇ 剖面的破壞機理對于正確認識井采擾動條件下邊坡破壞模式與合理評價邊坡穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。RFPA 數(shù)值試驗只研究4＃煤層開采條件下的邊坡巖土體破壞情況。

RFPA 數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。圖4（a）為巖體邊坡破裂模式圖；圖4（b）為應(yīng)力分布圖，亮度表示應(yīng)力大小，越亮表示應(yīng)力越大；圖4（c）為破壞分布圖，白色為剪切破壞單元，深色為拉伸破壞單元。

圖4 RFPA 數(shù)值試驗計算結(jié)果

由圖4 已知，井工采動后，上覆巖體整體切落到地表，切落面主要為剪切破壞。在排土場邊坡地表形成拉伸裂隙，構(gòu)成了潛在滑坡后緣，與基巖之上的黃土、排土物料等黏土弱層貫通，最終導(dǎo)致“圓弧－順層”潛在滑坡破壞模式。

3 結(jié)語

1）A－A＇ 剖面排土場邊坡在完成200 m 開挖后由于裂縫沒有徹底連通排土場邊坡滑動面的巖體塑性區(qū)而不會出現(xiàn)破壞；在開挖400 m 后，排土場邊坡易出現(xiàn)潛在滑坡模式，在頂部平盤位置出現(xiàn)拉裂縫并向下延伸直至貫穿黏土弱層，最后沿坡腳剪出。

2）B－B＇剖面在進行井采擾動后，上覆圍巖整體切落于排土場邊坡的地表，并在此地表處形成拉裂隙，構(gòu)成了潛在滑坡后緣，后與基巖之上的黃土、排土物料等黏土弱層貫穿，最終導(dǎo)致“圓?。槍印睗撛诨缕茐哪Ｊ?。