东明露天矿含软弱层端帮边坡稳定性控制方案优化

刘国栓，任 鹏，陈俊彬，高鑫浩，刘玉凤，李 坤，钟晓勇

（1.呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013；4.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

近年来，随着露天矿山开采强度和生产规模的不断推进和加大，在端帮区域极易发生片帮、滑坡和塌陷等一系列地质灾[1-2]；而含断层的岩土层中且夹带弱层的条件下，更进一步加大了边坡失稳甚至破坏，对矿山的高效生产构成了较大的安全隐患。如何针对此类边坡稳定性问题进行有效地分析、评价以及提出相关的治理措施，越来越受到当今专家、学者及矿山企业的重视[3-5]。考虑到弱层对边坡岩土层强度的作用，通过Geo-studio 建立该种条件下强度弱化过程中边坡稳定性变化规律的分析模型[6]；基于边坡三维计算模型，通过强度折减法和极限平衡分析理论对边坡高度和坡面角等参数进行优化，指导了矿山企业的安全、高效生产[7]。结合东明露天矿地质以及现场条件，研究了东明露天矿北帮西段在弱层及断层的共同影响条件下，对潜在滑塌区域边坡进行参数优化研究并提出相关的治理措施[8-14]。

1 研究区域工程地质概况

东明露天矿属于软岩边坡，具有变形量大和变形时间长的典型特征。矿区岩层以泥岩及砂质泥岩为主；垂直或斜交裂隙比较发育，胶结程度不均一，主要以软质岩为主。矿区煤层主要分布在白垩纪，煤层最大厚度32.98 m，平均厚度25.18 m，地层最大厚度178.08 m，一般厚度139.38 m，由于煤层的顶、底板均为泥岩或砂质泥岩，所以其固结或胶结较差，遇水膨胀，煤层的抗压强度变化幅度值较小，强度增加率为20%～30%。

工程地质调查与钻探结果表明，在北帮12-1煤层顶板上部及12-1煤层底板和12-2煤层顶板之间赋有泥岩弱层，结构松散，吸湿性强，抗剪强度较低，压缩性强，固结速率慢且具有流变性，受岩体自重及露天采矿活动的影响，其上部岩体极有可能沿该软弱层发生滑动[15]。研究区域--北帮典型工程地质剖面图如图1。

图1 研究区域--北帮典型工程地质剖面图Fig.1 Study area-typical engineering geological section of the north side

2 北帮边坡稳定性影响规律

2.1 岩土体强度参数

正是由于弱层的存在，同时受雨季降水的影响，导致弱层遇水发生膨胀，使得该区域边坡岩土体的强度参数有不同程度的弱化，加剧露天煤矿边坡沿弱层发生蠕滑的可能性。基于此，采用的岩土体物理力学性质指标是在以往岩石物理力学性质试验和土工程性质试验成果的基础上，结合此次室内测试分析并采用Hock-Brown 强度折减法和滑动反分析法计算获得，岩土体物理力学性质指标值见表1。

表1 岩土体物理力学性质指标值Table 1 Index values of physical and mechanical properties of rock and soil

2.2 弱层边坡数值模拟分析模型

在含有弱层的边坡变形过程中，坡体中岩土体强度首先会有一定程度的弱化，同时受爆破震动、矿用车辆运输等一系列矿山开采活动的影响，加剧坡体的变形，这一变形特征是通过微观应力场的变化特征来宏观体现的。为了探究该区域边坡受弱层影响所发生的变形规律，利用FLAC3D数值模拟软件构建含弱层边坡稳定性分析模型，基于研究区域边坡和工程地质特征，综合考虑东明矿北帮弱层对该区域端帮边坡稳定性的影响，建立的典型工程地质模型如图2。该边坡模型倾向长度为655 m，垂直高度为138 m，计算过程中采用的本构模型是摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度准则，并利用该准则对北帮区域的变形位移规律进行描述。

