平朔东露天矿排土场边坡破坏模式与稳定性研究

2020-10-10李海涛

煤炭工程 2020年9期

张岩，蔡峰，李海涛

(1.中国中煤能源集团有限公司，北京 100120；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013)

东露天矿隶属于山西朔州市，整个矿区的东西方向走向长度约为4.5～5.5km，南北方向宽度为6.5～10.5km。矿井批准开采高度为1480～1000m，矿井储量为1848.92Mt，建矿初期设计生产能力为20Mt/a。排土场在建设过程中往往要求在保障安全的前提下，在有限的排土空间内最大限度地增加其收容能力[1-4]，由于随着矿山生产的进行，排土场自身所处的工程地质条件、水文地质条件及基底土体和排弃物料的工程性质在不断演化，露天煤矿的采矿工程在进行年度设计时，必须依据国家颁布的《煤矿安全规程》中的相关要求，先进行露天煤矿边坡稳定性计算分析，而非工作帮形成范围到界台阶前或工作帮边坡达到计算边界前，都将要进行稳定性分析、评估，且在适当时采用必要的措施。

1 地质条件

1.1 工程地质条件

依据该露天矿矿井资料可知，平朔东露天矿的内外排土场及采场的基底赋存的岩层依次为：物料层、粉土层、粘土层及风化基岩层。

由于大部分排弃的物料多为岩土、砂岩、泥岩等混杂物组成，且大小不一，故基底物料层的结构较散，因此其渗透性、储水性比较好；粉土层层厚1.1～50.1m，平均厚度22.58m，天然含水量2.6～40.7%，天然密度1.39～2.13g/cm3，顶部为褐黄、灰黄色粉土，呈稍密、中密状态，干强度较低，韧性低，无光泽，垂直节理发育，孔隙较大，为本区黄土地貌的主要成分。未开挖的区域，上部有虫孔及植物根系，含钙质结核及云母，下部偶见夹砂砾石层。

粘土层层厚0.1～56.7m，平均厚度18.09m，天然含水量11.1～42.4%，天然密度1.49～2.41g/cm3，内摩擦角介于9.9°～28.9°，一般呈红色、棕红色，垂直节理发育，可见颗粒状结构(俗称蒜瓣状结构)，结构面可见黑色铁锰质结核，局部含钙质结核，局部夹卵石及漂石层。在采场边帮上有出露，与下伏基岩不整合接触。

风化的基岩层主要由下石盒子组、太原组及本溪组构成，其岩性主要为中砂岩、含砾粗砂岩、粉细砂岩及泥岩砂质泥岩，基岩层节理裂隙发育，与上层覆盖的第四系黄土层呈角度不整合接触。

1.2 水文地质条件

矿区地下水的主要来自于降水，其余的为地表水。其中，盆地外围除了南面外其余三面的岩露区为奥灰水层补给区，盆地内的周围平原区的补水源为其下面的各含水层，由于盆地基岩与地层间夹存着一层棕色粘土，致使黄土层中地下水下渗时受到了阻碍作用。由于在该盆地区域的南、西面有条季节性的河流，且该河床将风华基岩层的山西组及太原组切断，对地下含水层进行了及时的补给。

矿区地下水的排泄方式有点状排泄、线状排泄及地表蒸发等几种形式，而在河谷地带的含水层多以泉的形式点状泄出，该区域内的地层多为多为上、下石盒子组，但在东南方位的山口地带附近有流量较大的奥灰水泉涌出。马关河为区域内地下水主要排泄通道，河床切割了上、下石盒子组地层，其流向基本沿向斜部分布，河谷与岩层走向大致平行，形成了东西两侧含水层沿着河床以线状泄流条件。

图1 南洼村外排土场岩层地质剖面

1.3 岩土物理力学性质指标

在已有岩土体物理力学性质试验研究成果的基础上，通过工程类比法和反演法获得东露天矿排土场岩土体物理力学性质指标推荐值见表1。

表1 东露天矿岩土物理力学性质指标推荐值

1.4 工程地质简化模型

基于研究区域工程地质及水文地质条件，建立东露天矿排土场边坡地质简化模型如图2—图4所示。

图2 南洼村排土场分析剖面模型(南洼6-1剖面)

图3 南洼村排土场分析剖面模型(南洼6-2剖面)

图4 南洼村排土场分析剖面模型(南洼6-5剖面)

