平朔東露天礦邊坡變形機理分析及穩定性控制措施

李桂艷

（中煤平朔集團公司 露天工程服務分公司，山西 朔州 036006）

在露天礦生產中，采場邊坡的穩定性是礦山能否正常生產的關鍵因素之一，露天煤礦邊坡最常見的破壞形式即為滑坡[1-2]。導致邊坡出現滑坡的影響因素眾多，可將眾多影響因素大致劃分為2 類，即外在因素和內在因素；內在原因主要為地質構造、采礦活動、水文地質條件等，外在原因主要有邊坡受到冰凍、雨雪以及日曬等[3-4]，另外人們在邊坡技術管理方面弱也是造成邊坡滑坡的原因。為保障采場邊坡的穩定，避免邊坡滑坡事故的出現，對提升礦山經濟效益安全性具有重要意義。為此，根據平朔東露天礦的地質特征和開采條件，采用數值模擬進行北幫和南幫變形機理的分析，采用理論分析與現場實測的方式進行邊坡穩定性的評價。

1 工程概況

中煤平朔集團有限公司東露天礦開采4#煤、9#煤和11#煤，目前礦山已開采至11#煤層，礦坑最大深度已經超過250 m，且隨著開采工作進行，首采區向西側推進，南幫及北幫潛在不穩定邊坡逐漸揭露，根據井田地質資料可知，北幫榆嶺村區域，隨著采剝作業逐漸推進，將在該處形成近60 m 高的土質邊坡，這對上方榆嶺村村民的安全將構成極大威脅；南幫向西繼續推進，煤層底板逐漸走低，形成的邊坡越來越高，且該處邊坡向西上覆土層越來越厚，存在較大不穩定隱患，因此，對采場內北幫和南幫的穩定性進行分析與評價勢在必行。

2 邊坡變形分析

2.1 橫數值模擬模型

為有效分析采場在現有開采條件下北幫和南幫邊坡的變形機理，現采用FLAC3D數值模擬軟件進行變形的模擬分析，基于極限平衡法和現場實際進行分析，數值模擬模型圖如圖1。

圖1 數值模擬模型圖

北幫邊坡變形機理選用北幫1-1 剖面進行研究分析，邊坡模型如圖1（a），邊坡巖土體主要包括粉土、粉質黏土、砂巖、泥巖、泥砂巖互層及煤層，模型尺寸為940 m×150 m×280 m；南幫邊坡變形機理選南幫用3-2 剖面進行分析，邊坡模型如圖1（b），巖土體主要包括粉土、粉質黏土、軟弱層、砂巖、泥巖、泥砂巖互層、破碎帶及煤層，模型尺寸為150 m×800 m×314 m，模型中各巖層物理力學參數根據現場取樣試驗結果進行賦值，模型邊界條件為底部固定、左右和前后邊界分別固定x 和y 方向的位移。

2.2 北幫變形機理分析

模型建立后先進行初始地應力的平衡，當應力平衡后進行開采作業，開采至現狀邊坡，然后計算至平衡，由于邊坡開采、卸荷效應引發了位移、塑性區狀態和最大剪應變等變化，北幫1-1 剖面開采到現狀后計算收斂，北幫開采到現狀水平應力計塑性區分布圖如圖2。

圖2 北幫開采到現狀水平應力計塑性區分布圖

由圖2 可以看出，北幫邊坡最大水平位移發生在粉質黏土層區域，約42 cm，明顯大于邊坡其它區域，表明上部土層邊坡穩定性較差，需加強監測，必要時需采取一定處治措施；坡面部分塑性區分布較多，很少部分存在于采場深部，表明邊坡局部穩定性狀況較差，建議將上部臺階削坡放緩；另外根據邊坡最大剪應變增量云圖可知，邊坡僅上部粉質黏土層出露地表局部存在較大剪應變增量，表明該處相對變形較大，而其它區域相對變形都較小。

綜合上述計算結果，并結合現場實際，當前狀態下北幫1-1 剖面采場處邊坡整體是穩定的，但粉質黏土層邊坡較陡、變形過大，有局部失穩可能，需加強監測，必要時采取處治措施。

2.3 南幫變形機理分析

南幫邊坡變形的模擬過程同北幫，根據數值模擬結果能夠得出開采到現狀，計算能夠自動平衡，南幫邊坡水平位移云圖如圖3。

圖3 南幫開采到現狀水平位移云圖

由圖3 可以看出，南幫1 380 m 水平平臺以上至1 420 m 水平平臺的土質邊坡位移相對較大，位移較大部分呈圓弧形滑動，這即表明土質邊坡不穩定；坡面塑性區主要集中在1 380～1 420 m 水平平臺的土體處以及下部臺階處，局部臺階已經產生破壞，產生剪切破壞，邊坡穩定性較差。另外根據南幫剪應變增量云圖可知1 350 m 水平平臺以上局部存在較大剪應變增量，表明該處相對變形較大，而其它區域相對變形較小。

