郭占華，劉 鵬

（國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著露天煤礦開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，為了增加企業(yè)效益，在礦區(qū)范圍內(nèi)采出更多的煤炭資源，礦方采用靠幫開采，致使礦山工作幫邊坡臺階高度和邊坡角度不斷加大，邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，安全問題日益凸顯[1]。近年來，相關(guān)學(xué)者在分析評價以及保障露天開采過程中高并段臺階邊坡的穩(wěn)定性方面開展了一系列的研究。宋衛(wèi)東等[2]采用相似材料模型實驗和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，對深凹露天轉(zhuǎn)地下開采高陡邊坡的變形和破壞規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究；郭永興等[3]以高陡邊坡和危巖落石為研究對象，提出的監(jiān)測新原理和方法以及研制的光纖光柵傳感器應(yīng)用于實際邊坡工程現(xiàn)場和落石沖擊試驗現(xiàn)場；肖平等[4]、李惠發(fā)[5]、林國財?shù)萚6]、蔡美峰等[7]采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計算方法對露天高陡邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了固－流耦合研究。相關(guān)學(xué)者在總結(jié)西南地區(qū)大量工程實踐的基礎(chǔ)上，建立卸荷條件下巖石高邊坡發(fā)育的動力過程及三階段演化模式，提出了其時間和空間演化的基本序列，以及不同演化階段巖石邊坡變形破壞的發(fā)育特征及穩(wěn)定性意義[8-10]。

某露天礦東幫邊坡變形區(qū)域，若不及時采取適當(dāng)?shù)胤乐未胧?，勢必給運輸干道過往車輛及人員帶來安全隱患。為此，以某露天礦東幫變形區(qū)域邊坡為研究對象，對變形區(qū)域的邊坡變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性問題進(jìn)行深入研究，并提出合理的邊坡防治措施方案、措施。

1 工程地質(zhì)特征及計算方法

研究區(qū)域的沉積層厚度較小，新生界地層覆蓋了地表大部分區(qū)域，屬于典型黃土丘陵地貌。在本區(qū)內(nèi)的煤系地層主要是石炭系和二疊系地層，其中石炭系中統(tǒng)本溪組含薄煤1～2 層，厚度一般小于0.5 m，含煤地層主要是上統(tǒng)太原組，所含煤層7 層，主要可采煤層有4＃、9＃、11＃等，本組煤層平均厚度39.8 m，含煤系數(shù)42.5%，二疊系下統(tǒng)山西組共含有2～3層薄煤層，全部為不穩(wěn)定煤層[11]。變形區(qū)域典型工程地質(zhì)模型如圖1，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1[12]。

表1 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值

圖1 變形區(qū)域典型工程地質(zhì)剖面圖

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計算結(jié)果直接實用的特點。在研究區(qū)域斜坡道區(qū)域布置研究剖面，對該區(qū)域邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析和評價；采用數(shù)值模擬理論（FlAC3D）和極限平衡分析（Geo－Slope）相結(jié)合的方法研究高并段臺階變形位移規(guī)律及破壞模式，同時運用極限平衡分析提出針對并段臺階邊坡穩(wěn)定性的治理措施，為礦山安全高效生產(chǎn)提供了參考[13]。

2 東幫邊坡變形失穩(wěn)分析

2.1 邊坡變形失穩(wěn)模擬

結(jié)合研究區(qū)域邊坡變形和地貌特征，選取典型剖面構(gòu)建分析模型。模型沿邊坡傾向長度為746 m，垂直高度最大為350 m，模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以z方向位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)的受力平衡。變形區(qū)域典型剖面云圖如圖2。