2 排土场边坡变形失稳机理研究

2.1 PFC数值模型与计算参数

基于南洼排土场剖面6-1和剖面6-5边坡工程地质模型，运用PFC软件建立数值模拟研究模型，进而模拟出边坡发生失稳时应力集中区，进而发现边坡发生失稳破坏的原因及变形规律。

PFC模拟计算主要分以下4步：①采用颗粒流程序内部自带程序生成初始长方形边坡模型；②用Fish编写函数进行地层划分；③赋予不同地层相应的细观力学参数进行计算，消除不均衡力；④开挖形成边坡外部坡型。图5为边坡的PFC模型，其中在X轴方向上对模型两边进行固定约束，在Y轴方向上只对模型的底部进行固定约束，上边界为自由边界。数值模型分别包括排土场下部基底和上部填土两部分。

图5 南洼村排土场边坡PFC数值模型

根据前期已有工程地质勘察报告和室内试验结果，PFC颗粒流程序需要输入的是细观力学参数，参数选取要依据室内岩土压缩试验，通过多次调试，当数值模型的细观力学参数与室内试验一致时，才能将其用于各边坡模型。排土场边坡细观力学参数取值见表2。

表2 排土场边坡各层细观力学参数

2.2 南洼村排土场边坡变形机理分析

2.2.1 南洼6-1剖面分析

边坡应力分布如图6所示，边坡水平位移矢量如图7所示。由图6可知，在X轴方面上(水平方向)，边坡内部的应力普遍大于外部的应力。由图7可知应力从顶部开始沿着Y轴方面(垂直方向)逐渐增大，并在模型的底部应力达到了最大值，为6.8929MPa，且在模型的坡面颗粒上出现明显的位移，最大的位移值为2.19m。从应力和位移云图可知排土场边坡的破坏模式为填土物料坡体内部的圆弧滑动破坏。

图6 南洼村排土场6-1剖面边坡应力分布

图7 南洼村排土场6-1剖面边坡水平位移矢量

2.2.2 南洼6-5剖面分析

边坡应力分布如图8所示，边坡滑移区域分布如图9所示。由图8可知，应力从顶部开始沿着Y轴方面(垂直方向)逐渐增大，并在模型的底部应力达到了最大值，为5.789MPa。由位移分布图可知，左侧台阶坡顶处将出现大范围片帮破坏，向前滑移距离约为3～5m，分析原因为单台阶高度过大所致。因此，采用GPS等监测手段对该区域展开全天候地表变形监测。

图8 南洼村排土场6-5剖面边坡应力分布

图9 南洼村排土场6-5剖面边坡滑移区域分布

3 边坡稳定性分析

3.1 稳定分析方法及安全系数确定

根据《露天矿设计规范》边坡稳定性初步判别标准为：①边坡安全系数大于1.20，边坡稳定；②边坡安全系数在1.10～1.20之间，边坡基本稳定；③边坡安全系数小于1.10，边坡不稳定[5，6]。

基于以上标准，并结合边坡滑移面形状、岩土层特征、结构面的产物以及周围相似条件下露天矿的经验等，综合以上在对该边坡稳定性进行考量，边坡安全系数见表3。

表3 边坡安全系数选用表

由于极限平衡分析法在分析边坡稳定性时具备了便捷、准确、实用等优点，而被国内外学者广泛采用，它主要分为垂直条分法和滑移线法(上限解法)，垂直条分法又包括瑞典圆弧法、毕绍普法、Janbu法，Morgenstern-price法等，不同计算方法的适用条件和力学机理均有所不同[7-13]。采用以极限平衡算法为原理的SLIDE软件，选择简化Bishop极限平衡分析法，分圆弧滑动面和折线滑动面两种情况，对边坡进行稳定性分析。

3.2 计算剖面及参数选取

根据研究区域及其周边地质条件，结合边坡变形失稳模式研究成果，选取南洼6-1、6-2、6-5三个剖面进行边坡稳定定量评价。

3.3 边坡稳定性计算

通过采用PFC模拟软件对南洼村排土场边坡变形破坏特征研究发现，南洼6-1剖面的排土场边坡的破坏模式为填土物料坡体内部的圆弧滑动破坏，而南洼6-5剖面的排土场边坡的破坏模式为从左侧台阶坡顶处出现了大范围片帮破坏，为了更直观的计算边坡的稳定性，因此借助于Slide软件建立了极限平衡分析模型，其计算结果如图10所示。