黑岱沟露天煤矿倒堆台阶边坡破坏模式及稳定性评价

万国祥，贺 龙，刘东兵

（国家能源集团准能集团有限责任公司黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

边坡稳定性评价是保障露天煤炭企业安全生产的重要工作[1]。随着开采进程不断推进，边坡增高、角度加大，复杂程度增加。且边坡的稳定性是随着时间处在一个动态变化的过程。众多因素造成了边坡的不稳定，这给露天煤矿的安全生产带来了巨大隐患。

黑岱沟露天煤矿作为中国最大的露天煤矿之一，在边坡工程安全管理方面也面临着诸多挑战。对于该矿的边坡稳定性评价工作，历届领导都非常重视。矿区采取了雷达监测对矿区边坡情况进行精密监测[2]，同时安全生产制度上也制定了相应的制度保障，定期开展边坡稳定性评价工作[3]。这些措施使得黑岱沟露天煤矿的安全生产取得了显著成效。针对该地区的边坡稳定性研究工作较多，先后有很多生产单位和科研院所研究人员对全区或矿区某些重点部位做了边坡稳定性评价[4-8]，利用不同的方法，从不同角度，对矿区边坡稳定性进行了评价。由于边坡稳定性是动态发展变化的，故对边坡稳定性的评价研究也是持续的。

1 矿山概况

黑岱沟露天煤矿位于鄂尔多斯高原的东北部，内蒙古准格尔旗境内。目前，矿区面积约50 km2，查明煤炭资源储量大于14 亿t。矿区交通位置便利。气候干燥少雨、植被稀少。为典型黄土高原地貌。矿区出露地层主要为晚古生代地层及少量奥陶系亮甲山组，新近系上新统、第四系。矿区地质构造简单，主要有3 组近于平行的背向斜。矿区主要有6 条组合断层，但规模较小，对矿区整体影响不大。

岩性主要为陆相-海陆交互相石炭系-二叠系碎屑岩，以砂岩、砂砾岩、泥岩为主。大多数岩石呈层状，强度较高。多呈坚硬-半坚硬状态，局部可见硬度较小的薄弱夹层。在局部暴露遭受风化的地区，岩石碎裂程度高，岩体强度较差，在水力作用下，极易流失。地表出露第四系黄土，黄土为非自重湿陷性黄土。另外，分布有一定的盐渍土，盐分以氯化物为主，硫酸盐次之，含盐量普遍较高。

通常，黑岱沟露天煤矿稳定性评价涉及的区域包括首采区西帮、南帮，内排土场，阴湾排土场、排矸场、二采区南帮、北帮、工作帮等。选取倒堆台阶作为稳定性评价对象，倒堆台阶的存在有一定时间性，但由于其由松散岩体堆积而成，其稳定性直接影响采掘工作的正常接续。为此，选取布设在倒堆台阶边坡上的DD-1 剖面，来对该区域边坡稳定性进行数值模拟和稳定性分析计算。

2 边坡稳定性分析

2.1 数值模拟方法与岩土体力学参数

边坡稳定性影响因素很多[9]，根据黑岱沟露天煤矿历年工程地质勘查资料，目前该矿主要边坡稳定性影响因素为：岩土体力学性质、地表降水、堆置高度、基底承载和人为影响等。

应用FLAC3D有限差分数值计算软件[10]，选取布设在倒堆台阶边坡上的DD-1 剖面作为典型剖面来构建数值模型。通过计算并分析塑性破坏区分布图，确定出边坡潜在滑动部位与滑面形状，并据此评估边坡总体变形破坏趋势。计算中的岩体采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb 屈服准则描述。

数值计算结果的可靠度很大程度上依赖于计算模型的参数，边坡岩土体力学参数见表1。

表1 边坡岩土体力学参数

2.2 边坡变形失稳模式数值分析

为了对倒堆台阶边坡变形失稳模式进行数值分析，综合考虑研究区排土场边坡变形和地貌特征，选取倒堆台阶DD-1 剖面构建分析模型，倒堆台阶DD-1 剖面数值分析模型图如图1。

图1 倒堆台阶DD-1 剖面数值分析模型图

从图1 可以看出，整个剖面主要由2 部分组成：排弃物料和基岩。基岩成分主要为砂岩和少部分泥岩，基岩靠近地表的部分略风化；排弃物料主要为松散堆积的各种碎石以及沙土。从表1 中可以看出，基岩与排弃物在岩土力学参数上区别较大。模型沿边坡倾向长度为848.86 m，垂直高度为270.63 m。模型的前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后边界以y 方向位移约束，模型左、右边界以x 方向位移约束，模型的底部边界以z 方向位移约束，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。

