史景山，朱凱平，張祖虎，李 明，馬明康

（1.伊吾廣匯礦業(yè)有限公司，新疆 哈密 839303；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

近幾年，露天礦發(fā)展迅速，在煤炭開采過程中，工作幫參數(shù)在一定程度上決定了生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)效益。安家金等[1]研究了含斷層邊坡在滲流作用下穩(wěn)定性問題，以伊敏露天礦三采區(qū)端幫邊坡為研究對(duì)象，建立相似材料模型并結(jié)合數(shù)值模擬，確定了開挖斷層和滲流耦合作用下滑移面失穩(wěn)的具體原因；曾繼鵬[2]等以云南省某露天礦山的東幫邊坡工程為例，選取斷層寬度和斷層傾角2 個(gè)主要因素，運(yùn)用Geostudio 計(jì)算2 個(gè)不同因素組合水平下的邊坡安全系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入數(shù)值分析軟件SPSS進(jìn)行雙因素方差數(shù)值分析，研究2 個(gè)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；郭夏飛等[3]發(fā)現(xiàn)斷層位于坡體中部時(shí)，邊坡剪應(yīng)力較大，此時(shí)斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，隨開挖推進(jìn)坡體逐漸前移，斷層附近變形及應(yīng)力值逐漸減小，斷層對(duì)邊坡影響逐漸減小，開挖不同階段邊坡穩(wěn)定性主要影響因素不同。白石湖露天煤礦一條區(qū)南部南幫受DF16與DF17斷層影響，今年5 月份發(fā)生局部垮塌現(xiàn)象，影響了現(xiàn)場的正常生產(chǎn)，后期對(duì)現(xiàn)場垮塌區(qū)域進(jìn)行清理，放緩了邊坡角度，但部分臺(tái)階仍存在未過斷層開采現(xiàn)象，對(duì)資源開采造成了不利條件，基于以上問題，亟需對(duì)現(xiàn)場邊坡進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[4-6]，提升邊坡整體穩(wěn)定性，開采斷層北部煤炭資源。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 研究背景

白石湖露天煤礦條區(qū)分布如圖1。白石湖露天煤礦共分為1 個(gè)首采區(qū)和2 個(gè)條區(qū)，首采區(qū)一條區(qū)南部東西長約3 400 m，南北寬約1 460 m，采深約185 m，巖層整體走向東西，傾向南北。南幫為工作幫，目前處于收幫階段，單臺(tái)階高度12 m，整體幫坡角26°。北幫為內(nèi)排土場，單臺(tái)階高度為24 m，整體幫坡角為17°。隨著排土高度的增加，頂部臺(tái)階出現(xiàn)沉降裂縫，沉降高度2～3.5 m，坑底發(fā)生底鼓，隆起高度0.5～3.5 m，底鼓范圍東西向總長度約為455 m，南北向距離約為31 m。首采區(qū)一條區(qū)南部外排土場位于采場南側(cè)，共形成6 個(gè)排土臺(tái)階，與南幫構(gòu)成復(fù)合邊坡。東幫為端幫，單臺(tái)階高度12 m，整體幫坡角為29°，局部最大幫坡角為37°，距離東幫地表界150 m 處設(shè)有南北向的帶式輸送機(jī)走廊。

圖1 白石湖露天煤礦條區(qū)分布平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

白石湖露天煤礦區(qū)位于伊吾縣北約105 km，淖毛湖礦區(qū)西北部，露天礦區(qū)東西長約12.63 km，南北寬約2.93 km，面積33.0 857 km2。伊吾縣位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部，天山東段北麓，東經(jīng)93°35′～96°23′，北緯42°54′～44°29′，東北部與蒙古國交界，西部與巴里坤哈薩克自治縣相鄰，南部與哈密市伊州區(qū)隔山相望（東天山）。

