新疆某露天矿外排土场分布对复合边坡稳定性影响机理

李 伟

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

露天煤矿边坡稳定性是矿山企业重视的首要安全问题。合理准确地进行边坡稳定性分析与评价是露天矿边坡工程中的重要前提，也是对边坡采取治理措施最有价值的参考依据。复合边坡是露天煤矿中较为常见的一种边坡形式，其复合结构是指上部人工堆积排土场和下部矿坑内的非工作帮[1-2]。形成这种形式的边坡主要是为了降低剥离物的运输费用，减少采矿的成本，提高企业效益[3]。但是这种排弃方式也存在着一定的安全隐患，因为矿坑边帮上部剥离物的堆载会给坑内边帮的稳定性带来影响，同时矿坑边帮的变形破坏也会造成上部排土场的滑动失稳，所以研究露天煤矿复合边坡稳定性及影响因素具有重要意义[4-7]。为此，以新疆某露天矿为例，将开采后的采场端帮与外排土场形成的复合边坡作为工程背景，采用有限差分软件FLAC3D从三维角度对复合边坡进行建模实现符合工程实际的边坡稳定性分析，确定外排土场的合理位置，尽可能的减小外排的运输距离，减小运输成本。

1 复合边坡的破坏机理与特征

露天矿外排土场的位置选择会影响复合边坡的结构及安全性，当外排土场位置过远时，边坡的复合结构不明显，虽然安全性得到了保障，但是剥离物的运输费用会随之增加，而且矿区的占地面积会大大增大[8]。当外排土场选择的位置能够与矿坑边帮构成复合边坡时，排土场产生的压力直接以静载荷的形式施加在了露天矿边帮的顶部，使矿坑边帮经历了开采卸载-堆积加载的应力变化过程。由于在对边坡煤层的开采和上部岩层的剥离已经造成了岩体内应力的重新分布，当再次进行堆积加载后，边坡岩体内的应力会增加，出现了再次重新分布[9-10]。这也是此类复合边坡极易发生滑动破坏失稳的原因。所以通常需要对矿坑边帮的承载力进行验证分析，防止由于外排土场与边帮距离过小，导致边帮所受静载超过了其承载能力，从而发生的滑坡事故[11-12]。

此类复合边坡的失稳特征一般都表现为下部边帮的提前破坏，再带动上部排土场的失稳破坏[13]。该特征的形成机理为下部边帮在上部荷载的高应力状态下，岩体内会有裂缝持续发育并贯通，当作为基底的下部边帮发生滑动破坏后，就会牵连上部排土场同时滑坡，由此构成一种复合破坏模式[14]。

2 复合边坡的滑动破坏的理论模型

理论模型主体上分为外排土场和端帮这两部分，此类复合边坡的破坏模式往往是外排土场呈现近似于竖直的圆弧滑面，而下部端帮的破坏模式近似于平面滑动。复合边坡理论模型如图1。

图1 复合边坡理论模型

外排时端帮在二维状态下的安全系数FS[15]：

式中：Fs为边坡的安全系数；W 为端帮滑体的重力；C 为端帮岩体潜在滑面处的黏聚力；为端帮岩体的内摩擦角；H 为端帮滑体的高度；β 为端帮潜在滑面的角度。

在进行外排后，外排土场与下部端帮的距离为d，假设当d=0 时，上部外排土场对下部端帮潜在滑体产生的压力为p，则当d≠0 时，压力p'=p-dhρg，由此可推导出进行外排后的安全系数Fs为：

式中：d 为排土场下部安全距离，m；p 为上部外排土场对下部端帮潜在滑体产生的压力；h 为排土场的高度；ρ 为排土场的密度。

由此可知，上部外排土场对下部端帮产生的压力p'直接降低了端帮的安全系数，一直增加到潜在滑动面上的黏聚力作用不再明显时，则黏聚力可以忽略不计，此时边坡达到了极限平衡状态，在外界不利因素的干扰下，就极易发生滑动失稳。从式（2）中不难发现可以通过增加外排土场与端帮的距离d 来减小压力值p'，当外排土场与端帮的距离d 增加时，会大大加强潜在滑动面上黏聚力抗滑作用在安全系数计算公式中的所占比例。

上述分析为未发生滑动破坏时，外排土场对端帮的作用效果。当端帮出现滑动破坏后，排土场的存在还会加剧边坡的破坏程度，因为此时的外排土场类似于一种悬臂梁的结构，外排土场内竖直的圆弧滑面会使滑体的下滑力远大于滑动面上的抗滑力，从而进一步降低边坡的安全性。

