寶清露天煤礦西端幫邊坡穩(wěn)定性研究

喬增建，徐延兵，姜海濤

（1.神華國能寶清煤電化有限公司 朝陽露天煤礦，黑龍江 雙鴨山155600；2.北京中礦信實煤炭科學技術研究院，北京100083）

目前我國露天開采中高效回收的煤炭資源占每年煤炭總資源回收的比例達15%以上，隨著露天開采，采場的垂直深度逐年增加，同時考慮到增大整體邊坡角可減少剝離成本，因此出現(xiàn)了許多高陡的邊坡。露天煤礦邊坡的穩(wěn)定受巖石物理力學性質、巖體結構面、地下水、原巖應力、爆破震動等諸多因素的影響[1-9]，穩(wěn)定高陡的邊坡，在諸多因素的共同影響下，可失去原有的穩(wěn)定，邊坡出現(xiàn)不同程度的變形破壞，最終導致滑坡，因此露天煤礦在回收煤炭資源過程中，按照GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》的要求，定期開展露天煤礦邊坡穩(wěn)定性研究工作，確保露天煤礦在回收煤炭資源過程中邊坡的穩(wěn)定、人員及設備的安全。

寶清露天煤礦在回收煤炭資源過程中，在工作幫的兩側形成了外部輪廓不同的東西端幫，同時在西端幫上布置了運輸通道，西端幫底部布置有集水明排泵房等地下水疏干系統(tǒng)，因此寶清露天煤礦西端幫邊坡的穩(wěn)定具有極其重要的意義。

1 工程地質概況

寶清露天煤礦位于黑龍江省雙鴨山市寶清縣朝陽鄉(xiāng)境內，位于三江平原的南部，地形平坦，地面標高在+67～+119 m 之間，一般為+77 m 左右。地形為西南高，東北低，地形高差不明顯，地面大部為農田，在低洼處仍有沼澤地；該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長，春秋兩季多風，夏秋兩季多雨。

區(qū)域地層分布由老到新為：下古生界、上古生界、中生界及新生界；其中新生界第三系中-上新統(tǒng)富錦組的巖性由泥巖、粉砂巖、細砂巖、凝灰?guī)r、礫巖，褐煤所組成，煤層厚度可達15 m，與下伏寶泉嶺組為整合接觸。

區(qū)域內地表水系較發(fā)育，主要河流為貫穿全區(qū)的撓力河，由西南流入，由東北流出，支流由西向東有大梨樹河、寶石河、柳毛河、神經憋河、小索倫河、大索倫河、蛤蟆通河等以及一些不知名的小河流，水庫由西至東有龍頭橋水庫、大索倫河水庫和蛤蟆通水庫，另外人工排水河渠縱模交錯，也十分發(fā)育。

根據(jù)《黑龍江省寶清縣朝陽露天煤礦首采區(qū)專門水文與工程地質勘查報告》，本區(qū)地層條件相對簡單，只揭露第四系和第三系中-上新統(tǒng)富錦組。根據(jù)地下水賦存條件和地層組合特征，本區(qū)自上而下劃分為：頂部隔水層-上部含水層-中部隔水層-中部（煤層頂）含水層-下部（煤層底）隔水層-下部（煤層底）含水層。含水層巖性包括粉砂和微膠結粉砂巖，隔水層巖性包括黏土、砂質黏土和弱膠結泥巖、砂質泥巖。本區(qū)上部含水層和中部含水層之間的隔水層全區(qū)發(fā)育，中下部含水層之間存在斷層處存在水力聯(lián)系。

2 順層巖質邊坡穩(wěn)定原理

順層巖質邊坡容易沿著層面發(fā)生滑移破壞，由于工程水文地質條件的復雜性，致使順層巖質邊坡存在多種破壞模式，每種的破壞模式中又分為單一滑面和多層滑面的破壞方式，目前應用最為廣泛的仍是極限平衡法，該方法適用于單一滑面的情況，若存在多層滑面，則可采用機動位移法進行分析[10]。影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定的因素較多，寶清露天煤礦邊坡屬于軟巖邊坡，在回收煤炭資源過程中，不存在穿孔爆破對邊坡穩(wěn)定的影響，影響寶清露天煤礦邊坡穩(wěn)定的主要因素為地下水，有必要分析地下水作用下的順層巖質邊坡穩(wěn)定原理。

地下水是誘發(fā)邊坡滑坡主要因素，首先主要表現(xiàn)在裂隙中水長期浸泡巖層，致使巖土體的物理力學指標的驟降，其次地下水增加巖土體密度相當于下滑力增加，再次地下水對裂隙壁產生靜水壓力及滲透動水壓力作用，在巖層面及巖層裂隙貫通性較好且裂隙充水情況下，靜水壓力作用下邊坡穩(wěn)定計算模型如圖1。

圖1 靜水壓力作用下邊坡穩(wěn)定計算模型Fig.1 Slope stability calculation model under hydrostatic pressure

