塔尔II区露天煤矿横采东帮边坡稳定性研究

王 东，邢晓宇，任 冉,2

（1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.山西工程技术学院 地球科学与工程系，山西 阳泉 029200）

0 引言

近年来，横采内排追踪压帮控制开采技术得到了大范围推广，该种开采条件下，深部边坡受到横采工作帮与内排土场双重支挡形成的三维力学效应，稳定性大大提高，有利于高效回收边坡压覆资源[1-6].因此，对该种条件下的边坡三维稳定性形成定量认识，对于科学指导工程布设与施工具有重要的实践意义.

国内外学者围绕边坡三维稳定性计算方法开展了大量研究.HOVLAND H J[7]、HUNGR O[8]、HUANG C C等[9]、陈祖煜[10]、李同录等[11]、朱大勇等[12]、卢坤林等[13]、周伟等[14]对经典二维极限平衡法进行了扩展或改进，推导出了边坡三维稳定性方法；温树杰等[15]提出一种基于最小势能法的三维边坡稳定性分析方法；邓东平等[16]假设滑体底界面服从摩尔库伦准则，基于静力平衡条件及绕点平行于各坐标轴的力矩平衡条件，通过求解滑动面法向应力，提出了适用于任意形状滑动面的三维极限平衡法；余国等[17]通过GIS假定正应力的分布情况，推导出三维稳定性计算方程组；王东等[18]兼顾地层产状及滑体空间形态，根据整个滑坡体的静力平衡条件，提出了用于计算顺倾弱层边坡的三维极限平衡法.

上述方法均考虑了边坡的三维效应，推动了边坡稳定性分析理论的不断进步，但都以均质或类均质边坡为研究对象[19]，无法适用于横采条件下的平面形态不规则、滑裂面形态复杂、岩土体材料各向异性的层状边坡.现以有限元法[20]、有限差分法[21]、离散元法[22]等为代表的各类数值模拟方法成为研究岩土体变形和稳定性的主流方式.以塔尔煤田 II区露天矿为工程背景，采用数值模拟对其横采东帮边坡的稳定性进行研究，得出稳定性的变化规律，为露天矿开采设计和施工提供参考.

1 边坡工程地质条件分析

塔尔煤矿的建设是巴基斯坦首个大型露天煤矿项目，是中国机械设备工程股份有限公司首个投资带动的 EPC项目.塔尔煤矿东帮边坡地层顺倾，倾角约2°；坡体内有3个含水层，自上而下分别为第一、第二和第三含水层；在长期疏干作用下，坡体内现有3个典型弱层，弱层岩性以泥岩、炭质泥岩或黏土质粉砂岩为主，结构比较松散，泥岩含水量大，对稳定性不利.该露天矿主采煤层为2-3、2-4、2-7和2-8煤层，均赋存于第二含水层以下；原设计边坡角25°、边坡高度近200 m，主要使用纵采的方式进行开采.为最大限度回收煤炭资源，拟采用横采内排追踪压帮控制开采方式对东帮进行靠帮，为此，需要对横采东帮边坡三维稳定性进行研究，进一步优化深部边坡空间形态.东帮边坡的工程地质条件、设计边坡形态等见图1，岩土体物理力学参数见表1.

图1 边坡典型工程地质剖面Fig.1 typical engineering geological profile of slope

表1 岩土体物理力学参数Tab.1 physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2 边坡三维稳定性数值模拟

2.1 模型构建

露天矿边坡的形成不仅受到地质条件和开挖活动的影响，而且与采矿工程活动形成的边坡空间几何形态与参数相关，应将二者协同考虑.横采内排压帮可以形成支挡，提高边坡稳定性.对于塔尔煤田II区露天矿采场东帮边坡，仅考虑横采压帮至第二含水层底板，进行三维模拟分析，进一步优化深部边坡的空间形态与参数.数值模拟采用 FLAC3D软件，以Mohr-Coulomb准则作为岩体失稳判据，兼顾剪切和拉伸两种破坏形式；通过计算得出位移云图，确定滑坡模式；基于强度折减原理，通过折减岩土体抗剪参数来获得边坡临界失稳的状态，得到边坡稳定系数.

采用 CAD-ANSYS建模再导入 FLAC3D生成模型，每个模型包括东帮、横采工作帮和内排土场三部分，见图2.模型仅改变工作帮与内排土场间的追踪距离L、东帮开挖坡角α与弱层内摩擦角φ，相应地改变走向长度D2，其余变量不变（倾向长度D1、高度H、横采工作帮坡角β、内排土场边坡角φ）.

