黑山露天礦邊坡失穩(wěn)模式及破壞機(jī)制研究

郭海建

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 撫順 113122）

邊坡穩(wěn)定性一直是露天礦開采領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，不同露天礦的地質(zhì)條件狀況對(duì)于各自邊坡穩(wěn)定性的影響范圍及程度也有所不同，邊坡失穩(wěn)與破壞問題已經(jīng)成為影響或制約露天開采的重要難點(diǎn)。如何針對(duì)復(fù)雜工程地質(zhì)條件下邊坡的失穩(wěn)模式與破壞機(jī)制問題進(jìn)行研究，是目前露天開采領(lǐng)域迫切需要解決的難題。多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于露天礦邊坡失穩(wěn)及破壞機(jī)制問題的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1-7]。雖然眾多學(xué)者對(duì)于邊坡失穩(wěn)模式及破壞機(jī)制問題進(jìn)行了分析，但大多專注于常規(guī)的邊坡形態(tài)，這種理想的設(shè)定一定程度上忽略了煤柱留設(shè)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。而事實(shí)上，煤柱留設(shè)方式對(duì)邊坡失穩(wěn)及破壞有至關(guān)重要的影響，為此，以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，研究了影響邊坡穩(wěn)定性的控制因素，揭示了不同煤柱留設(shè)方案下邊坡的失穩(wěn)模式及破壞機(jī)理。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

1）地層巖性特征。黑山露天煤礦礦區(qū)為高山地形，邊坡自下而上由侏羅系和第四系地層及局部分布的燒變巖組成。侏羅系地層主要由泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤及砂巖組成，其中砂巖所占比重大，泥巖及炭質(zhì)泥巖含量較少。總體上該段巖體完整性差，質(zhì)量極劣。但其中作為基巖的砂巖膠結(jié)表現(xiàn)相對(duì)較好，其在飽和狀態(tài)下巖石試件的抗壓強(qiáng)度平均值為24.3 MPa，大于14 MPa，屬于較為堅(jiān)硬的巖類。四系組成巖體結(jié)構(gòu)松散破碎、其總體上完整性很差，但四系巖體分布位置與厚度均有限，對(duì)露天開采影響不大。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，邊坡的組成巖體強(qiáng)度不均一，巖性復(fù)雜，存在軟巖硬巖相互交疊的現(xiàn)象。雖硬巖含量較高，但除砂巖外的各類巖體的完整性均較差，且質(zhì)劣。

2）弱層賦存特征。根據(jù)已揭露的地層，結(jié)合鉆孔取樣信息，13#煤層中含有力學(xué)性質(zhì)軟弱的炭質(zhì)泥巖，厚度約為0.6～4.45 cm，軟弱層以泥質(zhì)膠結(jié)為主，含炭質(zhì)，軟塑狀，其抗剪強(qiáng)度較低，黏聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為12°，易構(gòu)成滑坡體的底滑面。

2 邊坡數(shù)值模擬

2.1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

以不同煤柱留設(shè)方案為典型剖面，根據(jù)以往地質(zhì)資料及試驗(yàn)成果，綜合確定了邊坡巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)。不留設(shè)煤柱邊坡設(shè)計(jì)方案剖面如圖1，留設(shè)煤柱邊坡設(shè)計(jì)方案剖面如圖2。用于計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)指標(biāo)見表1，其中黏聚力、內(nèi)摩擦角和密度用于極限平衡計(jì)算。

圖1 不留設(shè)煤柱邊坡設(shè)計(jì)方案剖面圖

圖2 留設(shè)煤柱邊坡設(shè)計(jì)方案剖面圖

2.2 FlAC3D 計(jì)算原理

嚴(yán)格意義上講，滑坡是否產(chǎn)生應(yīng)當(dāng)歸納入空間力學(xué)問題范疇內(nèi)，在分析邊坡失穩(wěn)模式或破壞機(jī)制應(yīng)站在三維的視角來看待。然而三維分析方法的模型生成往往復(fù)雜繁瑣，運(yùn)算過程費(fèi)時(shí)，不利于在工程設(shè)計(jì)上大范圍的應(yīng)用。同比，二維分析方法則具有運(yùn)算結(jié)論精度良好與計(jì)算便捷的優(yōu)點(diǎn)。故而，工程設(shè)計(jì)上常以二維分析方法取得一定成果后再引入三維分析方法論證[8-10]。此舉既可以縮短求解費(fèi)時(shí)的過程，又可對(duì)比兩類方法取得的結(jié)果，提高設(shè)計(jì)與工程實(shí)際的貼合度。FLAC3D軟件基于快速拉格朗日差分法在彈、黏彈、塑、黏塑性等材料領(lǐng)域問題的求解上表現(xiàn)出色，其對(duì)于任何幾何形狀的幾何體均可進(jìn)行線性或非線性分析。同時(shí)，該軟件還能一定程度上考慮邊坡巖體的非均質(zhì)性與不連續(xù)性，規(guī)避了類似極限平衡分析法中將滑體簡(jiǎn)單定義為剛體的缺陷。同時(shí)避免了工程中人為因素的影響，將不同支護(hù)效果及材料本身特效納入計(jì)算中考量。因此，擬采用大型巖土工程分析軟件FLAC3D對(duì)露天煤礦邊坡失穩(wěn)模式及破壞機(jī)制進(jìn)行分析。FLAC3D數(shù)值模擬分析邊坡穩(wěn)定性，主要根據(jù)邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)巖土體強(qiáng)度折減特性進(jìn)行分析，其強(qiáng)度折減系數(shù)Ks即為邊坡安全系數(shù)。其抗剪強(qiáng)度折減公式如下：