按照圖1 中的計算模型，靜水作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs可由式（1）求得：

式中：p1為裂隙靜水壓力; py為巖層面上靜水壓力；G 為上覆巖層的重力；c、φ 為巖層層間的黏聚力和內摩擦角；θ、L 為層面的傾角和長度。

3 西端幫邊坡破壞模式和邊坡穩(wěn)定性

寶清露天煤礦西端幫地表標高78.70 m 左右，地表比較平坦，坑底標高約10.00 m，高程差約68.70 m，單臺階高度約為10.00 m，西端幫目前共計形成6 個臺階。同時西端幫布置有排水系統(tǒng)、明排箱變及明排泵房等降水疏干設備。選用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件對寶清露天煤礦采場西端幫邊坡的破壞模式進行分析，對巖質邊坡破壞的幾何形態(tài)進行劃分其破壞模式比較直觀、方便，依據(jù)此種方法巖質邊坡的破壞模式主要有平面型破壞模式、折面型破壞模式、曲面破壞模式、連續(xù)曲面型以及其組合等破壞模式。依據(jù)寶清露天煤礦西端幫臺階現(xiàn)狀，建立的典型工程地質剖面模型如圖2。

采場西端幫邊坡典型工程地質剖面三維邊坡破壞模式模型的網格劃分如圖3，考慮到模型的邊界效應[11]，邊坡變形破壞模式研究的典型工程地質剖面模型長447 m，模型拉伸寬度220 m，露天煤礦采場西端幫地表至采場坑底垂直距離為68.70 m，典型工程地質剖面模型的x、y、z 三維邊界采用速度邊界條件加以固定，保持典型工程地質剖面模型在計算時系統(tǒng)的穩(wěn)定，使整個系統(tǒng)受力平衡。

圖2 典型工程地質剖面模型Fig.2 Profile model of typical engineering geology

圖3 邊坡破壞模式分析模型Fig.3 Analysis model of slope failure mode

在露天煤礦回收煤炭資源過程中，需要按照設計進行邊坡的開挖，不斷剝離煤層上覆巖層，在覆蓋礦物之上的大量巖土剝離過程中形成臺階邊坡，邊坡的變形不可避免。邊坡的變形特征直接反映了邊坡的特點，變形過大及變形速率過快是邊坡失穩(wěn)的重要特征，寶清露天煤礦西端幫邊坡的總變形規(guī)律及變形位移矢量如圖4。

圖4 邊坡變形位移及矢量云圖Fig.4 Displacement and vector cloud diagram of slope deformation

由圖4 可知，寶清露天煤礦西端幫邊坡的整體變形以水平位移為主；55 平盤以上至地表邊坡坡面處巖土的變形量與其他平盤的變形量相比略大，約為0.137 m；采場西端幫邊坡整體的變形指向礦坑。

邊坡巖體在變形擠壓過程中，先進入彈性階段，此階段的巖體并未發(fā)生破壞，在外力逐漸減小后，巖土體的變形可以恢復原狀；若在外力繼續(xù)增加后則轉入塑性狀態(tài)，進入塑性狀態(tài)的巖體在外力逐漸減弱后，巖體的變形將不可恢復原狀，即巖土體進入破壞階段，寶清采場西端幫邊坡破壞區(qū)域如圖5。從采場西端幫邊坡的彈塑性分布特點，可知邊坡的內部并未形成貫通塑性帶，說明采場西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 寶清采場西端幫邊坡破壞區(qū)域Fig.5 Failure area of the west side slope of Baoqing stope

邊坡剪應變云圖如圖6。從采場西端幫邊坡的變形特征、邊坡彈塑性分布范圍，同時結合剪應變云圖可知，采場西端幫邊坡煤層底板發(fā)生不同程度的剪切變形，但并未貫通。從剪應變云圖、邊坡位移矢量云圖及邊坡的破壞范圍綜合分析可知采場西端幫的破壞模式為“圓弧剪切順層滑移”的破壞模式。

圖6 邊坡剪應變云圖Fig.6 Cloud diagram of slope shear strain

在合理的分析寶清露天煤礦采場西端幫邊坡變形破壞模式的基礎上，運用我國學者研發(fā)的軟件STAB 對寶清采場西端幫邊坡的穩(wěn)定性進行分析，邊坡穩(wěn)定計算結果如圖7。

圖7 邊坡穩(wěn)定計算結果Fig.7 Calculation results of slope stability

通過對采場西端幫邊坡穩(wěn)定性驗算，可知寶清露天煤礦采場西端幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結 語

1）依據(jù)寶清露天煤礦的自然狀況、工程地質條件及水文地質條件，得出寶清露天煤礦含有地下水3 層，其中上部含水層和中部含水層之間的隔水層全區(qū)發(fā)育，中下部含水層之間存在斷層處存在水力聯(lián)系。

2）依據(jù)寶清露天煤礦工程地質條件、水文地質條件以及以往勘查資料，結合寶清露天煤礦采場西端幫邊坡現(xiàn)狀及其附近基礎設施，建立了寶清露天煤礦采場西端幫邊坡典型工程地質剖面模型。

3）在分析地下水對露天煤礦邊坡穩(wěn)定的影響基礎上，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析出采場西端幫邊坡的位移量及破壞范圍，最終得出采場西端幫邊坡的潛在破壞模式為“圓弧剪切順層滑移”的破壞模式。運用邊坡穩(wěn)定分析軟件對潛在破壞的邊坡進行了穩(wěn)定性分析，得出了寶清露天煤礦采場西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。