黑山露天矿边坡不同断面形态下的稳定性关系研究

2023-12-25郭海建

露天采矿技术 2023年6期

郭海建，成功

（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；3.新疆煤炭设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830091）

伴随着我国露天矿产量规模的增大、采场的延深，形成了大量高陡边坡，这类边坡的稳定性关系重大，其边坡稳定性受到生产活动、地质条件、边坡形态等因素的影响，其中边坡形态便属于矿山系统安全与经济相互协调的结果，尤其是由于长期开展矿山工程的影响，只有极少数的露天矿边坡是平直的线性断面形态，取而代之的是非线性断面形态边坡的存在，这种断面形态[1]的差异对于边坡稳定性的影响有着显著的区别，对于此类边坡稳定性的研究是目前露天边坡安全工程领域值得关注的问题。

露天矿边坡稳定性分析作为目前安全工程较为关注的问题，诸多学者对此进行了研究，在这期间许多经典计算方法[2-5]被应用于工程实践，沉淀出了丰硕的理论成果与典型案例。田钧[6]采用毕肖普法研究了土条环向侧向土压力与和弯道半径变化的关系，并提出了边坡三维稳定性计算方法；王东等[7]基于极限平衡理论及相似模拟试验研究，提出了利于边坡稳定的三维计算方法；何刘等[8]利用试验仪器对不同坡面形态下边坡渐进破坏过程进行了模拟试验，总结了不同坡面形态边坡的失稳特征；卢坤林等[9]基于极限平衡法理论研究，分别对凸、凹边坡形态进行了边坡稳定性分析，得出了不同坡面形态下的影响因素和变化规律。基于以上研究成果，或通过稳定计算、理论分析对此类边坡稳定进行了研究，但专注于露天矿边坡断面形态对于边坡稳定性研究的相对较少，而事实上，这种断面形态上的差异对边坡稳定性的影响有着显著的差别。基于此，以黑山露天煤矿南帮边坡为研究对象，采用毕肖普法[10]的优化方法理论与强度折减法[11]的数值模拟研究成果，对比分析了断面形态差异对于边坡稳定性影响。

1 边坡不同断面形态研究

在露天矿边坡安全工程中存在3 种不同的边坡断面形态：线性断面形态、外凸断面形态与内凹断面形态，但由于靠帮开采、超前剥离等工程的实施，露天矿边坡在断面上往往是一种上缓下陡的非线性断面形态，而针对控制边坡稳定性的处理措施通常以线性断面形态的处理方法考虑，如整体减缓或局部加陡边坡角，事实上，这种处理方法一定程度上忽视了非线性断面形态对边坡稳定性的造成的影响[12-15]。为此，基于简化Bishop 法对于不同断面形态进行研究。

1.1 线性与非线性断面形态差异

线性断面形态是一种近似平直斜线的断面形态，对于露天矿边坡而言，大多是非线性形态（外凸坡面、内凹坡面），在实际工程中可以有针对性地增减抗滑段与利滑段上的条块质量，使得边坡稳定性向着工程上期望的方向发展，这也就使得边坡的坡面由线性变成了非线性的形态。基于此，为了分析不同断面形态对于边坡稳定性的影响，研究露天矿边坡坡面的最有利形态，分别将外凸断面形态、内凹断面形态与线性断面形态放于同一研究对象上，假定它们与线性断面形态下的条块分别有着△W′n、△W＂n的自重差，且两者均有着线性的增减趋势。线性与非线性断面形态示意图如图1 在。图中：i、n、j为较缓坡面上条块的编号。

非线性断面形态更容易加速底面倾角到达θ 分界的过程，从而加剧滑面靠向下一侧条件在抗滑力增量上的优势，使得边坡岩土体偏向于更有利的外部条件，进而保证边坡整体的稳定性。

1.2 “断面形态差异点”理论

对于露天矿边坡而言，内凹断面形态需要增加大量的剥离物料，收益方面甚至不如线性断面形态，故在此不对内凹断面形态过多研究，而研究重点在于如何放大外凸断面形态的收益效果。坡面的拐点位置决定了断面形态变化趋势，倘若坡面拐点位于拐点位置2 处，等同于在拐点位置1 处削减了部分条块自重，而这些被削减去的条块实际上属于“抗滑段”范围，这种作法不利于边坡稳定性，而拐点的位置决定着边坡外凸坡面的形态，为了方便叙述，将拐点位置统称为“断面形态差异点”。综上所述，存在底面倾角θ 将边坡分为“抗滑段”与“下滑段”2 部分，当“断面形态差异点”主要位于“抗滑段”范围时，不利于边坡稳定性，反之，当“断面形态差异点”主要位于“下滑段”范围时，有利于边坡稳定性。