圖2 變形區(qū)域典型剖面云圖

由邊坡剪切應(yīng)變增量云圖（圖2（a））可知：，在標(biāo)高1 247～1 265 m 水平平盤（松散層）以及標(biāo)高1 185～1 232 m（砂泥巖互層）出現(xiàn)明顯的變形，存在潛在滑動面；由水平位移云圖（圖2（b））和垂直位移云（圖2（c））可以看出：變形集中區(qū)域在松散層和砂泥巖臺階，即標(biāo)高1 247～1 270 m、1174～1240 m 范圍內(nèi)。由于松散層單臺階邊坡角已達(dá)56°且受1 240 m 水平平盤作業(yè)車輛影響，加之附近爆破震動的影響，導(dǎo)致邊坡上部黃土臺階和下部砂巖并段臺階坡腳處應(yīng)力集中程度明顯，同時爆破及作業(yè)車輛產(chǎn)生的擾動傳遞至上部邊坡面，致使臨空面土體片落；水平最大位移量為1.94×10－2m，豎向最大沉降量達(dá)1.57×10－2m，該剖面松散層臺階坡頂土體存在局部片幫的可能，這種擾動將進(jìn)一步傳遞至平陶線路，進(jìn)而影響路基穩(wěn)定。

結(jié)合現(xiàn)場的實際工況，塑性區(qū)域破壞的范圍主要集中在松散層及砂泥巖層（圖2（d）），而松散層中塑性區(qū)域比較集中的主要原因是受1 240 m 水平平盤作業(yè)車輛以及爆破震動的影響，使其抗剪強(qiáng)度降低；結(jié)合變形矢量云圖（圖2（e）），該區(qū)域邊坡松動滑動面呈圓弧形，正常情況下，東幫南段松散層邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較小，但臨空面巖土體仍會發(fā)生小范圍的片幫，邊坡的變形破壞模式為單臺階或并段臺階沿不良結(jié)構(gòu)面朝向臨空面發(fā)生圓弧或楔形體滑動，滑動形式多表現(xiàn)為局部片幫、崩塌破壞。

2.2 邊坡穩(wěn)定性

本次邊坡穩(wěn)定性驗算選取1 個研究剖面，經(jīng)過綜合分析，東幫并段臺階區(qū)域邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果見表2。

表2 東幫并段臺階區(qū)域邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果

在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上，通過研究分析，得到了以下結(jié)果：①究剖面整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.29，符合規(guī)范的要求，邊坡整體穩(wěn)定；②研究剖面整體坡面角分別為13.87°，正常情況下發(fā)生整體失穩(wěn)的可能較??；但考慮到雨季降水、巖體自身結(jié)構(gòu)特性以及爆破震動的影響，存在局部滑塌或垮塌的可能；③研究剖面中標(biāo)高1 251 m 水平（松散層臺階）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，存在一定風(fēng)險，標(biāo)高1 125 m、標(biāo)高1 143 m 以及標(biāo)高1 195～1 240 m 水平（砂質(zhì)泥巖層臺階）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.18、1.16、1.12，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。安全系數(shù)偏小的主要原因為：單臺階即標(biāo)高1 251 m 處松散層臺階坡面角55.98°（單臺階高度9.00 m），而標(biāo)高1 125 m 水平、標(biāo) 高1 143 m 水平以及標(biāo)高1 195～1 240 m 水平處的砂質(zhì)泥巖臺階由于臺階坡面角偏大（73.95°），且單臺階高度為18 m，同時受上部松散層前期不斷片落的影響，坡體外緣處受自身重力和爆破震動的作用有沿臨空面滑動的趨勢，建議檢查、巡視及維護(hù)臺階下部擋土墻，防止大塊物料滾落。

3 方案優(yōu)化選擇

針對并段區(qū)域上部松散層邊坡出現(xiàn)較多裂縫以及并段臺階坡體外緣處片落所引起的邊坡變形，對此區(qū)域邊坡穩(wěn)定性問題提出以下2 種具有針對性的邊坡治理方案。