图2 典型剖面数值分析模型图Fig.2 Numerical analysis model diagram of typical section

2.3 数值模拟结果

典型剖面数值模拟云图如图3。

图3 典型剖面竖直位移云图Fig.3 Numerical simuation of typical section

由图3（a）剖面竖直位移云图可知，12-1煤层上部台阶，即粉黏土层和砂岩层下沉明显，最大变形量为28.8 mm，标高520 m 上部各个平盘台阶均发生了不同程度的沉降，且应力场主要集中在标高530～550 m 和标高570～610 m 这2 段范围内；从图3（b）剖面水平位移云可知，水平位移最大变形量为57.5 mm，其中标高530～550 m 并段台阶受弱层的影响较大，有发生局部区域向临空面滑动的趋势，而标高570～610 m 并段处一方面受下部台阶扰动的影响，另一方面受表层粉黏土本身特性和软弱层的综合影响，属于典型的软岩边坡，多重因素致使该区域有向临空面滑动的趋势。

由图3（c）典型剖面剪应变增量云图可知，含弱层边坡变形过程中，坡体原本的应力场会受到影响，在这种情况，坡体中的应力场会重新分布，在此过程中，应力场与变形场彼此相互对应，坡体的变形是通过应力场的变化特征来体现的，而坡体应力场是坡体变形破坏的主因；同时由于局部区域单台阶边坡角较大且坡面形状不规则，边坡上部砂砾层和泥岩台阶坡脚剪应变集中程度明显，影响范围在标高530～610 m，特别地，在标高540 m 处剪应变有明显的集中，经分析该位置处有1 个正断层，再加上软弱层的综合影响，致使该区域有沿临空面发生片帮的隐患。从图3（d）塑性区域分布图中可以看出，塑性区域主要分布的位置主要在软弱层上部，软弱层中塑性区域比较集中的原因是抗剪强度相对较低且压缩性较强，塑性区域较集中的区域易发生局部片帮和崩塌，为了保证工作帮（北帮）在正常作业过程中保持稳定，需针对此处采取一定的措施。

3 软岩边坡控制方案优化

3.1 软岩边坡现状

基于东明露天矿工作帮（北帮）及其下部软弱岩层影响区域边坡典型工程地质剖面图，建立极限平衡分析模型，输入计算所需的强度参数即黏聚力、内摩擦角和密度，再通过Geo-Slope 软件对现状边坡稳定性进行分析计算，得到极限平衡结果[15]。针对东明露天矿工作帮（北帮）岩土层现状，基于全面评价研究剖面边坡稳定的现状，并探明其演化趋势，确定边坡安全工作的重点区域；研究剖面边坡稳定性极限平衡分析计算结果如图4。Fs为边坡稳定性系数，Fs＞1.2 时边坡稳定，1.1＜Fs＜1.2 时基本稳定，1.0＜Fs＜1.1 时边坡存在一定风险，Fs＜1.0 时边坡不稳定。

图4 东明露天矿现状边坡极限平衡分析计算结果Fig.4 The current slope limit equilibrium analysis and calculation results of Dongming Open-pit Mine

根据现场工程实践，工作帮（北帮）原煤采掘过程中标高540 m 出现大范围裂隙，裂隙走向长度588 m，中心部分张开度0.4 m，平均断距0.42 m，经现场踏勘裂隙下方出现多处小范围裂缝，标高508 m 处，即12-2煤层底板出现潜在滑动带；该区域的不稳定应力场会逐步传递至上部台阶，造成多台阶联动失稳。基于极限平衡分析结果可以看出：研究剖面边坡岩土体标高510～540 m 范围内，相邻台阶发生局部滑动的边坡稳定性系数为1.05，小于安全储备系数，再根据现场的实际工况，边坡失稳的可能性将增加，故此，基于此种现状，在工作帮（北帮）区域需采取具有针对性的措施，确保矿山企业安全高效生产，同时保证边坡局部和整体的稳定性。

3.2 控制方案优化

目前，国内外关于边坡潜在失稳区域的治理措施主要有疏干排水、压脚、削坡减载以及加固等几种常用的方法[16-17]。综合考虑东明露天矿实际工况，在潜在失稳区域采取2 种治理措施，并提出相应且具有针对性的方案。