綜合上述計算結果，并結合現場實際，當前狀態下南幫3-2 剖面采場處邊坡整體不穩定，且1 350 m水平平臺以上變形過大，有失穩可能，需加強監測。

3 邊坡穩定性評價與控制

3.1 評價理論方法的選取

為有效分析邊坡的穩定性，結合目前國內外眾多邊坡穩定性的評價方法，結合平朔東露天礦的地質條件，確定采用簡化Bishop 法記性邊坡穩定性的評價，根據現有的邊坡穩定性極限平衡分析方法，結合井田地質條件，確定本次選取極限平衡法-Bishop 法進行邊坡穩定性評價。該法是采用圓弧滑裂面，通過力矩平衡條件進行穩定性求解，另外該法在進行土條底部法向力分析時，考慮條間作用力在法線方向上影響，以使分析結果更精確[5-7]。具體其初步判別標準為：①邊坡安全系數大于1.20，邊坡穩定；②邊坡安全系數在1.10～1.20，邊坡基本穩定；③邊坡安全系數小于1.10，邊坡不穩定。

本次對于東露天礦北幫和南幫邊坡穩定性的評價，在初步判別的基礎上，綜合考慮滑面形狀、邊坡巖土層分布、軟弱結構面產狀及平朔地區類似工程經驗等，最終給出邊坡穩定性的綜合性評價。

3.2 邊坡穩定性評價結果

1）北幫邊坡穩定性評價。本次北幫穩定性邊坡穩定性分析選取北幫1-1 剖面，進行采場和排土場現狀邊坡穩定性狀況分析，對性質較均一土層邊坡采用圓弧滑動面分析方法，對下部巖石邊坡采用折線滑動面分析方法。北幫現狀邊坡上部以粉土和粉質黏土為主，計算采用圓弧滑動面分析，北幫1-1剖面現狀邊坡圓弧滑動面分析結果如圖4，最小安全系數為0.829，邊坡最不穩定區域主要位于1 380 m 水平平臺以上，局部單臺階坡角達70°，臺階過陡，這是邊坡的主要危險因素。此外，榆嶺十戶下方的1 410～1 430 m 水平臺階安全系數為0.938，邊坡也不穩定。

圖4 北幫1-1 剖面現狀邊坡圓弧滑動面分析結果

2）南幫邊坡穩定性評價。東露天礦對南幫滑坡區進行了一系列削幫工作，削坡作業主要在1 390 m 水平以上，1 400 m 水平上部土體已經基本削除至征地邊界。對削坡后現狀進行分析。現狀邊坡上部以粉土和粉質黏土為主，計算首先采用圓弧滑動面分析。此外，由于南幫土體已經發生過滑動，形成了軟弱滑移面，因此需要分析滑體發生整體滑移失穩的可能性。對滑體進行沿滑移面滑動分析，本次南幫邊坡穩定性評價主要選取3-2 剖面進行分析。南幫3-2 剖面沿圓弧滑動面分析計算結果如圖5。由圖5（a）可知，最小安全系數為0.761，邊坡最不穩定區域主要位于1 350 m 水平平臺的土巖交界面。發生局部單臺階失穩乃至土層邊坡整體失穩的可能性大。由圖5（b）可知，滑體整體安全系數為1.175，處于基本穩定狀態，礦山削坡治理對穩定性有較大改善。

3.3 邊坡穩定性控制對策

根據采場工程地質測繪、工程鉆探以及對各邊坡極限平衡和數值模擬分析的結果，同時結合《煤炭工業露天礦設計規范》等相關規范[8-10]，標示出采場邊坡的潛在不穩定區域。北幫邊坡潛在不穩定區域位于榆嶺十戶下方及東側半連續運輸機道上部土層；南幫主要不穩定區域仍位于原滑坡區域。

1）北幫不穩定區域控制對策。北幫榆嶺村下方邊坡的不穩定區域主要位于采場上部，該處的土質邊坡高近60 m，且局部過陡，建議對1 380 m 水平平臺以上區域有針對性地加強對土層的監測，必要時可采取一定處治措施，如放緩上部土坡的單臺階坡面角。為保證北幫1-1 剖面處邊坡半連續運輸機道的正常作業，建議對上部土坡加強監測，必要時需采取一定處治措施，提高邊坡穩定性。南洼村排土場朝著礦坑方向不易過排，建議排土場與采場的安全距離(排土場距采場1 380 m 水平平臺水平距離)取值大于200 m。

2）南幫不穩定區域控制對策。針對目前南幫裂縫外擴、單臺階片幫及底鼓的現象提出鋪墊碎石壓坡腳的處治建議，南幫滑坡體削坡減載，將1 360 m水平至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡。對1 410～1 430 m 水平單臺階采取回填護頂措施，封住裂隙，防止雨水灌入裂隙使滑面向南移動；當碎石鋪滿整個1 360 m 水平平臺時，將碎石坡道向坡內平移，遠離1 360 m 水平平盤開口線，在1360 m 水平平臺置留出一定的緩沖平臺，根據折線計算結果觀察，最少約需空出10～20 m 距離。鋪墊高度控制在10 m 較經濟合理。

4 結語

平朔東露天礦北幫和南幫邊坡進行了穩定性評價，建議對北幫榆嶺村區域上部土層進行局部削坡清方處治、南幫滑坡體削坡減載，將1 360 m 水平臺階至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡的控制對策，為保障采場邊坡穩定提供有效指導。