露天矿多软弱夹层边坡变形机理与形态优化研究

2021-07-06刘博文王振伟

煤炭科学技术 2021年6期

田宇，张波，刘博文，王振伟，魏真，闫杰

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054；2.华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天矿，内蒙古呼伦贝尔 021134；3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；4.北方工业大学，北京 100041；5.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013)

0 引言

露天矿山开采过程中边坡失稳滑坡严重影响着现场采矿生产和工作人员的安全，由于边坡失稳滑坡造成重大人员伤亡、巨大经济损失和工程受阻的事件频繁发生，因此边坡稳定是保障矿山安全高效生产的基本条件[1]。对于露天矿山软岩边坡而言，含多弱层控制的复合边坡，因其岩土体力学指标很差，特别是在构造及地下水作用下易发生软化、泥化，强度降低，通常成为边坡发生滑坡的主滑动面。边坡体内部总是存在有软弱结构面，这些结构面的分布及其组合特征决定了其工程地质性质和力学性状，在一定条件下将会成为控制边坡变形破坏的关键因素，容易诱发边坡滑坡失稳[2-4]；尽管国内外不少学者采用二维极限平衡法对露天采场边坡形态进行设计，但是大多无法考虑到不同埋深地层岩性条件和各弱层发育形态上的差异，使得矿山开采中还未降深至坑底时就沿浅部弱层发生滑坡，对矿山安全高效的生产影响较大[5-6]，因此如何针对复合边坡露天矿采场边坡形态优化成为边坡工程领域亟待解决的难题之一[7]。

综上所述，研究采用刚体极限平衡法与数值模拟相结合的手段，以伊敏露天煤矿端帮顺倾边坡为研究对象，研究多弱层顺倾边坡的潜在滑坡模式及稳定性变化规律，对最终边坡坡面形态进行优化设计，确保端帮到界边坡的安全及煤炭资源采出的最大化，为类似边坡工程的滑坡防治提供参考。

1 工程背景

矿区位于伊敏向斜轴部及东南翼，主体为一不完整的走向北东、倾角3°～8°的宽缓向斜，构造发育，该区内岩体以泥岩、半成岩状态砂砾岩和砂岩为主，大部分岩体属于软岩，泥质胶结，胶结程度较差，力学指标较低，一般均小于5.88 MPa，岩石尤以泥岩最软，煤层硬度远大于岩石[8-11]。该地层发育多层软弱夹层，岩层分布不规律，且由于断层构造因素，边坡体中的软弱夹层相对边坡顺层，且倾角很大，最大倾角可达11°，极易发生沿软弱夹层的顺层滑动。

随着开采推进，矿山目前正处在由二采区向三采区有序过渡阶段，届时在三采区西北向形成的端帮位于断层构造发育带，发育的主要断层有F1、F5两条正断层，断层走向基本和边坡走向一致，倾向相对边坡反倾。同时，该区地层、岩层岩性和软弱夹层赋存情况等工程地质特征也影响端帮边坡的稳定性，与端帮最终边坡角的确定有着直接关系。选取该端帮典型地质剖面，建立边坡工程地质模型如图1所示，该剖面地层软弱夹层参数见表1。

图1 边坡工程地质简化模型Fig.1 Slope engineering geology simplified model

表1 软弱夹层参数统计 Table 1 Weak interlayer parameters statistic

2 顺倾边坡变形破坏分析

2.1 模型建立及参数选取

三采区端帮随着剥采工程计划呈现动态变化，选取三采区端帮最初规划的原设计边坡作为研究对象，利用CAD-ANSYS-FLAC3D程序以三采区端帮最初规划的原设计边坡剥采平面图建立边坡计算模型[12-15]，边坡坡面倾向长度为1 464 m，原设计边坡角22°，计算模型如图2所示。

