平朔东露天矿边坡变形机理分析及稳定性控制措施

2021-10-05李桂艳

露天采矿技术 2021年5期

李桂艳

（中煤平朔集团公司露天工程服务分公司，山西朔州 036006）

在露天矿生产中，采场边坡的稳定性是矿山能否正常生产的关键因素之一，露天煤矿边坡最常见的破坏形式即为滑坡[1-2]。导致边坡出现滑坡的影响因素众多，可将众多影响因素大致划分为2 类，即外在因素和内在因素；内在原因主要为地质构造、采矿活动、水文地质条件等，外在原因主要有边坡受到冰冻、雨雪以及日晒等[3-4]，另外人们在边坡技术管理方面弱也是造成边坡滑坡的原因。为保障采场边坡的稳定，避免边坡滑坡事故的出现，对提升矿山经济效益安全性具有重要意义。为此，根据平朔东露天矿的地质特征和开采条件，采用数值模拟进行北帮和南帮变形机理的分析，采用理论分析与现场实测的方式进行边坡稳定性的评价。

1 工程概况

中煤平朔集团有限公司东露天矿开采4#煤、9#煤和11#煤，目前矿山已开采至11#煤层，矿坑最大深度已经超过250 m，且随着开采工作进行，首采区向西侧推进，南帮及北帮潜在不稳定边坡逐渐揭露，根据井田地质资料可知，北帮榆岭村区域，随着采剥作业逐渐推进，将在该处形成近60 m 高的土质边坡，这对上方榆岭村村民的安全将构成极大威胁；南帮向西继续推进，煤层底板逐渐走低，形成的边坡越来越高，且该处边坡向西上覆土层越来越厚，存在较大不稳定隐患，因此，对采场内北帮和南帮的稳定性进行分析与评价势在必行。

2 边坡变形分析

2.1 横数值模拟模型

为有效分析采场在现有开采条件下北帮和南帮边坡的变形机理，现采用FLAC3D数值模拟软件进行变形的模拟分析，基于极限平衡法和现场实际进行分析，数值模拟模型图如图1。

图1 数值模拟模型图

北帮边坡变形机理选用北帮1-1 剖面进行研究分析，边坡模型如图1（a），边坡岩土体主要包括粉土、粉质黏土、砂岩、泥岩、泥砂岩互层及煤层，模型尺寸为940 m×150 m×280 m；南帮边坡变形机理选南帮用3-2 剖面进行分析，边坡模型如图1（b），岩土体主要包括粉土、粉质黏土、软弱层、砂岩、泥岩、泥砂岩互层、破碎带及煤层，模型尺寸为150 m×800 m×314 m，模型中各岩层物理力学参数根据现场取样试验结果进行赋值，模型边界条件为底部固定、左右和前后边界分别固定x 和y 方向的位移。

2.2 北帮变形机理分析

模型建立后先进行初始地应力的平衡，当应力平衡后进行开采作业，开采至现状边坡，然后计算至平衡，由于边坡开采、卸荷效应引发了位移、塑性区状态和最大剪应变等变化，北帮1-1 剖面开采到现状后计算收敛，北帮开采到现状水平应力计塑性区分布图如图2。

图2 北帮开采到现状水平应力计塑性区分布图

由图2 可以看出，北帮边坡最大水平位移发生在粉质黏土层区域，约42 cm，明显大于边坡其它区域，表明上部土层边坡稳定性较差，需加强监测，必要时需采取一定处治措施；坡面部分塑性区分布较多，很少部分存在于采场深部，表明边坡局部稳定性状况较差，建议将上部台阶削坡放缓；另外根据边坡最大剪应变增量云图可知，边坡仅上部粉质黏土层出露地表局部存在较大剪应变增量，表明该处相对变形较大，而其它区域相对变形都较小。

综合上述计算结果，并结合现场实际，当前状态下北帮1-1 剖面采场处边坡整体是稳定的，但粉质黏土层边坡较陡、变形过大，有局部失稳可能，需加强监测，必要时采取处治措施。

2.3 南帮变形机理分析

南帮边坡变形的模拟过程同北帮，根据数值模拟结果能够得出开采到现状，计算能够自动平衡，南帮边坡水平位移云图如图3。

图3 南帮开采到现状水平位移云图

由图3 可以看出，南帮1 380 m 水平平台以上至1 420 m 水平平台的土质边坡位移相对较大，位移较大部分呈圆弧形滑动，这即表明土质边坡不稳定；坡面塑性区主要集中在1 380～1 420 m 水平平台的土体处以及下部台阶处，局部台阶已经产生破坏，产生剪切破坏，边坡稳定性较差。另外根据南帮剪应变增量云图可知1 350 m 水平平台以上局部存在较大剪应变增量，表明该处相对变形较大，而其它区域相对变形较小。