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

式中：c、φ 為折減前的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c′、φ′為折減后的強(qiáng)度參數(shù)；Ks為強(qiáng)度折減系數(shù)。

2.3 數(shù)值模擬方案

為了研究不同煤柱留設(shè)方案下邊坡的變形破壞規(guī)律，利用CAD 軟件簡(jiǎn)易的三維造型工具構(gòu)建模型的基本框架，將生成的點(diǎn)、線數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS 軟件生成模型的面、體形態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，提取的節(jié)點(diǎn)、單元信息最終導(dǎo)入FLAC3D軟件生成模型。然后，利用Fish 語言編輯相應(yīng)的強(qiáng)度折減命令流，將不同巖層對(duì)應(yīng)賦值，邊界約束條件為：水平兩側(cè)約束為0，底部水平及垂直方向約束為0。在垂直方向上為重力加載，設(shè)置計(jì)算精度為9.8×10-5。

1）不留煤柱設(shè)計(jì)方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬。不留設(shè)煤柱方案計(jì)算模型圖如圖3，煤柱方案1#～3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向監(jiān)測(cè)曲線如圖4，中1#～3#水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于水平標(biāo)高＋2 550 m 坡肩、＋2 505 m 坡肩、＋2 465 m 坡腳。

圖3 不留設(shè)煤柱方案計(jì)算模型圖

圖4 不留設(shè)煤柱方案1#～3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向監(jiān)測(cè)曲線

2）留煤柱設(shè)計(jì)方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬。留設(shè)煤柱方案邊坡計(jì)算模型圖如圖5，留設(shè)煤柱方案1#～6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向監(jiān)測(cè)曲線如圖6，1#～6#水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于水平標(biāo)高＋2 610 m 坡肩、＋2 565 m坡肩、＋2 505 m 坡肩、＋2 430 m 坡肩、＋2 420 m 坡腳。

圖5 留設(shè)煤柱方案計(jì)算模型圖

圖6 留設(shè)煤柱方案1#～6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向監(jiān)測(cè)曲線

3 模擬結(jié)果與分析

不留設(shè)煤柱方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖如圖7，留設(shè)煤柱方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖如圖8。

圖7 不留設(shè)煤柱方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖

由圖7 得出，2#和3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移較大，邊坡位移云圖中位移最大區(qū)域?yàn)檫吰轮邢虏浚攥F(xiàn)象相符，說明邊坡破壞主要由下部巖體牽引邊坡整體沿弱層位置發(fā)生滑動(dòng)；由邊坡應(yīng)力云圖可知垂直方向的應(yīng)力在空間上分布勻稱且隨著埋深的提高漸變?cè)鲩L(zhǎng)；由邊坡臨空面向坡體內(nèi)部水的平應(yīng)力大小亦呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，水平方向的應(yīng)力在空間上的分布也變現(xiàn)出一定的層狀特性，但在坡肩與坡面轉(zhuǎn)折位置分布不連續(xù)，同時(shí)坡腳處也表現(xiàn)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這是邊坡模型形變產(chǎn)生的主要原因之一。

圖8 留設(shè)煤柱方案邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖

由圖8 可知，1#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移較大，5#、6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移較小，而邊坡位移云圖中，位移最大區(qū)域?yàn)檫吰轮猩喜浚虏枯^小，說明邊坡破壞主要由邊坡上部巖體推動(dòng)下部巖體沿弱層發(fā)生滑動(dòng)；由邊坡應(yīng)力云圖可知邊坡模型產(chǎn)生形變較大的區(qū)域均分布在坡肩與坡面轉(zhuǎn)折位置，而坡腳處形變量則相對(duì)較小。可見在模擬運(yùn)算過程中，邊坡模型上部巖體首先失去平衡產(chǎn)生形變并擠壓推動(dòng)下部巖體使模型發(fā)生進(jìn)一步破壞，其力學(xué)機(jī)制符合推動(dòng)式滑坡的定義。

結(jié)合邊坡數(shù)值模擬位移云圖、應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果，并通過對(duì)比分析圖4、圖6 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向曲線，不同煤柱留設(shè)方案下邊坡水平方向位移特征主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：煤柱留設(shè)方案中邊坡下部位移特征較為明顯，越靠近邊坡下部，變形位移量越大，不利于邊坡的穩(wěn)定。煤柱留設(shè)方案中邊坡下部變形移動(dòng)特征不明顯，且變形范圍較小，坡腳應(yīng)力集中較弱，有利于邊坡的穩(wěn)定。綜上所述可知，邊坡的失穩(wěn)模式為邊坡巖土體在自身重力的作用發(fā)生以圓弧為側(cè)界面、以弱層為底界面的組合式滑動(dòng)。

4 結(jié)語

1）邊坡的失穩(wěn)模式為以圓弧為側(cè)界面、以弱層為底界面的組合式滑動(dòng)，弱層是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

2）留設(shè)煤柱邊坡模型變形破壞的力學(xué)機(jī)理符合牽引式滑坡的定義，不留設(shè)煤柱邊坡模型變形破壞的力學(xué)機(jī)理符合推動(dòng)式滑坡的定義，靠近臨空面的水平應(yīng)力分布不連續(xù)與應(yīng)力集中現(xiàn)象是邊坡形變產(chǎn)生的內(nèi)在原因。