倒堆台阶DD-1 边坡剪应变增量云图如图2，研究剖面边坡水平位移云图如图3，竖直位移云图如图4，剖面塑性区域分布图如图5。

图2 倒堆台阶DD-1 剖面剪应变增量云图

图3 倒堆台阶DD-1 剖面水平位移云图

图4 倒堆台阶DD-1 剖面竖直位移云图

图5 倒堆台阶DD-1 剖面塑性区域分布图

由图2 可知，受倒堆设计的影响，使得此处两侧剪应变集中程度明显（图中大部分内容），尤其是坡度最大的2 处坡面，应变增量最大，如果后面倒堆继续加高，发生崩塌、片落的可能性将大大增加。

由图3 和图4 可知，水平最大移量为24.60 mm，竖向最大沉降量达26.30 mm，该剖面倒堆位置处有局部片落的隐患。区域边坡体受降水、爆破和运输车辆震动、基岩面顺倾以及倒堆的存在等多种因素综合作用下在倒堆处存在大范围的塑性破坏区。

从图5 中可知，倒堆台阶塑性区域主要受剪切力控制，容易发生剪切破坏。结合现场的实际工况认为，塑性区域破坏的范围主要集中在倒堆两侧区域，松动滑动面呈楔形，与圆弧型滑动有一定的不同。在塑性区域较集中的位置易发生局部片帮和崩塌以及表层散体流动。但在倒堆两侧区域正常的情况下，倒堆台阶DD-1 剖面处边坡变形破坏模式为单台阶内部或排土台阶沿不良结构面的局部崩塌破坏。

2.3 边坡稳定性及边坡管理措施

采用极限平衡理论对倒堆台阶边坡稳定性进行分析。综合考虑目前研究区地质条件、边坡稳定的时效特性等信息，选取安全系数为1.10。DD-1 剖面边坡稳定性分析计算结果如图6～图9。

图6 DD-1 剖面边坡台阶1 稳定性

图7 DD-1 剖面边坡台阶2 稳定性

图8 DD-1 剖面边坡台阶3 稳定性

图9 DD-1 剖面边坡整体稳定性

结果显示：边坡整体稳定；局部台阶安全系数小于1.10 的规范要求。其中DD-1 设计边坡当中的台阶2，为倒堆区域，安全系数为0.85，不符合规范要求，存在片帮风险。安全系数较小的原因是倒堆台阶过高达到70 m。倒堆台阶区域主要构成为爆破后的松散岩体，设计的松散体坡角为50°，并未达到自调整形成自然安息角38°，因此无法满足安全稳定需求。

边坡管理措施如下：在倒堆台阶形成过程中松散体自调整（松散体滑落）形成自然安息角进而稳定，其自调整过程是一个缓慢、渐进的过程。在此过程中，如果没有明显的开挖卸荷行为，倒堆区域发生高速、大规模滑坡的概率较小，更多的体现为自调整过程中块体的滑落。考虑到该区域为临时边坡，且因工艺条件限制，边坡高度和角度调整困难，因此建议对该局部位置加强警戒，有条件时尽量放坡至38°，作业保持一定安全距离。

3 结语

1）倒堆台阶区域主要构成为爆破后的松散岩体等排弃物，设计的松散体坡角为50°，为土、岩混合，岩块为主，土体主要为岩粉。基底地层以砂岩为主，近水平赋存，无明显弱层，不含水。

2）倒堆台阶边坡受倒堆设计的影响，使得倒堆两侧剪应变集中程度明显，松动滑动面呈楔形，在塑性区域较集中的位置易发生局部片帮和崩塌，其变形破坏模式为单台阶内部或排土台阶沿不良结构面的局部崩塌破坏。

3）倒堆台阶边坡稳定性评价结果显示：边坡整体安全系数大于1.10，符合规范要求，边坡整体稳定；局部台阶安全系数小于1.10。推测局部安全系数较小的原因为设计的松散体坡角为50°，未达到自调整形成自然安息角（38°）。建议对该局部位置调整松散体的堆砌角度，并设置警戒，保持一定安全距离。