露天煤矿边坡稳定性数值模拟分析

石兴国，韩永生，赵 斌

(乌海市万企景华煤业有限责任公司，内蒙古 乌海 016000)

我国目前露天煤矿数量在增多，煤矿也在扩大产能，这样就带来一系列的问题，特别是在呼伦贝尔等一些露天煤矿，结构多为软岩边坡；这种容易滑坡，一旦发生后果很严重。如：在2010年发生的事故中，2号露天煤矿就是软岩边坡，在救援过程中又发生了二次滑坡，由第1次的滑坡由8 100 m3增加至9 400 m3，滑坡发生后压煤300多万t，无法进行回采，直接经济损失超过1亿元。在我国露天矿滑坡事故中，断层是其中很重要的一种诱发因素，在顺倾层和断层等因素下，会存在很多矿山事故，在现有课题研究中，顺倾层边坡的稳定性受多方面因素影响，且比较复杂。在露天煤矿的安全生产中，因断层因素带来的事故较多，而在顺倾弱层和断层共同作用下，就会发生滑坡事故，滑坡事故导致的后果很严重。在现有研究中，对于顺倾弱层和断层间的分析缺少较深的研究，对于现存在的问题，以万企景华煤业公司管理的露天煤矿东帮顺倾层状边坡为研究对象，根据实际分析及调研情况，在实际工程基础上建立模型，并通过分析软件，对断层形态的稳定性进行分析，为在实际中解决同类问题提供参考。

1 工程概况

选取的露天矿东帮边坡，帮坡角度20°，高度200 m，构成结构(自下而上)为侏罗系、第四系，其中最下层侏罗系地层岩，成分为煤、泥岩、细砂岩等，含有丰富的煤地层。最上层为第四系，主要成分是砂岩和砂土和半胶结状。对研究的地质进行深入勘测后，在边坡和东帮边坡坡体内部有4条顺倾弱层，倾角12°，成分主要为炭质泥和泥岩，有绝佳的持水和吸水性，可以对其进行软化。同时东帮边坡坡体内还有正断层，与边坡坡面斜交；倾角40°～70°，平均50°，断层与边坡走向有25°～40°的夹角，平均角度30°，落差200 m，长度约5 000 m。研究对象地质情况如图1所示，具体物理学指标见表1。

图1 研究对象地质情况Fig.1 Geological condition map of study subjects

由表1得出，选取的露天煤矿属于顺倾层状边坡，同时还是斜交断层，要对边坡的稳定性进行分析需要对顺倾弱层和受断层进行研究。因此，滑移模式非单一性。如边坡稳定性在顺倾弱层和受断层一起作用时，边坡滑移会因为弱层—断层—圆弧的3种作用遭受到破坏；当边坡稳定性在顺弱层时，滑移模式弱层—剪切圆弧2种作用情况遭受破坏。

表1 工程指标Tab.1 Engineering indicators

2 数值模型建立

利用数值软件FLAC对上述工程模型进行初步构建，采用对研究对象的稳定性和滑移模式进行建模，选用显式Lag算法和离散混合算法。根据实际研究对象，对其建立等比模型，模型高360 m、宽(倾向)1 400 m、长(走向)1 400 m，建立的模型如图2所示。对顺倾角层状边坡的稳定性进行分析，对断层走向及倾角进行分析，以断层为轴，边坡走向和断层走向为交角，在改变断层倾角时，建立50°～85°的倾角，倾角间断为5°，在这8种倾角下建立数据模型；在固定好断层倾角后，建立模型交线，以断层走向为轴，建立30°～80°的倾角，倾角间隔10°，在这6种倾角下建立数据模型。以模型为边界，在模型的轴向进行约束，确保在轴向不发生移动，模型的底部作为界面，对其进行固定，确保底界面的垂直和水平位移为0，在模型的坡面和顶部不进行约束，研究模型在坡面和顶部的自由滑体情况。

图2 地质模型Fig.2 Geological model

3 结果分析

采用多探测技术，对以上8种工况和6种工况进行分析，对其稳定性的结果进行分析，对模型的轴向方向间隔一定距离(200 m)进行切割，可以更准确地反映出断层的真实情况，对其稳定性的分析能够更加真实准确。在50°～85°倾角8种工况下的断层位移分析如图3所示。

图3 在 50°～85°倾角8种工况下的断层位移Fig.3 Fault displacement analysis under 8 inclination of 50°～85°

由图3可知，得出在断层倾角50°～65°时，破坏模式为弱层—断层—剪切圆弧3种，而当断层角在65°以上时，破坏模式为弱层—剪切圆弧，这种模式下对于边坡的稳定性不利。对于边坡稳定系数与断层倾角之间的关系，在断层倾角为50°时，边坡稳定系数为1.19；在断层倾角为55°时，边坡稳定系数为1.205；在断层倾角为60°时，边坡稳定系数为1.215；在断层倾角≥65°时，边坡稳定系数趋于平缓，约为1.22。由此可见，边坡稳定系数会随着断层倾角的增大而增加，在断层倾角较小时，坡体内剪切力扩展导致，边坡不稳定；在当断层倾角增大到一定角度后，边坡稳定性系数会趋于稳定，这是在坡体内形成了剪切力圆弧滑面，边坡的稳定性不随断层倾角变化而改变。在 30°～80°倾角6种工况下的断层走向分析如图4所示。从图4可对交角的走向进行研究，对危险滑面和边坡的破坏情况的规律进行分析。当边坡和断层走向的交角在30°和60°之间时，破坏模式为弱层—断层—剪切圆弧破坏模式；当走向交角>60°时，边坡破坏模式为弱层—剪切圆弧，会对边坡的稳定性有一定的影响。当走向交角为30°时，边坡稳定系数为1.19；当走向交角40°时，边坡稳定系数为1.21；当走向交角为50°时，边坡稳定系数约为1.212；当走向交角>60°时，边坡稳定系数约为1.215。由此可见，在走向交角在30°～60°时，随着交角的增大，边坡稳定性系数逐渐增大，这是边坡走向和断层导致走向区域内位移矢量变化较大，稳定性差，随着交角的增大，稳定性变好；当走向交角>60°时，由于边坡与走向相交的区域变小，边坡趋于稳定。

4 结语

对于露天煤矿的工程分析，得出滑移的面主要是顺倾层。为了改善这种情况，本文对断层及顺倾角进行了分析，通过对边坡的潜在滑移模式建立模型，对于断层的稳定性来说，当边坡交角在30°～60°时，边坡的稳定性较差，需要重点关注，并采取相应的措施；当断层的倾角在50°～65°时，边坡的稳定性较差，需要重点关注，并采取防护措施；而当边坡的交角及断层的倾角较大时，边坡相对很稳定。由此得出，要做好边坡和弱层的治理，在交角和断层倾角较小的时候，对边坡的防护要采取相应的措施。

图4 在 30°～80°倾角6种工况下的断层走向Fig.4 Fault direction at 6 inclination of 30°～80°