图2 边坡计算模型Fig.2 Slope finite element model

在工程地质勘查及试验时发现，矿区岩体整体边坡含软弱层较多，岩性整体较软，强度指标较低，可塑性强，根据边坡的岩土体特征，模型中岩土体材料均采用Mohr-Coulomb模型来进行描述，边坡模拟计算选择的岩土体的本构模型为弹塑性，其中边坡模型网格共划分为18 957个节点，88 955个单元；研究所采用的各岩层岩石力学参数依据表2选取。

表2 岩土体物理力学指标Table 2 Physical and mechanical indexs of rock and soil

2.2 模拟结果分析

计算模型最大不平衡力如图3所示，计算模型在只考虑重力作用的情况下进行的初始地应力弹性求解阶段和本构模型为Mohr-Coulomb模型的弹塑性二次求解阶段，最大不平衡力曲线都收敛，趋近于0，这表明此时计算模型处于极限平衡状态。

图3 最大不平衡力曲线 Fig.3 System imbalance force evolution curve

位移场图中的位移矢量图中边坡上、中部位移矢量与岩层倾向近似平行，方向指向坡面，坡底下部靠近坡脚位置临空面处位移矢量表现为“剪出”，整体表现为顺层滑动趋势(图4a)。

图4 边坡位移场 Fig.4 Displacement field diagram of slope without water

由图4b、图4c可知，边坡总位移变化趋势与水平位移基本一致，坡体在自身重力与内部地应力影响下，边坡体逐渐自上而下发生沉降，内部低强度处发生剪切破坏，整体边坡变形以水平位移为主，边坡中部段近乎与岩层平行顺层滑动，边坡前缘沿坡面处沿F1和F5断层邻空面处剪出，并伴随有挤压、拉裂现象，最大水平位移出现在坡底F1和F5断层邻空面处，位移为0.996 m，由此可知，F1和F5断层带虽然相对边坡逆倾，但2个断层相对距离只有60 m左右，2个断层间的岩石经过巨大的构造应力，岩石破坏严重，力学强度降低，尤其处于边坡抗滑段，对边坡的稳定不利破坏，随时间不断积累，坡脚断层带处形成剪切破坏带，其与弱层贯通后，边坡潜在破坏面形成，位移变形将加速；结合图4d剪应变增量云图可知，土岩边坡破坏主要由剪切应变引起，风化薄煤层及煤层煤顶板处泥岩夹层处剪切应变增量明显，边坡内部在自身重力作用下发生剪切破坏，边坡整体沿软弱层滑动，主要沿边坡内部弱层④与弱层⑤区域出现滑动，在边坡中下部区域弱层⑥处也出现明显的位移变形，其与坡底剪切破坏层贯通，形成最危险潜在破坏面，破坏体自坡脚剪出，这表明边坡的潜在破坏以受弱层控制的顺层剪切破坏为主。

边坡应力场中的主应力等值线平滑，呈层状均匀分布，主应力等值线基本上顺着坡面方向并一直延伸至坡脚，并且由上至下应力值逐渐递增(图5a、图5b)。由图5a、图5b和图5c可以看出，边坡坡顶处有拉应力产生，在岩土分界面附近区域以及断层带附近区域发生突变现象，使得其附近区域的最大主应力变化大而且迅速，会产生一定的应力集中效应，边坡整体受软弱夹层及断层带作用明显，不利于边坡稳定。主应力分布特征表明，边坡整体主要受垂直方向的压应力作用，表现为受压屈服状态。由图5d中剪切塑性屈服区域的分布可以看出，沿④、⑤号软弱层和断层构造带处均出现塑性变形区域，软弱层与坡脚断层带有逐渐贯通趋势。

图5 边坡应力场Fig.5 Stress field of slope without water

2.3 边坡稳定性计算

基于极限平衡理论的Morgenstern-price法来计算分析受软弱层控制边坡的稳定性，用稳定系数Fs表示该边坡的稳定性[16-17]，分析各弱层对边坡的影响程度，从而对后续边坡坡面形态优化提供参考依据。

