新岭露天矿东帮边坡形态优化设计

2021-01-05马可

露天采矿技术 2020年6期

马可

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

边坡稳定性分析方法经过多年来众多专家学者的努力，已形成了较为成熟的理论方法与实践技术。但对于坡体中存在弱层这一特殊地质条件的边坡，还存在许多亟待解决的问题，需要众多专家学者更进一步的研究[1]。曹兰柱等[2]采用二维刚体极限平衡等手段对于白音华三号露天矿顺倾软弱基底的内排土场边坡进行了研究，提出了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响；缪海宾等[3]通过基底黄土孔隙水压力消散试验,得到了孔隙水压力及消散度与消散时间之间影响规律，基于极限平衡法和孔隙水压力消散规律，提出了黄土基底排土场动态稳定系数计算方法，基于该算法，对原有静态的黄土基底排土场稳定控制措施进行优化，提出了“分段排土，控制强度，分区推进，调整程序，监测监控，增大容量”动态稳定控制措施；皮慧芳等[4]对露天煤矿软弱夹层赋存下顺倾边坡稳定性进行科学评价，以极限平衡法，以监测数据分析、滑坡反分析、现场钻探等手段，研究了软弱夹层赋存下对内排土场边坡稳定性的影响；宋子岭等[5]以受到芦子沟背斜构造影响的安太堡露天矿内排土场边坡为研究对象,基于刚体极限平衡法，确定了不同平盘宽度推进到不同工程位置时的边坡稳定性；李伟[6]根据边坡地质资料和现场地表GPS 位移监测结果，运用FLAC3D数值模拟软件分析了阴湾排土场边坡变形破坏机理，研究了在2 种排土压脚方案下边坡的稳定性，确定了阴湾排土场滑坡治理措施及后续排土方案；周永利、黄浩轩[7]等针对露天矿内排土场在堆叠过程中的边坡形态问题，以哈尔乌素露天矿内排土场为工程背景，应用刚体极限平衡软件定量分析了内排土场堆叠至不同高度时的边坡稳定性及其潜在滑坡模式，采用数值模拟软件FLAC3D对内排土场边坡进行模拟分析，揭示了内排土场边坡的变形破坏形式及其滑坡机理。

以黑龙江鹤岗新岭露天矿东帮为工程背景，采用二维刚体极限平衡法与三维数值模拟方法，多角度分析其边坡稳定性，并根据计算结果，设计出最为合理的边坡形态。

1 边坡工程地质条件分析

新岭露天矿位于小兴安岭东南支脉向北延续的低山丘陵地带。地层为中生界白垩系上统石头河子组、石头庙子组。本区域煤系地层为中生界白垩系下统石头河子组、石头庙子组。其中第四系主要由粗砂、砾石、亚黏土、黏土、腐植土组成，总厚度20～220 m，不整合于下伏地层之上。含煤地层由灰白色砾岩、粗砂岩、灰白色中砂岩、细砂岩、深灰色粉砂岩、夹泥岩、凝灰岩和煤层组成。矿区内含水层主要为第四系孔隙潜水含水层及煤层承压含水层。由于矿区内曾小井林立，滥采滥掘严重，所以如今可采煤层大多为复采区，煤层内以往开采过的旧巷道错综复杂，煤厚也因此受到影响，煤层的顶底板多数区域存在断裂现象，裂隙较为发育。本区煤层顶底板为1 层极薄易碎的泥岩，在地下水的作用下，泥岩易软化，破坏其自身岩石结构发生变形，促使边坡发生以该弱层为底界面的切层-顺层滑动。主要对东帮边坡形态进行优化设计，各地层岩土体物理力学指标见表1。选取的边坡稳定性计算剖面如图1。

2 边坡稳定性分析

2.1 分析方法

极限平衡法是根据静力平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性[8]。分析岩体和土体稳定性时假定一破坏面，取破坏面内土体，为脱离体计算出作用于脱离体上的力系达到静力平衡时所需的岩土的抗力或抗剪强度，与破坏面实际所能提供的岩土的抗力或抗剪强度相比较，以求得稳定性安全系数的方法。国内常用的分析方法有：毕肖普（Bish-op）法、简布（Janbu）法、摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）法、萨尔玛（Sarma）法[9]等。为此采用二维极限平衡分析软件对新岭露天矿东帮边坡进行边坡稳定性分析。

表1 岩土体物理力学指标

图1 典型工程地质剖面

2.2 东帮边坡稳定性

新岭露天矿东帮地表已到界，服务年限较长且为露天矿重要运输道路，根据GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范的要求，综合确定东帮边坡的安全储备系数为1.2。计算了东帮现状边坡稳定性及优化后东帮边坡稳定性。东帮现状边坡稳定性如图2，边坡高度为141.1 m，边坡角度24°，稳定系数为1.33。优化后东帮边坡稳定性如图3，边坡高度148.3 m，边坡角度26°，稳定系数1.2。边坡稳定性系数随边坡角的变化曲线如图4。

由图2、图3 的计算结果分析出新岭露天矿东帮边坡的滑坡模式为以煤层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动。由图4 可知，当边坡角度逐渐加陡，东帮边坡稳定性随之减小，东帮边坡稳定性随边坡角的增大而减小，边坡安全隐患问题随之而来。因此最终确定东帮边坡角为26°时，其边坡稳定系数为1.2，满足相关规范的规定。此时的东帮边坡形态为最优形态。

图2 东帮现状边坡稳定性

图3 优化后东帮边坡稳定性

图4 边坡稳定性与不同边坡角度关系曲线

3 边坡数值模拟

边坡的稳定性评价从严谨角度来说，边坡发生滑坡属于空间力学问题，应该从三维的角度来分析评价。数值模拟分析中的有限元、有限差分等方法广泛应用于模拟岩体发生大变形过程中应力与应变的变化情况[10]。将利用FLAC3D软件建立三维模型对新岭露天矿东帮边坡的稳定性及其变形破坏机理进行模拟分析。选取边坡角26°时的东帮边坡进行数值模拟，与传统的极限平衡法比较FLAC3D强度折减的理论体系更加严格，相比来说强度折减理论更加全面的满足了静力平衡、应变相容，以及岩土体的非线性应力-应变关系。因此，利用FLAC3D软件的强度折减法原理，计算东帮边坡处于临界失稳状态时的稳定系数为1.21。数值模拟结果云图如图5。

图5 数值模拟结果

从图5 中可以看出边坡的滑动力主要来自于上覆岩层重力的分力产生下滑力，下滑力抵抗抗滑力在边坡的临空面产生位移。从最大位移云图及剪切应变增量云图可以看出，边坡整体稳定性较好，个别台阶位移较大且存在应力集中，在生产中通过控制台阶边坡角进而控制单台阶稳定性。从垂直应力云图可以看出，边坡在自重应力及泊松效应的影响下，随着埋深增加逐渐增大且顺着坡面方向呈层状一直延伸到坡脚处。东帮边坡的滑坡机理为：弱层由于受到上部岩体的挤压产生塑性屈服，当与上部岩体产生的裂隙贯通后，坡体内部滑动带形成，带动滑体发生剪切变化，即滑体沿着弱层的方向滑出。根据FLAC3D数值模拟软件的计算结果与极限平衡分析软件分析的结果相互印证。