3 边坡模型的数值计算

3.1 复合边坡地质模型

通过地质条件调查发现，某露天矿区内的煤系地层均无含水地层，基本不存在涌水的问题，所以在建立边坡模型时不需对水的影响加以考虑。在建模时为了减少设置边界条件对边坡稳定性分析准确度的影响，特意扩大了模型的范围，在模型中加入了南端帮两侧的边帮，这样在固定模型x 方向上的两端边界时则不会对南端帮复合边坡位置产生影响，复合边坡地质模型如图2。该图所显示的为外排土场最底部台阶坡底线距离矿坑边帮顶部坡顶线50 m 的模型（简称距离50 m 的模型）。

图2 复合边坡地质模型

该模型内除去最上部外排土场分组，煤系地层包括5 种岩性的地层，各个地层的厚度以及力学参数见表1。

表1 复合边坡模型参数

3.2 数值计算结果

50、70、90、110 m 距离的模型位移云图如图3。

由图3 可以发现随着外排土场与南端帮距离的增加。边坡的变形量和变形范围在明显减少，而且滑动位置在向模型左侧移动，这是因为与外排南端帮相接的左侧边帮坡度较陡，而西帮的坡度较缓，当外排土场的压力作用显著时，边坡的破坏区域会集中在南端帮中部，并表现为复合破坏模式，随着外排土场压力作用的减弱，破坏区域则会向坡度大的东帮移动。其中距离为50、70 m 的边坡模型滑移模式为外排土场与矿坑边帮复合边坡的整体破坏，而且破坏范围较大，当距离增加到90 m 时，外排土场的“压力推移”作用不再明显，逐渐演变成南端帮自身的变形破坏。当距离增加到110 m 时，整个模型内的最大变形位置转移到了外排土场下方，该变形是由于外排土场自身压力造成的，基本不会对南端帮稳定性造成影响。

图3 排土场与南端帮不同距离所对应的边坡位移状态

排土场与矿坑边帮距离对应的边坡安全系数见表2。安全系数随着外排土场与矿坑边帮距离的增加也呈现了增加的趋势，距离从50 m 增加到70 m的过程中安全系数提升幅度小，当距离增加到90 m时，安全系数由1.13 直接提高到了1.25。

表2 排土场与矿坑边帮距离对应的边坡安全系数

为了获取不同距离下的边坡模型破坏情况，对构成复合边坡的每级台阶的坡顶线中间位置设置了监测点，来监测边坡的变形破坏情况，该位置通常为边坡的最大位移点。由模型可知，复合边坡有9 级台阶，其中矿坑边帮6 级，外部排土场3 级，共设置9个监测点，用来监测最危险边坡剖面位置的位移值。距离分别为50、70、90、110 m 的模型所得不同台阶中部监测数据如图4。

图4 不同台阶中部监测数据

根据所得监测数据可知，各个距离下的边坡模型位移监测数据变化趋势基本一致，其中外排土场距离矿坑南端帮50 m 的模型整体位移量最大，最大位移值达到了46 cm。距离为50 m 和70 m 的情况下，外排土场各个台阶位移量与矿坑南端帮位移量有着一定的差距，处于一种连续增长的状态，可见此时边坡的复合结构明显，破坏形式主要为复合边坡的整体滑移破坏。距离为90、110 m 的模型相比于50、70 m 的模型，监测点位移量处于了1 个相对较低的水平，7、8、9 级台阶的位移值几乎完全相等，结合表2 中安全系数的变化趋势，均表明外排土场边坡和矿坑边帮之间距离的增加弱化了边坡的复合结构，边坡的安全性得到了有效提高。

4 结语

对露天煤矿复合边坡的破坏模式以及形成机理进行了分析，明确了复合边坡在形成过程中的应力变化过程。推导出了二维状态下外排土场对端帮边坡稳定性产生影响的安全系数计算公式。使用FLAC3D软件对某露天煤矿外排土场与矿坑边帮复合边坡进行了边坡稳定性分析。通过建立外排土场与矿坑边帮距离分别为50、70、90、110 m 的三维数值模型，计算发现边坡的安全系数随着距离的增加也一直在增加，当距离为90 m 时，边坡的安全系数达到了1.25，此时边坡可靠性满足长期要求。结合模拟监测点位移数据研究发现，当距离超过110 m 时，边坡的复合结构变得不再明显，而且外排土场对矿坑边帮稳定性的影响较弱，因此可以认为设置外排土场的安全距离是110 m。