井工采动对排土场边坡稳定性影响研究

孙典卓

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100176）

随着我国能源需求量的日益增加，露天转地下井工开采便成为常见的开采方式之一[1]。相比于地下开采，露天矿山安全高效生产的关键在于保证边坡的稳定，而滑坡是露天生产中最常见的边坡破坏形式[2-4]。井工开采会造成围岩应力改变，这一改变过程会导致岩体的完好性与完整性受损，对边坡的稳定性造成了一定的影响[5]。为研究井工开采扰动对露天矿边坡稳定性的影响，我国国内学者进行了大量的研究。侯鹏[6]通过数值试验对顺、逆坡开采下端帮边坡稳定性进行了研究分析，顺坡开采更加有利于保证边坡稳定性，同时预留保安煤柱可显著降低顶板下沉量；韩亮[7]以安太堡为研究背景，使用FLAC3D数值软件研究了换界开采条件下南帮破坏模式，并采用GEO－Slope 进行了南帮稳定性分析；杨宇江等[8]利用FLAC3D软件研究了地下采深对露天边坡岩体的应力场、位移场及塑性区的影响规律，随着地下开采深度的增加，保证覆岩处于稳定标高，可显著优化露天边坡塑性区与应力场的分布状态，有效控制围岩变形，预防边坡破坏；徐帅等[9]采用PFC 与FLAC 数值软件进行了地下开采方法对露天边坡稳定性计算，表明了进路充填采矿法的可行性；王韬等[10]以黑岱沟露天矿为背景，通过数值试验和理论分析了开挖卸荷条件下露天边坡的稳定性，得到了边坡应力与变形特征；袁远等[11]采用GEO－Slope 程序对安太堡露天矿排土场边坡进行了稳定性研究，分析了边坡破坏规律，并针对性地提出了压脚措施，有效控制了变形范围，保证了矿山排土场边坡的安全稳定。基于此，对安家岭露天矿井工采动对排土场边坡稳定性的影响进行研究。

1 工程概况

安家岭露天矿南北长9.5 km，东西宽5.3 km，边坡高度达200 m 左右。井工矿井田位于安家岭矿的南北两侧，由露天矿不采区、上窑采区以及太西采区构成。其中上窑采区呈不规则的多边形，东西宽1.7～2.3 km，南北长1.7～2.65 km。区内地质结构简单，无断层。岩层产状平缓，呈近水平缓倾斜分布，倾角一般在2°～5°，局部达12°。端帮边坡从上往下依次为黄土层、砂岩层，4＃和9＃煤层。上窑外排土场为长条形状，1 条带式输送机走廊将其分为东、西2 部分；最大排高140 m，东区最大排弃标高1 455 m 水平，西区最大排弃高为1 430 m 水平；排土场边坡由黄土构成，其中黄土带有少量岩石。

露天矿区水文地质条件简单，煤系地层之底板岩性多为含黏土质的页岩和砂页岩，都为隔水岩层，露天矿的底部不会有水突出。井工矿主要采4＃、9＃以及11＃煤层。4＃煤层位于上窑采区，埋深70.82～343.42 m，平均221.85 m，采用斜井开拓方式，煤层赋存稳定，构造简单，厚度为12 m，直接顶岩性为砂质泥岩、粉砂岩。

2 数值模似

选取有代表性的A－A＇、B－B＇ 2 个剖面，其中A－A＇断面边坡紧邻铁路环线，为上窑排土场西南部典型剖面；B－B＇剖面位于上窑区，纵切安家岭露天矿南帮和西排土场。所选取的2 个剖面能比较全面地反映出井工采动对露天矿端帮和排土场边坡稳定性的影响，剖面具体位置如图1。FLAC 边坡数值模拟分析的岩体力学参数及支护材料参数取值见表1。