2.3.1 边坡稳定系数选取

边坡稳定性计算安全储备系数的选取，主要依据研究区边坡类型及对边坡工程地质条件的认知程度。根据矿山实际情况，按照矿区边坡采剥计划可知，三采区端帮边坡属于非工作帮，随着采矿推进，内排压脚随之跟进，服务年限小于10 a，属于临时边坡，依据《煤炭工业露天矿设计规范》规定，选取边坡稳定系数为1.2。

2.3.2 计算结果分析

由表3边坡稳定系数(Fs)结果可知，原设计到界边坡稳定性计算结果很不理想，受弱层控制的边坡稳定系数较低，不能满足安全要求。其中，除了弱层①控制的边坡稳定系数为1.524以外，其他弱层控制的边坡稳定系数均远小于1.2，弱层④、⑤控制的边坡稳定系数最低，分别为0.781和0.740，分析其原因是该两层岩性为炭质泥岩，弱层分别位于7号煤层下25～34、32～46 m，岩层倾角较大，为10°～11°，边坡极易出现沿弱层④、⑤出现顺倾式整体滑移失稳，这与边坡变形破坏分析结果相符合。

表3 边坡稳定系数结果Table 3 Results of slope stability coefficient calculation

3 边坡坡面形态优化

3.1 优化设计思路

对于端帮到界边坡坡角优化的前提是在确保原设计坡顶位置不变的情况下，采用分段优化的方式，对边坡角进行优化，主要分为3个步骤：①首先根据调整的边坡角度保证中上部弱层控制的边坡稳定系数满足1.2的安全储备要求；②由上条中对整体边坡角度调整优化后，边坡底部弱层控制的边坡稳定系数就会有所富裕，为采出更多煤炭资源，再次通过优化边坡下区段坡角，使底部弱层控制的边坡在满足安全储备要求的前提下更加接近经济边坡；③形成上缓下陡的一致，对边坡底部较陡前缘区段边坡进行验算，保证安全[18-20]。

3.2 优化结果分析

3.2.1 边坡整体坡角优化

首先，对边坡整体坡角进行调整，调整边坡角度依次为11°～15°，计算边坡调整至各角度下的稳定系数，边坡整体坡角与稳定系数关系曲线如图6所示。根据边坡坡角调整后计算结果，整体边坡角与最小稳定系数近似呈线性关系。当边坡坡角调至12°时，边坡稳定系数均大于1.2。其中，中上部③、⑤号弱层控制的边坡稳定系数最小，底部弱层⑥、⑦控制的边坡稳定系数分别为1.513和1.838。

图6 整体坡角与Fs关系曲线Fig.6 Curves of overall slope angle and Fs

3.2.2 边坡下区段提角优化

为减少压煤量，采出更多煤炭资源，在保证安全的前提下，进行边坡下部坡角优化，优化以F5断层为界，在保证F5断层以上区段坡角不变的情况下，调整F5断层以下区段边坡坡角，分别计算了边坡下部区段坡角为13°～25°的边坡稳定系数，来提高整体边坡角的方式进行参数优化。

下区段坡角与稳定系数关系曲线如图7所示，可知边坡下部区段稳定系数随着坡角的增大而逐渐减小，边坡下部区段坡角由13°提高至25°时，号弱层⑥、⑦控制的边坡稳定系数分别由1.513、1.838减小至1.274、1.792，稳定系数下降幅度较小，对整体边坡的稳定性影响变化不大，能够满足稳定系数不小于1.2的安全储备要求；但是将F5断层以下区段前缘局部边坡坡角由13°提高至25°时，稳定系数从1.521减小至0.992，降低了34.78%，对边坡稳定性影响变化较大。这是由于在边坡坡角不断提高的同时也伴随着的形成，岩体自重作用下的坡面F1和F5断层带处于边坡下部抗滑段，岩石发生剪切破坏，力学强度降低，断层带对边坡的支挡作用明显减弱，不利于边坡稳定。