多弱层边坡破坏机理分析及形态优化

2022-06-28侯成恒

现代矿业 2022年5期

常剑侯成恒赵旭

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室；3.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司）

21 世纪以来，随着经济的迅速发展，开采设备水平的提高，我国露天煤矿得到迅速发展，露天煤矿产量在煤炭行业占比逐步提升，已经跃居世界第二位［1］。但随着产量、数量的提升，边坡问题日益突出，边坡安全往往是制约露天矿安全与经济的关键因素之一［2-3］，特别含软弱夹层的复合边坡，其本身物理力学性质较差，受地下水和构造影响，更容易发生边坡滑坡灾害［4-5］。国内外学者针对弱层边坡开展了一系列研究。赵贵彬等［6］借助极限平衡法，探究了弱层及弱层含水率对边坡稳定性的影响规律；张禹等［7］以白音华4#矿为例，利用传递系数法与强度折减研究多层级软弱互层边坡稳定性问题，结果表明，稳定性主控因素是上覆载荷分布与到边坡临空面距离；赵庆等［8］基于强度折减理论，确定弱层边坡破坏模式，滑移体沿弱层滑动，并垂直边坡剪断，最终贯通坡底滑移破坏；石盼［9］基于相似理论，构建含软弱结构面顺层岩质边坡相似模型，明确该类边坡破坏机理、破坏过程及影响因素，对边坡评价和治理具有一定的指导意义。

本文以内蒙古某矿区北帮年度设计边坡为例，研究含多弱层软岩边坡破坏机理，分析其稳定性，并进行边坡形态优化，确保煤炭资源高效安全回收，为类似边坡治理研究提供理论基础。

1 边坡地质概况

某矿边坡属于典型的软岩边坡，岩土力学性质较差，难以自我稳定。据以往勘察资料，岩层性质自上而下可分为第四系层组、基岩上部层组、基岩中部层组、基岩深部层组及煤层，其中，第四系层组自东向西逐步变厚，最厚约达58.7 m。矿区北帮边坡弱层自上而下主要分布在第四系层组底板（弱层①）、1A煤底板（弱层②）、ⅠA～2B 煤间（弱层③约800 水平）、2B 煤底板（弱层④）、3B 煤底板（弱层⑤）、4C 煤底板（弱层⑥），此处弱层为风化泥岩、炭质泥岩、含较多炭屑及煤块的泥岩、含炭泥岩、煤夹炭质泥岩，其矿物成分主要是高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物。

目前东部首采区已实现局部内排，内排由东向西逐步推进，北端帮边坡逐步实现到界，内排持续跟进，为保证北帮西区边坡稳定，避免滑坡等安全生产事故的发生，提高煤炭资源回收率，分析多弱层赋边坡破坏机理，对构建最终边坡角至关重要。综合考虑以往勘探钻孔、岩土力学试验结果、滑坡反分析、岩石节理强度分析及类比同类型岩体相关指标数据，构建典型工程地质模型（图1），岩体强度力学指标推荐值见表1。

表1 岩土力学参数推荐值

2 变形破坏机理分析

北帮边坡随着开采推进呈现动态变化，本次选取年度设计计划中的到界边坡形态（图1），构建数值模拟计算模型，相关物理力学参数见表1。采用位移边界条件进行模型约束，约束X、Y轴两侧边界及Z轴底部，顶面为自由边界条件，采用理想的摩尔—库伦弹塑性模型，保证受力体系的平衡。

基于有限元软件计算得到典型剖面最大不平衡力分析曲线（图2），北帮设计边坡仅受重力作用下，摩尔—库伦弹塑性模型求解后，最大平衡力值趋于零，达到收敛状态，计算模型此时达到极限平衡状态。

借助图形处理软件得到多弱层边坡位移场位移矢量图、水平方向位移云图、总位移云图及剪切应变增量云图，见图3～图6；边坡应力场最小应力云图、最大应力云图和剪应力云图，见图7～图9。

