新嶺露天礦東幫邊坡形態優化設計

馬 可

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

邊坡穩定性分析方法經過多年來眾多專家學者的努力，已形成了較為成熟的理論方法與實踐技術。但對于坡體中存在弱層這一特殊地質條件的邊坡，還存在許多亟待解決的問題，需要眾多專家學者更進一步的研究[1]。曹蘭柱等[2]采用二維剛體極限平衡等手段對于白音華三號露天礦順傾軟弱基底的內排土場邊坡進行了研究，提出了內排角度及內排土場發展至不同工程位置對內排土場邊坡穩定性的影響；繆海賓等[3]通過基底黃土孔隙水壓力消散試驗,得到了孔隙水壓力及消散度與消散時間之間影響規律，基于極限平衡法和孔隙水壓力消散規律，提出了黃土基底排土場動態穩定系數計算方法，基于該算法，對原有靜態的黃土基底排土場穩定控制措施進行優化，提出了“分段排土，控制強度，分區推進，調整程序，監測監控，增大容量”動態穩定控制措施；皮慧芳等[4]對露天煤礦軟弱夾層賦存下順傾邊坡穩定性進行科學評價，以極限平衡法，以監測數據分析、滑坡反分析、現場鉆探等手段，研究了軟弱夾層賦存下對內排土場邊坡穩定性的影響；宋子嶺等[5]以受到蘆子溝背斜構造影響的安太堡露天礦內排土場邊坡為研究對象,基于剛體極限平衡法，確定了不同平盤寬度推進到不同工程位置時的邊坡穩定性；李偉[6]根據邊坡地質資料和現場地表GPS 位移監測結果，運用FLAC3D數值模擬軟件分析了陰灣排土場邊坡變形破壞機理，研究了在2 種排土壓腳方案下邊坡的穩定性，確定了陰灣排土場滑坡治理措施及后續排土方案；周永利、黃浩軒[7]等針對露天礦內排土場在堆疊過程中的邊坡形態問題，以哈爾烏素露天礦內排土場為工程背景，應用剛體極限平衡軟件定量分析了內排土場堆疊至不同高度時的邊坡穩定性及其潛在滑坡模式，采用數值模擬軟件FLAC3D對內排土場邊坡進行模擬分析，揭示了內排土場邊坡的變形破壞形式及其滑坡機理。

以黑龍江鶴崗新嶺露天礦東幫為工程背景，采用二維剛體極限平衡法與三維數值模擬方法，多角度分析其邊坡穩定性，并根據計算結果，設計出最為合理的邊坡形態。

1 邊坡工程地質條件分析

新嶺露天礦位于小興安嶺東南支脈向北延續的低山丘陵地帶。地層為中生界白堊系上統石頭河子組、石頭廟子組。本區域煤系地層為中生界白堊系下統石頭河子組、石頭廟子組。其中第四系主要由粗砂、礫石、亞黏土、黏土、腐植土組成，總厚度20～220 m，不整合于下伏地層之上。含煤地層由灰白色礫巖、粗砂巖、灰白色中砂巖、細砂巖、深灰色粉砂巖、夾泥巖、凝灰巖和煤層組成。礦區內含水層主要為第四系孔隙潛水含水層及煤層承壓含水層。由于礦區內曾小井林立，濫采濫掘嚴重，所以如今可采煤層大多為復采區，煤層內以往開采過的舊巷道錯綜復雜，煤厚也因此受到影響，煤層的頂底板多數區域存在斷裂現象，裂隙較為發育。本區煤層頂底板為1 層極薄易碎的泥巖，在地下水的作用下，泥巖易軟化，破壞其自身巖石結構發生變形，促使邊坡發生以該弱層為底界面的切層-順層滑動。主要對東幫邊坡形態進行優化設計，各地層巖土體物理力學指標見表1。選取的邊坡穩定性計算剖面如圖1。

2 邊坡穩定性分析

2.1 分析方法

極限平衡法是根據靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態，以邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩定性[8]。分析巖體和土體穩定性時假定一破壞面，取破壞面內土體，為脫離體計算出作用于脫離體上的力系達到靜力平衡時所需的巖土的抗力或抗剪強度，與破壞面實際所能提供的巖土的抗力或抗剪強度相比較，以求得穩定性安全系數的方法。國內常用的分析方法有：畢肖普（Bish-op）法、簡布（Janbu）法、摩根斯頓-普賴斯（Morgenstern-Price）法、薩爾瑪（Sarma）法[9]等。為此采用二維極限平衡分析軟件對新嶺露天礦東幫邊坡進行邊坡穩定性分析。