2 不同断面形态对于露天矿边坡稳定性的影响

为了进一步研究不同断面形态对于露天矿边坡稳定性的影响，以新疆托克逊黑山露天煤矿南帮边坡为主要研究对象，对比分析在地表界和底周界不变的前提下，不同断面形态设计方案对于边坡稳定性的影响。黑山露天煤矿南帮边坡整体高度约300 m，边坡岩体组成为：中统西山窑组上段、中段、下段含砂岩层、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、煤层（9＃煤为可采煤层，13＃煤为主采煤层）组成，第四系地层由细砂、粉砂、亚砂土组成。

2.1 剖面与安全储备系数

黑山露天矿首采区南帮即首采区工作帮，预计将于2026 年部分到界，届时首采区可实现初步内排，坑底标高最低为＋2 255 m，横采年推进强度约220 m，南帮边坡在横采工况下坡顶最大的暴露长度约2 400 m，结合推进强度计算可知南帮边坡岩体露出时间最长可达约11 年。按照GB 50197—2015煤炭工业露天矿设计规范的规定，南帮边坡的安全储备系数取值为1.20。选取南帮12 剖面边坡工程地质模型为研究对象，边坡岩土体力学参数见表1。

2.2 边坡断面形态参数

承前所述，非线性的断面形态可以提高整体边坡的稳定性，而为了使边坡在断面上呈现出非线性的断面形态，需将边坡分区段进行加陡或减缓设计，这必然导致加陡的区段边坡的稳定性下降，故而在优化设计时应当在关注边坡整体稳定性的同时，确保局部边坡的稳定性也满足安全储备要求。此外，加陡或减缓边坡坡面时应当保证主采煤层的开采尽量不受损失。对于黑山露天矿南帮边坡而言，南帮边坡整体高度约为300 m，黑山露天矿南帮原设计边坡台阶采用组合台阶形式布置，为25 m 宽运输平盘和宽5 m 的保安平盘，台阶坡面角为70°，台阶高度为15 m。为了达到局部边坡加陡的目的，在原组合台阶设计的基础上加设1 个安保平盘，即1 个运输平盘配置2 个安保平盘。新设计的组合台阶自坡脚向地表依次布置，每布置1 组台阶既计算1 次整体边坡与局部加陡区段边坡的稳定性系数，直至局部加陡区段边坡的稳定性不再满足安全储备要求。12 剖面各形态边坡稳定性系数计算结果如图2。

基于上文提到的“断面形态差异点”理论，在不同断面形态设计下，研究其边坡稳定性的差异。从边坡稳定计算结果可知，随组合台阶最大标高的提升，局部加陡区段边坡的稳定系数将持续减小，而整体边坡的稳定系数则出现小幅度的增长，这是由于组合台阶最大标高降低时，“断面形态差异点”位于边坡“抗滑段”范围，其有利于边坡稳定性，随着局部加陡区段标高的升高，“断面形态差异点”将逐步由“抗滑段”向“下滑段”转移，从而导致边坡稳定系数降低。

3 不同断面形态下的数值模拟

分别对12 剖面各形态边坡进行了数值模拟研究。边坡位移云图如图3，不同形态下的关键测点位移历时曲线图如图4。

图3 边坡位移云图

图4 不同形态下的关键测点位移历时曲线

12 剖面各形态边坡数值模拟研究结果表明：

随着组合台阶最大标高的提升，边坡的形变最大值区域会逐渐向“断面形态差异点”位置靠近，这表明外凸局部边坡的稳定性会受“断面形态差异点”位置影响，边坡的稳定系数将持续减小。

不同形态下的关键测点位置历时曲线变化过程可分为：加速阶段、稳速阶段和失稳前变速阶段，各测点位移的历时曲线均呈现出振荡的发展态势，进一步观察发现，形变最大值区测点位移增长速度在同阶段较其他测点变化更快，并且这种变化趋势将持续增长至最后阶段，即形变最大值区测点的速度变化特征与其在边坡位移云图中表现的特性一致。