图2 数值计算模型Fig.2 numerical simulation model

2.2 数值模拟计算结果与分析

为探讨追踪距离、深部边坡角对边坡破坏模式与稳定性的影响，固定弱层内摩擦角18°不变，改变深部边坡角和追踪距离，共建立15个数值计算模型，获得的边坡变形破坏特征见图3～图5，稳定性变化规律见图6.

图3 深部边坡角35°，不同追踪距离条件下边坡位移Fig.3 3D and 2D displacement cloud images of deep slope with 35° angle and different tracking distances

图4 深部边坡角37°，不同追踪距离条件下边坡位移Fig.4 3D and 2D slope displacement cloud maps under the conditions of deep slope angle 37° and different tracking distances

图5 深部边坡角39°，不同追踪距离条件下边坡位移Fig.5 3D and 2D slope displacement cloud maps with 39° deep slope angle and different tracking distances

图6 深部边坡角与追踪距离对边坡稳定性的影响Fig.6 influence of deep slope angle and tracking distance on slope stability

分析可知，当追踪距离较小时，由于受横采工作帮与内排土场的双重支档作用，深部岩体变形量相对较小，局部稳定性也较好，整体边坡的变形破坏以第二含水层底板弱层以上岩体为主，滑坡模式为以第二含水层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动；随着追踪距离增大，深部岩体变形量和变形范围逐渐增大，整体边坡稳定性呈下降趋势，滑坡模式相继过渡为以2-7-1煤层底板弱层和2-8煤底板弱层为底界面的切层-顺层滑动.深部边坡角对边坡变形与稳定性影响较小，随着深部边坡角加陡，深部岩体变形量与变形范围逐渐增大，局部稳定性下降，但梯度较小.总体上，无论追踪距离如何减小，浅部岩体由于未受到采场工作帮与内排土场的双重支档作用，位移相对显著，稳定性较差.

为进一步探讨弱层内摩擦角的影响，固定追踪距离50 m不变，改变深部边坡角与内摩擦角，共建立 15个数值模拟模型，获得的边坡变形破坏特征见图7～图9，稳定性变化规律见图10.由图10可见，深部弱层内摩擦角对边坡变形与稳定性影响较大，即随着内摩擦角的减小，深部岩体的变形范围与变形量越来越大，整体边坡稳定性呈下降趋势，滑坡模式由以第二含水层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动相继过渡为以2-7-1煤层底板弱层和2-8煤底板弱层为底界面的切层-顺层滑动.由于追踪距离控制在50 m，深部边坡角的影响很小，几乎可以忽略.鉴于弱层本身的力学属性具有明显的不确定性，当追踪距离较小时，采用横采方式进行靠帮可大幅降低由这种不确定性带来的滑坡风险.

图7 深部边坡角35°，变化深部弱层内摩擦角φ条件下边坡位移Fig.7 slope displacement under the condition of 35° deep slope angle and change of internal friction angle of deep weak layer

图8 深部边坡角37°，不同深部弱层内摩擦角φ条件下边坡位移Fig.8 slope displacement under 37° deep slope angle and change of internal friction angle of deep weak layer

图9 深部边坡角39°，不同深部弱层内摩擦角φ条件下边坡位移Fig.9 slope displacement under deep slope angle 39° and changing internal friction angle of deep weak layer

图10 深部边坡角与弱层内摩擦角对边坡三维稳定性影响Fig.10 influence of deep slope angle and weak inner-friction angle on slope stability

3 结论

对巴基斯坦塔尔II区露天矿横采东帮边坡三维稳定性进行数值模拟研究，揭示横采工作帮与内排土场追踪距离、深部边坡角与弱层内摩擦角对边坡破坏模式与稳定性的影响，主要结论如下.

（1）追踪距离增大过程中，东帮深部岩体变形量和变形范围逐渐增大，滑坡模式为以第二含水层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动，相继过渡为以2-7-1煤层底板弱层和 2-8煤层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动，导致整体边坡稳定性呈下降趋势.

（2）当追踪距离较大时，边坡稳定性随深部边坡角增大而降低；当追踪距离较小时，深部边坡角的影响很小，几乎可以忽略，有利于实现深部陡帮开采.

（3）采用横采内排追踪压帮的方式，可借助横采工作帮与内排土场的双重支档作用，提高边坡的稳定性；合理控制追踪距离前提下，以该种方式对深部边坡进行靠帮可大幅降低弱层力学属性不确定性带来的滑坡风险.