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伊宁弱胶结地层露天矿边坡稳定性研究∗

2022-02-01陈运财刘洪林王宏志曹文祥闫海天甄文元

新疆大学学报(自然科学版)(中英文) 2022年6期
关键词:坡脚安全系数倾角

陈运财,刘洪林,2†,王宏志,曹文祥,闫海天,甄文元

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017;2.新疆大学矿产资源生态环境保护性开采自治区高校重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830017)

0 引言

随着社会经济发展和物质生活水平提高,世界对能源的需求量呈大幅上升趋势.富煤、贫油、少气的国家能源结构特征,决定了在一定时期内煤炭仍是我国的主体能源.统计数据表明,截至2020年我国煤炭产量已达38.4亿吨,其中露天开采约占煤炭总产量的16%左右,在煤炭生产领域占重要地位.我国露天煤矿主要分布在内蒙古、新疆、山西、陕西等地[1],随着我国能源战略重心的西移,西部地区露天煤矿迅速建设投产[2].新疆位于我国西北部,煤炭储量占全国总储量的40%以上[3].新疆煤炭资源集中分布在准东、吐哈、伊犁、库拜四大整装煤田,普遍具有储量大、埋藏浅且煤层厚度大的特点[4],非常适合露天开采.然而,新疆成煤时期和气候条件特殊,煤系地层岩石胶结程度低,在降雨的影响下极易发生边坡失稳,对露天矿的安全生产构成极大威胁.

围绕边坡稳定性相关问题,国内外学者分别对岩石强度、岩体矿物成分、坡高及边坡倾角等方面展开研究,并取得了一定的成果.闫永平等[5]结合露天矿滑坡类型进行分析,发现在地质结构、岩石性质、人为扰动及自然条件的综合作用下,露天边坡发生不同程度损伤破坏.时旭阳等[6]对某露天矿岩石展开不同法向力下的直剪试验,认为低法向应力条件下岩石为塑性破坏,岩石裂隙倾角分布较广、裂隙面较为复杂;高应力状态下,岩石出现高倾角裂隙,岩石的破坏类型由脆性破坏向延性破坏转化.任月龙等[7]对哈尔乌素露天边坡展开研究,发现边坡稳定性存在时效性,并推导出了边坡时效性的计算公式.许俊凯等[8]分析人类活动、降雨对露天矿区高切边坡的影响.然而,新疆矿区的地质环境特征不同于其它地区,煤系地层成岩时间晚,成岩环境特殊,普遍具有胶结程度低、结构松散及力学性质差的特征,使弱胶结露天边坡变形大、稳定性差,边坡支护难度增加,新疆弱胶结地层边坡的变形机制和稳定性控制方法还有待进一步研究.

1 伊宁露天煤矿地质环境特征

伊宁属中国新疆伊犁哈萨克自治州,位于天山北部的伊犁河谷,根据国家地球系统科学数据中心的遥感数据及矿区气象资料,伊宁矿区雨水丰富,区域降雨具有短时强度大的特点(表1).伊宁矿区煤系地层由第四系松散层、侏罗系及三叠系组成,煤炭资源丰富且埋藏浅,适合露天开采.地层岩性主要以泥岩、砂岩、砂质泥岩、粉砂岩为主,由于地层成岩时间晚,普遍具有胶结程度低、结构松散、力学性质差等特征[9−12],在高强度降雨作用下,边坡岩土体力学性质大幅度劣化,稳定性迅速降低.

表1 伊宁矿区月均降雨量/mm

通过实地调研,皮里青矿区地质灾害主要为地表侵蚀、地下水污染及崩塌、滑坡、水土流失五个方面[13].然而,在众多灾害中崩塌和滑坡对地质环境的影响最大,原因是弱胶岩石亲水矿物的含量较多,空间结构松散,在开采扰动及降雨作用下容易发生强度弱化,导致边坡失稳破坏[14].