1）采取削坡減載的處理方案。通過對并段臺階，即標(biāo)高1 185～1 240 m 水平段采取削坡處理，達(dá)到降低邊坡單臺階坡面角和減載的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，從而抑制坡體下滑，逐漸減小對1 185 m 水平路面運輸設(shè)備及人員的影響。通過放緩邊坡消除剪出口的不平衡推力，使該滑坡的抗滑力與下滑力的比值，即該邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)大于安全儲備系數(shù)，從而使其在設(shè)計工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。并段區(qū)域邊坡優(yōu)化方案簡化模型如圖3。

圖3 并段區(qū)域邊坡優(yōu)化方案簡化模型

2）刷坡＋壓腳相結(jié)合的處理方案。對標(biāo)高1 260 m 水平和1 270 m 水平平盤所在坡面，進(jìn)行刷坡處理，使現(xiàn)狀坡體角度達(dá)到或小于設(shè)計坡面角；為了抑制坡體滑移，在坡腳處排土壓腳，使得邊坡下部區(qū)域土體自重增加，提高滑坡區(qū)域的整體抗滑力；同時，排土壓腳可以消除潛在滑體剪出口處的自由面，在一定程度上起到了抑制潛在滑體沿原始滑裂面剪出口移動的效果。方案既解決了1 260～1 270 m 水平所在平盤空間不足問題，也保護(hù)了道路路基。

4 治理措施

1）在標(biāo)高1 247 m 坡腳處進(jìn)行壓腳處理，回填高度為6 m，即在原有標(biāo)高1 251 m 水平平盤坡腳處增高至標(biāo)高1 257 m 水平平盤，平盤寬度14 m，壓腳回填物料益選取采場剝離出的松散巖土體，并對平盤表面充分碾壓夯實。

2）需對并段臺階區(qū)域邊坡進(jìn)行優(yōu)化，在保證安全前提下，使效益最大化。即在標(biāo)高1 195～1 240 m段形成三級臺階，單臺階高度15 m，平盤寬度10 m，單臺階坡面角70°；在1 185～1 195 m 段單臺階高度10 m，平盤寬度12 m，單臺階坡面角63°。削坡方量計算如下：

式中：V 為剝離量，m3；S 為剝離區(qū)域，m2，可通過CAD 求解；L 為邊坡的走向長度，m。

經(jīng)現(xiàn)場實地勘測邊坡的走向長度L 取值150 m；通過CAD 計算求解S 取值305 m2，經(jīng)計算得V ＝3.2×104m3。

該方案即是在1 251 m 水平平盤坡腳處將排土高度排至6 m，優(yōu)化后的松散層整體邊坡角23.25°，優(yōu)化后松散層臺階即標(biāo)高1 251 m 處邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.20、標(biāo)高1 232 m 以及標(biāo)高1 215 m 處邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.22 和1.21，處于穩(wěn)定狀態(tài)，并段臺階即標(biāo)高1 185～1 240 m 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.21。方案中典型位置處邊坡穩(wěn)定性評價計算結(jié)果如圖4。

圖4 方案中典型位置處邊坡穩(wěn)定性評價計算結(jié)果

4 結(jié)語

1）基于并段臺階區(qū)域邊坡工程地質(zhì)與現(xiàn)場條件，建立工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬分析的方法研究了片幫區(qū)域邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)理，探明邊坡變形模式。

2）提出針對松散層的刷坡＋壓腳治理方案、針對并段臺階的削坡治理方案。即在標(biāo)高1 247 m 坡腳處進(jìn)行壓腳處理，回填高度為6 m，即在原有標(biāo)高1 251 m 平盤坡腳處增高至標(biāo)高1 257 m 平盤，平盤寬度14 m；在標(biāo)高1 195～1 240 m 段形成三級臺階，單臺階高度15 m，平盤寬度10 m，單臺階坡面角70°；在1 185～1 195 m 段單臺階高度10 m，平盤寬度12 m，單臺階坡面角63°，該方案中所清理削坡方量共計約為3.2 萬m3。