综合上述计算结果，并结合现场实际，当前状态下南帮3-2 剖面采场处边坡整体不稳定，且1 350 m水平平台以上变形过大，有失稳可能，需加强监测。

3 边坡稳定性评价与控制

3.1 评价理论方法的选取

为有效分析边坡的稳定性，结合目前国内外众多边坡稳定性的评价方法，结合平朔东露天矿的地质条件，确定采用简化Bishop 法记性边坡稳定性的评价，根据现有的边坡稳定性极限平衡分析方法，结合井田地质条件，确定本次选取极限平衡法-Bishop 法进行边坡稳定性评价。该法是采用圆弧滑裂面，通过力矩平衡条件进行稳定性求解，另外该法在进行土条底部法向力分析时，考虑条间作用力在法线方向上影响，以使分析结果更精确[5-7]。具体其初步判别标准为：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，边坡基本稳定；③边坡安全系数小于1.10，边坡不稳定。

本次对于东露天矿北帮和南帮边坡稳定性的评价，在初步判别的基础上，综合考虑滑面形状、边坡岩土层分布、软弱结构面产状及平朔地区类似工程经验等，最终给出边坡稳定性的综合性评价。

3.2 边坡稳定性评价结果

1）北帮边坡稳定性评价。本次北帮稳定性边坡稳定性分析选取北帮1-1 剖面，进行采场和排土场现状边坡稳定性状况分析，对性质较均一土层边坡采用圆弧滑动面分析方法，对下部岩石边坡采用折线滑动面分析方法。北帮现状边坡上部以粉土和粉质黏土为主，计算采用圆弧滑动面分析，北帮1-1剖面现状边坡圆弧滑动面分析结果如图4，最小安全系数为0.829，边坡最不稳定区域主要位于1 380 m 水平平台以上，局部单台阶坡角达70°，台阶过陡，这是边坡的主要危险因素。此外，榆岭十户下方的1 410～1 430 m 水平台阶安全系数为0.938，边坡也不稳定。

图4 北帮1-1 剖面现状边坡圆弧滑动面分析结果

2）南帮边坡稳定性评价。东露天矿对南帮滑坡区进行了一系列削帮工作，削坡作业主要在1 390 m 水平以上，1 400 m 水平上部土体已经基本削除至征地边界。对削坡后现状进行分析。现状边坡上部以粉土和粉质黏土为主，计算首先采用圆弧滑动面分析。此外，由于南帮土体已经发生过滑动，形成了软弱滑移面，因此需要分析滑体发生整体滑移失稳的可能性。对滑体进行沿滑移面滑动分析，本次南帮边坡稳定性评价主要选取3-2 剖面进行分析。南帮3-2 剖面沿圆弧滑动面分析计算结果如图5。由图5（a）可知，最小安全系数为0.761，边坡最不稳定区域主要位于1 350 m 水平平台的土岩交界面。发生局部单台阶失稳乃至土层边坡整体失稳的可能性大。由图5（b）可知，滑体整体安全系数为1.175，处于基本稳定状态，矿山削坡治理对稳定性有较大改善。

3.3 边坡稳定性控制对策

根据采场工程地质测绘、工程钻探以及对各边坡极限平衡和数值模拟分析的结果，同时结合《煤炭工业露天矿设计规范》等相关规范[8-10]，标示出采场边坡的潜在不稳定区域。北帮边坡潜在不稳定区域位于榆岭十户下方及东侧半连续运输机道上部土层；南帮主要不稳定区域仍位于原滑坡区域。

1）北帮不稳定区域控制对策。北帮榆岭村下方边坡的不稳定区域主要位于采场上部，该处的土质边坡高近60 m，且局部过陡，建议对1 380 m 水平平台以上区域有针对性地加强对土层的监测，必要时可采取一定处治措施，如放缓上部土坡的单台阶坡面角。为保证北帮1-1 剖面处边坡半连续运输机道的正常作业，建议对上部土坡加强监测，必要时需采取一定处治措施，提高边坡稳定性。南洼村排土场朝着矿坑方向不易过排，建议排土场与采场的安全距离(排土场距采场1 380 m 水平平台水平距离)取值大于200 m。

2）南帮不稳定区域控制对策。针对目前南帮裂缝外扩、单台阶片帮及底鼓的现象提出铺垫碎石压坡脚的处治建议，南帮滑坡体削坡减载，将1 360 m水平至1 400 m 水平台阶削成1 个大斜坡。对1 410～1 430 m 水平单台阶采取回填护顶措施，封住裂隙，防止雨水灌入裂隙使滑面向南移动；当碎石铺满整个1 360 m 水平平台时，将碎石坡道向坡内平移，远离1 360 m 水平平盘开口线，在1360 m 水平平台置留出一定的缓冲平台，根据折线计算结果观察，最少约需空出10～20 m 距离。铺垫高度控制在10 m 较经济合理。