1）在潜在失稳区域采取削坡减载的处理方案。通过对下滑段采取削坡处理，达到减小边坡单台阶坡面角和减载的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，从而抑制坡体下滑[18]。通过放缓边坡消除剪出口的不平衡推力，使该滑坡的抗滑力与下滑力的比值，即该边坡的安全稳定系数大于安全储备系数，从而使其在设计工况下处于稳定状态。工作帮（北帮）边坡削坡减载后简化模型和分析结果如图5。工作帮（北帮）削坡减载后，整体稳定系数为1.55；考虑到地下水作用下煤层顶板和底板泥岩影响下，潜在危险区域边坡稳定系数为1.18 和1.22，标高为530 m 平盘处的坡体稳定性系数为1.18，小于安全储备系数，主要是弱层对上部边坡的影响无法彻底消除。因此，削坡减载虽然即优化了边坡剖面形态（降低坡面角，增强坡面稳定性），又能够采出一定量的12-1煤，提高了采出率；但由于矿区边坡属于典型软岩边坡，主要受软弱层控制，该种方案即使能保持边坡暂时的稳定，但煤层底板软弱夹层的存在，且发生错动将再次导致边坡岩体应力释放，引发后缘边坡的下滑，北帮滑坡按力学条件分类属于牵引式滑坡，滑坡发展主要受前缘弱层控制。削坡减载只是降低了下滑力，削坡后对边坡稳定性有一定效果但不明显，并不能从根本上改变边坡整体下滑的趋势。

图5 工作帮（北帮）边坡削坡减载后简化模型Fig.5 Simplified model and analysis results of working side（north side）slope cutting and load reduction

2）在潜在失稳区域采取削坡减载和压脚相结合的治理方案。在潜在滑动层位采用排土压脚的方法，一方面使得边坡下部区域岩土体自重增加，提高滑坡区域的整体抗滑力；同时，排土压脚可以消除潜在滑体剪出口处的自由面，在一定程度上起到了抑制潜在滑体沿原始滑裂面剪出口移动的效果，因此，削坡减载+压脚排土可提高边坡的整体稳定性。工作帮（北帮）边坡削坡减载+压脚后简化模型和分析结果如图6。工作帮（北帮）采取削坡减载+压脚综合治理措施后，整体稳定系数为1.93；相较于仅采取削坡措施标高为530 m 平盘处的坡体稳定性系数为1.21，大于安全储备系数，在一定程度上降低了软弱层对其上覆边坡稳定性的影响，且此时的530～550 m 范围内台阶坡面角为19°相较于削坡前减少两度，进一步降低边坡发生滑坡的风险。本文采取削坡减载+压脚不仅优化了边坡剖面形态（降低坡面角，增强坡面稳定性），又能够保证开采的安全高效进行，随着12-1煤和12-2煤的开采，要及时跟进压脚；此种方案虽然在标高540 m 上部由于削坡而产生一定量的物料，但可将其堆放至标高500 m 处的上部台阶，不仅能够降低削坡的费用，又能保证标高510～540 m 范围内坡体的稳定，具有可观的经济效益。

图6 工作帮（北帮）边坡削坡减载+压脚后简化模型Fig.6 Simplified model and analysis results after working side (north side) slope cutting and load reduction +presser foot

2 种方案整体和典型位置处Fs对照值如图7。通过方案分析并基于极限平衡计算结果，2 种方案都能保证该回采区域的边坡稳定性，但结合现场工况以及实际地质条件，降雨、爆破振动等外部因素同内在因素，如软弱夹层共同使得原本已扰动的岩体强度进一步降低、结构更加松散，单一采用削坡方式无法很好地保证安全高效的生产，削坡减载方案具有一定局限性。故此，采取削坡减载+压脚方案不仅能够弥补削坡减载方案中的不足，而且能够保证矿山企业安全高效的生产。

图7 2 种方案整体和典型位置处Fs 对照值Fig.7 Fs comparison values at the overall and typical positions of the two schemes

4 结 语

基于东明露天矿工作帮（北帮）边坡工程地质与现场条件，建立工程地质模型，采用数值模拟分析软件FLAC3D和极限平衡分析软件GeoStudio--SEEP/W 分别研究了含弱层影响条件下端帮边坡变形失稳机理和岩移规律。提出含软弱层边坡稳定性的控制方案：削坡减载和削坡减载+压脚，基于Geo-slope系统软件对2 种方案计算的计算结果，并结合矿区工程地质条件，通过对比分析削坡减载+压脚2 种方式相结合的方案，不仅能够降低软弱夹层对上覆边坡稳定性的影响，又能够增加回采率，具有相当客观的经济效益，成为当前治理该区域边坡变形失稳的方法。