表1 边坡岩土材料物理力学指标

图1 剖面位置平面图

2.1 FLAC 数值分析

井工采动主要影响包括上窑排土场边坡和露天矿边坡。使用FLAC 软件在A－A＇剖面建立数值试验模型，模型高500 m，长2 500 m，共划分为21×44＝924 个有限元网格。模型底部设为全约束，侧面设为水平约束。研究只将岩土体自重应力考虑在内，并认为边坡开挖已经完成，着重研究井工开采扰动条件下边坡岩体变形破坏特征。开挖模拟是从首采区北边界开始从右向左进行开挖，每步掘进200 m，重点分析第1、第2 步开挖后边坡岩体的变形与破坏特征。第1 步开挖（开挖200 m）数值试验结果如图2。第2步开挖（开挖400 m）数值试验结果如图3。

图2 第1 步开挖（开挖200 m）数值试验计算结果

图3 第2 步开挖（开挖400 m）数值试验计算结果

由图2 可知，第1 步开挖完成后，采空区附近围岩、坡脚位置的地表以及黏土弱层都进入塑性区域，但在坡脚附近的风氧化煤弱层并没有进入塑性区。在完成第1 步开挖（开挖200 m）后，采空区上覆岩层的主应力矢量发生大的偏转；排土场坡脚上端的台阶平盘为最大水平位移位置，上覆岩层最大垂直位移为4.25 m，井采岩移角70°左右。分析边坡岩体的水平位移与垂直位移以及塑性区分布可知，在井工开采作用下，排土场坡脚位置出现开裂后形成拉伸裂隙，从而构成潜在滑坡后缘，后向下发育到风氧化煤弱层，最后裂缝在坑下沿煤层顶板水平剪出。因为没有彻底连通排土场边坡滑动面的岩体塑性区，故此边坡整体不会出现失稳滑移。

由图3 可知，在完成第2 步开挖（开挖400 m）后，采空区上覆岩体的塑性区与黏土弱层连合，上覆围岩最大垂直位移与最大水平位移分别为7.5 m 和1.5 m，其中排土场顶端的平盘处为最大水平位移位置，其位移值为1.5 m。故排土场边坡的潜在滑坡模式为在排土场边坡顶端平盘出现拉裂缝，裂缝向下延伸并贯穿黏土弱层，最后沿坡脚剪出。

随着开挖长度的推进，开采扰动作用愈发明显，塑性区范围明显扩大，边坡岩体的最大水平位移与垂直位移都增大。边坡内部出现裂隙，并与基岩面之上的黏土弱层连通，造成了边坡的失稳破坏。

2.2 RFPA 数值分析

选取B－B＇剖面并建立计算模型，该断面为上窑排土场边坡，全部在井工采动影响范围内。分析BB＇ 剖面的破坏机理对于正确认识井采扰动条件下边坡破坏模式与合理评价边坡稳定性具有重要的指导意义。RFPA 数值试验只研究4＃煤层开采条件下的边坡岩土体破坏情况。

RFPA 数值模拟结果如图4。图4（a）为岩体边坡破裂模式图；图4（b）为应力分布图，亮度表示应力大小，越亮表示应力越大；图4（c）为破坏分布图，白色为剪切破坏单元，深色为拉伸破坏单元。

图4 RFPA 数值试验计算结果

由图4 已知，井工采动后，上覆岩体整体切落到地表，切落面主要为剪切破坏。在排土场边坡地表形成拉伸裂隙，构成了潜在滑坡后缘，与基岩之上的黄土、排土物料等黏土弱层贯通，最终导致“圆弧－顺层”潜在滑坡破坏模式。

3 结语

1）A－A＇ 剖面排土场边坡在完成200 m 开挖后由于裂缝没有彻底连通排土场边坡滑动面的岩体塑性区而不会出现破坏；在开挖400 m 后，排土场边坡易出现潜在滑坡模式，在顶部平盘位置出现拉裂缝并向下延伸直至贯穿黏土弱层，最后沿坡脚剪出。

2）B－B＇剖面在进行井采扰动后，上覆围岩整体切落于排土场边坡的地表，并在此地表处形成拉裂隙，构成了潜在滑坡后缘，后与基岩之上的黄土、排土物料等黏土弱层贯穿，最终导致“圆弧－顺层”潜在滑坡破坏模式。