由图3 可以看出，北帮边坡上、中部整体呈现圆弧式坐落，弱层位置（弱层②③④）顺层滑移，到边坡临空面“剪出”，边坡表现出“坐落—滑移”破坏模式。由图4、图5可知，总位移云图和水平位移云图基本一致，边坡受重力影响自上而下发生沉降变形，变形以水平位移为主，呈现顺层滑动剪出，同时受弱层影响，存在多个剪出口，边坡整体呈现多滑体破坏，整体可分4 个区域，最大位移4.17 m 发生在弱层②处，其次是3.68 m 发生在弱层①。由图6 可知，岩体边坡滑动破坏因受剪切应变引起，边坡在重力作用下，沿软弱夹层滑动，弱层②和弱层④与临空面呈现贯通趋势，是岩体边坡最危险滑面。

由图7～图9 可知，边坡应力场总体呈现层状、均布分布，等值线平滑。边坡主要受垂直压应力作用，呈现屈服状态。坡顶受拉应力作用，在弱层位置应力向临空面发生突变，拉应力明显大于相邻层组，边坡受弱层影响明显，弱层为边坡潜在剪出破坏面，不利于边坡稳定，是边坡破坏的主控层。

综上可知，北帮边坡破坏模式可根据岩层分上下两部分，采场边坡变形破坏模式：上部沿第四系层组基底弱层的“坐落—滑移”变形破坏，下部沿软弱层组的“坐落—滑移”变形破坏（多个潜在滑面）。

3 边坡稳定性计算

边坡稳定性分析常用方法有定性分析法、数值分析法、工程地质类比法和极限平衡法。本文依据极限平衡理论，选用Morgenstein―Price法进行边坡稳定性计算，其具有模型简单、结果直接实用的特点［10］。

3.1 安全储备系数的确定

依据《露天煤矿工程设计规范》（GB 50197—2015），同时考虑边坡现状变形情况、矿区地质资料、采矿设计规划、各弱层位置深度、内排跟进设计规划、以往研究成果以及尽可能回收煤炭资源，综合选取弱层②以上安全储备系数为1.05，弱层②以下安全储备系数为1.10。

3.2 边坡稳定性分析与评价

根据上文典型工程地质模型剖面建立分析模型，相关力学指标见表1，利用Morgenstein―Price 法计算边坡稳定性，结果见表2。

表2 边坡稳定性计算结果

由表2可知，典型剖面设计边坡沿弱层①和弱层②剪出时，安全系数小于1.05，表明其设计边坡存在滑动危险，设计边坡需要进行优化调整；沿弱层③～⑥滑动边坡安全系数大于1.10，且存在富余，为确保矿区安全生产，同时充分回收煤炭资源，避免资源浪费，需对设计边坡形态进行优化调整。

4 边坡形态优化

4.1 边坡角度优化

该矿北帮边坡破坏主要受弱层影响，且上部弱层边坡稳定性影响下部弱层边坡，故本次采用自上而下的方式进行优化，依次计算各个弱层稳定性，在前一个弱层区域边坡达到安全储备系数后，再进行下一个弱层区域边坡优化，以确保设计角度“性价比”最优，同时考虑到岩性强度、弱层和煤层分布关系及上述数值模拟计算结果，对研究区进行分段优化，共分4 个区域：区域Ⅰ（地表境界～弱层①）、区域Ⅱ（弱层①～弱层②）、区域Ⅲ（弱层②～弱层④）、区域Ⅳ（弱层④～弱层⑥），同时确保计算过程中各区域各弱层滑动均满足安全储备系数要求，得到稳定性与其对应边坡角度关系，如图10所示。

根据图10 可知，在确保各弱层计算均满足安全储备系数前提下，区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ最优角度分别为10.5°、18°、23°、30°，边坡形态呈现上缓下陡，边坡整体角度为20°。