2 弱胶结地层边坡稳定性分析

2.1 边坡模型构建

皮里青露天矿北部端帮边坡最终境界设计为110∼240 m,台阶高度为10 m,最终边坡倾角为35˚左右.为了研究不同倾角和坡高下弱胶结露天矿边坡的力学响应特征,采用FLAC 3D数值模拟软件,基于Mohr-Coulomb准则,建立如下计算方案.方案1:模型高135 m、宽5 m,倾角分别为20˚、30˚、35˚、40˚.方案2:模型宽5 m、坡高增量20 m,边坡高度分别为30 m、50 m、70 m、90 m、110 m.本次边坡模型的构建,主要基于新疆弱胶结地层岩石力学参数[15−16],数值模型主要岩土体物理力学参数如表2所示.计算模型除坡面及顶面外,其余4面均采用位移边界法相约束,初始计算模型如图1所示.

表2 主要岩土体物理力学参数

图1 边坡初始模型

2.2 倾角对边坡稳定性的影响

通过对不同边坡倾角的计算模拟,对比图2(a∼d),可以看出倾角由20˚增加到40˚时,坡体剪应力升高并逐渐向坡脚处增大,边坡屈服面与剪力增量变化趋势相同,均呈现出弧状且在坡脚处最大,如图2(e∼h).

图2 不同倾角对边坡的影响

为衡量皮里青北部端帮边坡稳定性,以边坡安全系数为指标,由图3可知,当倾角由20˚增加到40˚时,边坡安全系数依次为2.56、1.45、1.25、1.07.基于边坡倾角的模拟结果,为实现矿山安全生产,尽可能提高煤炭资源回收率,本文认为皮里青北部端帮边坡倾角为35˚时较为合理.

图3 不同倾角下边坡的安全系数

2.3 坡高对边坡稳定性的影响

根据边坡倾角的计算结果,将模型倾角设置为35˚,分析相同倾角下不同坡高对边坡稳定的影响.由图4(a∼e)可知,随着开采深度增加,安全系数不断降低,剪力增量变化规律不明显,但在坡脚处最大.在剪力的作用下弱胶结岩体逐渐屈服,最终导致坡脚发生剪切破坏,如图4(f∼j)所示.

图4 不同坡高对边坡的影响

图5为不同坡高下边坡安全系数.由图5可知,坡高为30∼50 m时,安全系数下降速度较快.坡高为50∼110 m时,安全系数下降速度减慢.结合已有研究,岩体强度与埋深呈正相关[17],露天矿初期开挖阶段地层埋藏浅、岩石力学性质差,边坡的形变量较大.随着边坡高度增加,坡体深部地层占比增大,由于此类地层岩石强度大,不易发生变形,因此边坡安全系数降速逐渐减慢.

图5 不同坡高下的边坡安全系数

2.4 降雨条件下边坡塑性区的发育特征

皮里青露天矿日均最大降雨量为50.6 mm.为研究降雨条件下浸润线变化及边坡塑性区的发育特征,基于倾角和坡高的研究结果,采用GeoStudio软件中的SEEP/W模块,通过Morgenstern-price法,建立倾角35˚、坡高135 m、降雨边界条件50.6 mm的边坡模型.

通过降雨分析,对比图6(a∼d)的浸润线变化可知,稳定渗流(即未降雨)时,浸润线位于地下水位附近.降雨1 h时,浸润线逐渐升高并在坡脚处有水流渗出;降雨2 h时,浸润线高度由50 m上升至55.3 m,并在坡脚处有大量积水;降雨3 h时,浸润线提升幅度极小,原因是降雨持续到2 h时,浸润线高度超过坡底,雨水从坡脚处渗出,坡体水位无法继续上升.此后,随着降雨时长的推移,浸润线高度保持不变,坡脚积水增多.

图6 边坡浸润线变化

如图7(a)所示,边坡未受到降雨作用时,潜在滑坡面呈弧形且位于坡体较浅位置.当降雨强度为50.6 mm、降雨时长为48 h时,弱胶结地层边坡塑性区逐渐向坡体内部延伸,坡脚处有大量雨水渗出,如图7(b)所示.

图7 降雨作用下塑性区变化情况

随着降雨强度增大,边坡稳定性减小,安全系数由1.3下降至1.0(图8).边坡变形分为非饱和入渗、径流形成、饱和渗透及稳定卸压四个阶段,不同阶段下边坡的力学响应机制不同.

图8 降雨条件下的边坡安全系数

(1)非饱和入渗阶段.边坡通常处于饱和-非饱和状态,未受降雨影响时,远离地下水的坡体是非饱和状态.开始降雨时,由于边坡岩体十分干燥,雨水均被吸收.降雨持续一段时间后,浅层岩体逐渐饱和,雨水入渗量减少,非饱和入渗阶段结束.由于该阶段边坡受到的浸润时间短,岩体未发生强度弱化,故安全系数下降较小且降速缓慢.