礦區(qū)地表為第四系廣泛覆蓋，基巖僅零星出露。北部含煤地層與石炭紀(jì)地層為不整合接觸關(guān)系。礦區(qū)總體為一南傾的單斜構(gòu)造，傾角3°～30°，沿走向和傾向有次級(jí)褶曲發(fā)育，構(gòu)造類型確定為中等類構(gòu)造。根據(jù)以往二維地震資料和以往三維地震資料，礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層17 條。其中可靠斷層10 條，較可靠斷層6 條，不可靠斷層1 條。本區(qū)17 條斷層中，正斷層12 條，逆斷層5 條。其中影響南幫邊坡穩(wěn)定性的2 條斷層為DF16與DF17。①DF17斷層：逆斷層，位于白石湖勘查區(qū)46 線與L52 線之間，區(qū)內(nèi)延伸長3 700 m，走向東西，傾向南西南，傾角13°左右，落差0～30 m。斷層查明，屬可靠斷層；②DF16斷層：正斷層，位于白石湖勘查區(qū)55 線與56 線之間，區(qū)內(nèi)延伸長900 m，走向東西，傾向北，傾角31°左右，落差0～17 m。斷層查明，屬可靠斷層。

1.3 研究區(qū)域現(xiàn)狀

2021 年5 月份，首采區(qū)一條區(qū)南部南幫邊坡整體幫坡角為26°，單臺(tái)階高度為12 m，邊坡整體高度155 m，從下往上形成了168 m 水平平盤～312 m 水平平盤共計(jì)13 個(gè)平盤。受DF17斷層和DF16斷層的疊加影響，南幫邊坡于今年5 月份發(fā)生布局垮塌、沉降變形，其變形位置主要發(fā)生在南幫鳴陽一隊(duì)與鳴陽三隊(duì)交界處。其中300 m 水平平盤產(chǎn)生裂縫坐落后寬度9.6 m，沉降變形3 m，312 m 水平平盤裂縫區(qū)域裂縫長度297 m，裂縫破壞變形后寬度3.3 m，沉降變形2.1 m，240 m 水平平盤裂縫區(qū)域沉降變形1.7 m；228 m 水平平盤裂縫區(qū)域沉降變形2.3 m，裂縫擠壓破壞區(qū)主要發(fā)生在228 m 水平平盤，2021 年10 月，礦方保證現(xiàn)場安全施工，將南幫向南繼續(xù)推進(jìn)，截至10 月底，南幫邊坡整體幫坡角為16°～18°。

南幫邊坡出現(xiàn)的失穩(wěn)破壞問題主要為工作幫開采靠近斷層的過程中，DF16正斷層為邊坡破壞提供了極為不利的高角度順傾的軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，形成滑體后緣，同時(shí)受DF17斷層影響，局部邊坡巖體由逆傾變?yōu)轫槂A，降低了下部巖體的抗滑效果。

2 邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是邊坡穩(wěn)定計(jì)算與防治措施研究的主要基礎(chǔ)資料，要搞清巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)必須進(jìn)行大量土工試驗(yàn)。在白石湖露天礦的建設(shè)及生產(chǎn)過程中，科研院所及勘查單位結(jié)合各自研究項(xiàng)目的具體需要，對(duì)各類巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行過多次試驗(yàn)研究，積累了豐富的資料[7-8]?；谝陨咸攸c(diǎn)，本項(xiàng)目巖土體物理力學(xué)性質(zhì)研究工作采用如下研究方法：

1）巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比法。對(duì)以往各項(xiàng)目的巖土體試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、分析，以供本項(xiàng)目研究之用。

2）滑坡參數(shù)反分析。巖土體物理實(shí)驗(yàn)對(duì)確定邊坡參數(shù)尤為重要，但在實(shí)驗(yàn)的過程中，沒有考慮到巖體的不均性和各向異性，從而造成計(jì)算的數(shù)值有所偏差。而滑坡參數(shù)反分析方法，是基于滑坡相當(dāng)于大型巖體的剪切試驗(yàn)，如果對(duì)滑坡原因、滑坡幾何形態(tài)等掌握準(zhǔn)確，則通過滑動(dòng)反分析得到的參數(shù)將是最可靠的[9-10]。

