露天煤矿非工作帮顺倾软岩边坡稳定性研究

2024-03-13李思维周亚森

露天采矿技术 2024年1期

李思维，周亚森

（1.国能新疆红沙泉能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000）

内蒙古霍林郭勒、锡林郭勒盟、呼伦贝尔等高寒地区的褐煤露天煤矿，大多属软岩边坡，产生的滑坡灾害较为严重[1-2]。一旦发生滑坡，将直接影响露天矿采掘工程的推进，并危及人员和矿山设备的安全[3-4]。确保顺倾软岩边坡稳定是实现含有此类边坡的露天煤矿安全、降低成本、提高效率开采的基础条件[5]。

国内相关学者对软岩边坡进行了很多研究。王东等[6]为解决复合煤层露天矿软岩边坡形态参数优化这一难题，采用刚体极限平衡理论和FLAC3D数值模拟软件相结合的方法，提出了一种顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法；曹兰柱等[7-8]基于强度折减原理，应用有限差分软件FLAC3D模拟分析了露天矿断层位置、倾角及弱层逆倾角度不断变化时软岩边坡的滑移模式及稳定性变化规律，阐明了边坡变形破坏机理；李金典等[9]基于GNSS 监测数据，分析各个监测点随边坡变形的位移动态变化过程，结合气候条件及边坡软岩特性，总结了边坡变形规律。

综上，在分析露天矿软岩边坡稳定性分析相关研究现状的基础上，以白音华二号露天矿背景，采用岩土工程数值模拟软件FLAC3D，以Mohr-Coulomb准则作为强度判据，获得边坡的稳定系数，通过分析模拟得到的应力（位移）云图、剪应变增量图等，获取边坡的滑移模式及力学机制，揭示边坡稳定性的形态效应与尺寸效应，建立临界坡角与弱层暴露临界长度之间的关系曲线，确定采场与内排土场之间的追踪距离，最终设计并构筑有利于稳定的白音华二号露天煤矿非工作帮边坡空间几何形态。

1 研究区域工程地质

1.1 边坡工程地质特征

白音华二号露天煤矿位于哈日根台苏木，矿区地层包括下统白垩系的巴彦花组、上新统的新近系，以及第四系。

露天矿的北侧帮为最终帮，经过长期风化和侵蚀作用，地形逐渐演化成低山缓坡的丘陵地貌，这种地貌主要是由于地层倾斜所形成的。岩石表面通常被风化的黄土覆盖，而在丘陵边缘地区，分布着第四系沉积物，包括粉砂土、细砂土、亚砂土、亚黏土和砂砾石层[10]；这些沉积物的厚度一般在1.20～37.15 m。白音华二号露天煤矿边坡地层剖面如图1。

图1 白音华二号露天煤矿边坡地层剖面

1.2 研究区域滑坡分析

白音华二号露天煤矿，其非工作帮为典型顺倾软岩边坡，于2010 年9 月10 日发生滑坡，滑体东西长约1.5 km，南北宽约1.35 km，高差约172 m，体积大约8 100 万m3；随着露天采场的延深，又于次年5月16 日发生第2 次滑坡，滑坡体东西长约1.597 km，南北宽约1.476 km，高差约205 m，体积增大到9 400 万m3。2 次滑坡波及采场的整个南帮和外排土场的3 个台阶，滑坡体压煤3 Mt 无法回采，严重影响了露天矿采剥工程的发展及露天矿经济效益[11]。

白音华二号露天煤矿非工作帮滑坡恰恰是在留设的中间桥被撤掉后经历了一段时间后发生的，而与其相邻的三号露天煤矿一直留有中间桥，即边坡走向长度大大减小，至今尚未有大型滑坡发生，此外，同一煤田的一号露天煤矿和四号露天煤矿以及胜利煤田的东二号露天煤矿由于深部工作线长度尚未全线拉开，边坡暴露长度较小，其非工作帮一侧至今未发生大型滑坡。这足以说明研究边坡稳定性的时空效应是确定边坡合理的空间形态与工程实施进度的重要依据，也是边坡工程优化设计和安全实施的基础[12]。因此，对边坡稳定性的时空效应进行深入研究，是保障边坡稳定安全的主要途径之一[13]。

为此，通过对拟控制边坡进行三维稳定性分析，揭示边坡稳定性的形态效应与尺寸效应，建立临界坡角与弱层暴露临界长度之间的函数关系，确定采场与内排土场之间的追踪距离，以此为依据设计并构筑有利于稳定的边坡空间几何形态。

2 边坡稳定性分析

通过建立白音华二号露天煤矿边坡数值模拟模型，进行露天矿的边坡稳定性分析。边坡稳定系数计算结果见表1，弱层暴露100 m 时不同开挖坡角下边坡空间位移云图如图2，开挖形态与尺寸与边坡初始变形的关系如图3，开挖形态与尺寸组合效应与边坡稳定性的关系曲线如图4，开挖形态与尺寸与边坡稳定性的关系拟合如图5。

表1 边坡稳定系数计算结果

图2 弱层暴露100 m 时不同开挖坡角下边坡空间位移云图

图3 开挖形态与尺寸与边坡初始变形的关系

图4 开挖形态与尺寸组合效应与边坡稳定性的关系曲线

图5 开挖形态与尺寸与边坡稳定性的关系拟合

模拟结果表明，滑坡模式为延弱层底界面的切层-顺层滑动，且边坡空间位移变化剧烈的区域多集中在暴露弱层的中部，当降深至3#煤层底板时，非工作帮边坡的潜在滑坡模式与弱层暴露长度有一定关系，即在相同开挖坡角下，随着弱层暴露长度增大，空间位移及波动范围也随之增大；在相同弱层暴露长度下，随着开挖坡角增大，空间位移及波动范围也随之增大。

由图3 可以看出：在相同条件下，边坡初始变形随着弱层暴露长度及开挖坡角的增大呈现增大的趋势；当弱层暴露长度超过300 m 或开挖坡角超过40°时，其变形值呈现跳跃式增大；当弱层暴露长度为400 m，开挖坡角为50°时，此时边坡初始变形达到最大值0.2 m。

由图4 可以看出：在相同条件下，随着开挖坡角的增大，边坡的稳定性逐渐减；总体来看，边坡的稳定系数会呈现出与坡角正相关的减小趋势，而与弱层暴露长度呈负相关的减小趋势。

由图5 可以得到源数据曲线与拟合后的指数函数之间的R2均达到了0.99 接近于1，说明拟合效果良好，在一定程度上反映了边坡稳定性与开挖坡角和弱层暴露长度之间的指数函数关系。

3 边坡空间形态优化

开挖至3 煤层底板条件下，由边坡稳定性三维数值模拟结果可知：当弱层暴露长度为50 m 时，临界开挖坡角将继续增大；当开挖坡角为20°时，弱层的临界暴露长度约为400 m；当开挖坡角为30°时，弱层的临界暴露长度约为350 m；当开挖坡角为40°时，弱层的临界暴露长度约为250 m；当开挖坡角为50°时，弱层的临界暴露长度约为80 m。开挖坡角α与弱层临界暴露长度之间L 的关系拟合如图6。