(2)径流形成阶段.非饱和入渗阶段结束后,浅部岩体达到饱和,雨水入渗量减少.随着降雨时长的推移,雨水迅速在坡面汇集形成地表径流,在水流的冲刷下边坡的完整性遭到破坏,导致坡体应力分布不均匀,岩体变形量增加.

(3)饱和渗透阶段.在雨水长时间的浸润下,边坡深部岩体基本达到饱和,因为弱胶结岩体力学性质较为特殊,在浸润及冲刷的作用下岩石强度劣化严重,导致边坡的变形速度增大,安全系数由1.2降至1.1.

(4)稳定卸压阶段.该阶段降雨时间最长,但降雨强度小,从而水对边坡的补给量减少,岩体孔隙水压降低,岩石强度得到恢复.因此,边坡逐渐趋于稳定状态.

2.5 边坡安全系数的公式拟合

基于降雨条件下弱胶结地层边坡稳定性研究,得出降雨强度及降雨时长对弱胶结地层边坡稳定性造成严重影响的结论.根据伊宁矿区降雨资料,结合边坡安全系数的变化情况进行公式拟合(图9),具体为:y=−0.005 9x+1.302 6,R2=0.969 4;式中:y为安全系数,x为降雨时长.

图9 降雨公式拟合

根据上述公式,结合矿区实际情况,可对弱胶结地层露天矿边坡稳定性进行判定,为弱胶结地层边坡稳定性评价提供参考.

3 弱胶结地层边坡稳定性的控制方法

3.1 弱胶结地层边坡强度失效机制

根据现有研究结论,边坡的岩石强度直接反映其稳定性的大小.当岩体强度较大时,边坡的稳定性高;若岩体强度较低,则边坡的稳定性将大幅降低[18−21].边坡失稳主要受内部条件及外部环境的影响,其强度失效主要由于岩体在雨水浸润和冲刷下边坡的完整性遭到破坏,造成坡体应力分布不均匀,引起局部应力集中现象.若边坡岩体结构松散、力学强度低,例如弱胶结岩石,此类岩体在开采扰动作用下其空间结构易发生破坏,使其强度大幅度劣化,最终导致边坡失稳破坏.

3.2 弱胶结边坡稳定性的控制方法

基于3.1节所述的边坡失稳机制,本文认为边坡的稳定性影响因素主要为岩体力学性质及雨水的影响,因岩体性质不易改变,可通过削减外界环境的作用来提高边坡的稳定性.如图10所示,针对伊宁矿区降雨引发边坡变形的四个阶段,提出采用“防渗+锚固”相结合的边坡联合控制方法.

图10 弱胶结地层边坡的治理措施

针对前两个阶段,通过安装横向排水渠、竖向排水渠以及在各排水渠间铺设防渗膜,将雨水引入排水渠中进行集中排放,从而降低雨水对边坡的浸润和冲刷.针对后两个阶段,根据边坡的潜在滑坡面为弧形,为降低成本提高经济效益,提出在坡体两端采用锚杆支护、中部用锚索支护的方法来提高边坡的稳定性.

4 结论

针对弱胶结地层条件下边坡稳定性研究,分析倾角、坡高及降雨对其稳定性的影响,得出如下结论:

(1)通过对不同倾角的计算分析,认为倾角与剪应力成正比,与安全系数成反比.随着倾角的增加,剪应力升高并向坡脚处增大,最终导致坡脚应力超过岩石的极限强度,发生剪切破坏.

(2)相同倾角下,随着坡高增大,边坡应力变化与倾角应力变化呈相似的变形趋势,安全系数分为快速下降和缓慢下降两个阶段;坡高越大,边坡安全系数越小.

(3)通过降雨分析,认为短时强降雨导致边坡强度大幅度下降,边坡变形分为非饱和入渗、径流形成、饱和渗透及稳定卸压四个阶段,且降雨时间越长,边坡安全系数降值越大.

(4)针对伊宁矿区短时强降雨条件下雨水入渗、侵蚀弱胶结地层边坡,导致边坡完整性受损、安全系数降低的现象,提出采用“防渗+锚固”相结合的边坡联合控制方法.

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