表1 巖土體物理力學指標

圖1 典型工程地質剖面

2.2 東幫邊坡穩定性

新嶺露天礦東幫地表已到界，服務年限較長且為露天礦重要運輸道路，根據GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范的要求，綜合確定東幫邊坡的安全儲備系數為1.2。計算了東幫現狀邊坡穩定性及優化后東幫邊坡穩定性。東幫現狀邊坡穩定性如圖2，邊坡高度為141.1 m，邊坡角度24°，穩定系數為1.33。優化后東幫邊坡穩定性如圖3，邊坡高度148.3 m，邊坡角度26°，穩定系數1.2。邊坡穩定性系數隨邊坡角的變化曲線如圖4。

由圖2、圖3 的計算結果分析出新嶺露天礦東幫邊坡的滑坡模式為以煤層底板弱層為底界面的切層-順層滑動。由圖4 可知，當邊坡角度逐漸加陡，東幫邊坡穩定性隨之減小，東幫邊坡穩定性隨邊坡角的增大而減小，邊坡安全隱患問題隨之而來。因此最終確定東幫邊坡角為26°時，其邊坡穩定系數為1.2，滿足相關規范的規定。此時的東幫邊坡形態為最優形態。

圖2 東幫現狀邊坡穩定性

圖3 優化后東幫邊坡穩定性

圖4 邊坡穩定性與不同邊坡角度關系曲線

3 邊坡數值模擬

邊坡的穩定性評價從嚴謹角度來說，邊坡發生滑坡屬于空間力學問題，應該從三維的角度來分析評價。數值模擬分析中的有限元、有限差分等方法廣泛應用于模擬巖體發生大變形過程中應力與應變的變化情況[10]。將利用FLAC3D軟件建立三維模型對新嶺露天礦東幫邊坡的穩定性及其變形破壞機理進行模擬分析。選取邊坡角26°時的東幫邊坡進行數值模擬，與傳統的極限平衡法比較FLAC3D強度折減的理論體系更加嚴格，相比來說強度折減理論更加全面的滿足了靜力平衡、應變相容，以及巖土體的非線性應力-應變關系。因此，利用FLAC3D軟件的強度折減法原理，計算東幫邊坡處于臨界失穩狀態時的穩定系數為1.21。數值模擬結果云圖如圖5。

圖5 數值模擬結果

從圖5 中可以看出邊坡的滑動力主要來自于上覆巖層重力的分力產生下滑力，下滑力抵抗抗滑力在邊坡的臨空面產生位移。從最大位移云圖及剪切應變增量云圖可以看出，邊坡整體穩定性較好，個別臺階位移較大且存在應力集中，在生產中通過控制臺階邊坡角進而控制單臺階穩定性。從垂直應力云圖可以看出，邊坡在自重應力及泊松效應的影響下，隨著埋深增加逐漸增大且順著坡面方向呈層狀一直延伸到坡腳處。東幫邊坡的滑坡機理為：弱層由于受到上部巖體的擠壓產生塑性屈服，當與上部巖體產生的裂隙貫通后，坡體內部滑動帶形成，帶動滑體發生剪切變化，即滑體沿著弱層的方向滑出。根據FLAC3D數值模擬軟件的計算結果與極限平衡分析軟件分析的結果相互印證。

4 結語

1）新嶺露天礦東幫的穩定性與其煤層底板賦存的弱層有關，其發生滑坡的形式為上部產生裂隙與下部弱層貫通，并沿著弱層滑出。東幫邊坡穩定性隨邊坡角增加而降低。

2）對新嶺露天礦東幫邊坡進行了形態優化設計，最終確定東幫邊坡角為26°時，邊坡穩定系數為1.2，此時的東幫邊坡形態為最優形態。

3）東幫邊坡的滑坡機理為：弱層由于受到上部巖體的擠壓產生塑性屈服，當與上部巖體產生的裂隙貫通后，坡體內部滑動帶形成，帶動滑體發生剪切變化，即滑體沿著弱層的方向滑出。