通過以上研究方法確定了本次巖土物理力學(xué)計(jì)算推薦指標(biāo)，巖石力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

3 邊坡變形破壞機(jī)理

采用FLAC3D軟件對(duì)剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，以野外工程地質(zhì)勘察為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)域邊坡的工程地質(zhì)特征、邊坡的可能失穩(wěn)模式、滑坡類型等，確定選取首采區(qū)一條區(qū)南部的NB21－2 剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并建立剖面計(jì)算模型，邊坡計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果如圖2。

由圖2 中水平位移云圖可以看出，水平位移集中在邊坡下部，該區(qū)域位移主要受DF16斷層的影響且指向臨空面，總位移集中在邊坡下部，指向臨空面；由剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，受到DF16斷層影響，邊坡砂礫巖、泥巖與粉砂巖區(qū)域出現(xiàn)較明顯拉應(yīng)力與剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞；由應(yīng)力云圖可以看出，邊坡沿?cái)鄬悠扑閹С霈F(xiàn)了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨邊坡深度增加垂直應(yīng)力數(shù)值增長態(tài)勢超過水平應(yīng)力；由位移矢量云圖可以看出，邊坡下部巖體主要表現(xiàn)為沉降變形，砂礫巖、泥巖與粉砂巖區(qū)域以水平位移為主，邊坡位移總體指向臨空面。故該模式下邊坡變形主要呈現(xiàn)為“坐落滑移式”。

圖2 邊坡計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)工程地質(zhì)簡化模型，通過Geostudio 軟件建立了計(jì)算模型，得出該剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.26，但目前南幫角度較緩（18°），部分臺(tái)階仍存在未過斷層開采現(xiàn)象[10-14]，因此，在保證邊坡安全的前提下，提升整體幫坡角，開采底部煤炭資源，確定最終壓幫位置，并給出合理的頂部及底部境界位置[15]。

首采區(qū)一條區(qū)南部南幫優(yōu)化方案如圖3。方案1：南幫整體邊坡角度30°；方案2：南幫整體邊坡角度29°；方案3：南幫整體邊坡角度28°；方案4：南幫整體邊坡角度27°。

圖3 首采區(qū)一條區(qū)南部南幫優(yōu)化方案

1）臨時(shí)到界邊坡整體邊坡角。方案1：南幫整體邊坡角度30°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)1.129；方案2：南幫整體邊坡角度29°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)1.174；方案3：南幫整體邊坡角度28°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)1.211；方案4：南幫整體邊坡角度27°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)1.256。通過以上計(jì)算結(jié)果可知，方案3 南幫整體邊坡角度28°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)1.211 滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)（1.20）的要求，故南幫邊坡參數(shù)優(yōu)化方案選取方案3 整體邊坡角28°。

2）臨時(shí)到界邊坡坡底位置及地表界。南幫上部臺(tái)階與下部臺(tái)階應(yīng)協(xié)調(diào)向南繼續(xù)推進(jìn)，采凈斷層北側(cè)煤炭資源。內(nèi)排土場排至1＃煤層頂板的位置，作為臨時(shí)到界邊坡的底部位置，向上反推28°確定臨時(shí)到界邊坡的地表界，優(yōu)化后地表境界為原地表境界向南推進(jìn)10～30 m，優(yōu)化后底部境界位置為煤層頂板。

5 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況，確定了一條區(qū)南部南幫滑坡破壞機(jī)理為坐落滑移式破壞。在保證采礦生產(chǎn)安全的前提下，對(duì)南幫邊坡進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，將其整體幫坡角由原來的18°提升至28°，過斷層開采后邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)滿足1.20 的要求，同時(shí)，提升了經(jīng)濟(jì)效益，給出了最終壓幫位置及南幫頂、底部境界位置