針對近水平露天煤礦分析其邊坡穩定性

閆云飛

摘要：伴隨著我國社會經濟的飛速發展，露天煤礦開采工作得到了人們的重點關注，其中露天煤礦的邊坡穩定性也逐漸得到了人們的重視。露天煤礦邊坡穩定性容易受到很多因素的影響，我們需要認真了解不同的影響因素，然后采取科學的對策不斷提升露天煤礦邊坡穩定性，從而有效提升露天煤礦開采水平，推動露天煤礦的可持續發展。

關鍵詞：近水平露天煤礦；邊坡穩定性；提升

引言

針對滿足內排條件的近水平露天煤礦開采過程中，開挖導致的采場工作幫與內排土場都會給露天煤礦的邊坡穩定性造成一定的負面影響，我們需要不斷調整邊坡露出的長度，從而有效提升邊坡穩定性。如何有效利用這種效應，構筑有利于安全穩定的邊坡空間形態，最大限度地回采端幫下壓煤是露天開采領域致力解決的空間力學難題。從工程應用的角度來看，露天礦邊坡穩定性分析仍廣泛采用二維方法。該類方法的實質是平面應變問題，不能體現邊坡的三維效應，導致設計的邊坡偏于保守，造成端幫壓煤。其實，早在20世紀60年代末開始認識到邊坡穩定性的三維效應，并開展了三維穩定性計算方法及其應用的研究工作。盡管如此，由于存在問題靜定可解性與空間力系分析這兩大難點，各種三維穩定性計算方法以均質或類均質邊坡為研究對象且大量的假定，對于受采場工作幫與內排土場雙重約束下的近水平露天礦端幫邊坡的適用性尚有待驗證。隨著計算機技術的飛速發展，以有限元法、有限差分、離散元法等為代表的數值計算方法應用越來越廣泛，成為解決巖體工程空間變形與三維穩定性問題的有效手段。筆者以某露天礦為工程背景，借助數值模擬手段，對其西端幫邊坡的三維穩定性進行研究，分析并揭示邊坡暴露長度對邊坡穩定性的影響，為露天礦開采設計提供依據，為類似邊坡工程提供借鑒。

1某露天煤礦的邊坡周圍地質情況研究

通過實地調查不難發現，某露天煤礦的地形較為平緩，西北地勢比東南地勢高，區域內的地層分為幾種不同的層次，其中一層主要以粉細砂、粉土為主要組成部分；另一層主要以砂礫為主要組成部分；還有一層以泥巖、煤、炭質泥巖為主要組成部分，在煤層頂板發育有炭質泥巖弱層，吸水性和持水性較強、軟化程度較高。原設計西端幫邊坡高度約90m，坡體內賦存一大型順傾正斷層FX1，與邊坡走向基本一致、傾角46°～64°、落差大于200m，走向延長5km以上。為最大限度回采邊坡壓煤，露天礦擬利用采場工作幫與內排土場的支擋作用，深部臺階采用并段式開采，自FX1斷層與6號煤層底板交線以上，將上盤煤全部采出，此時局部留設約35m高的臺階，整體邊坡角由原設計的27°加陡為33°，存在一定的安全隱患。為此，需研究不同采場、內排土場追蹤距離條件下邊坡變形與穩定性變化規律，闡明邊坡穩定性的尺度效應，為剝采工程設計與安全實施提供依據。

2露天煤礦邊坡三維穩定性數值模擬分析

2.1露天煤礦邊坡穩定性的相關模擬模型創建

露天煤礦的邊坡穩定性相關模擬模型創建主要是有采場工作幫、內排土場以及西端幫組成的，由于模型的創建較為繁瑣，需要工作人員更加認真仔細。巖土體采用帶拉剪復合屈服判據的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，單元類型為8節點、4面體單元。為盡可能反映西端幫邊坡穩定性的尺寸效應，按照不同采場、內排土場追蹤距離（簡稱“追蹤距離”）分別為50、100、150、200m，建立了4種工況下的模擬模型。每個模型包括西端幫、采場工作幫和內排土場三個部分。不同模型的高度H、寬度D、工作幫坡角φ、內排土場邊坡角β以及西端幫開挖形態保持不變（H=320m、D=1550m、φ=23°、β=11°），僅改變追蹤距離L。需要注意的是，為避免邊界效應對計算結果的影響，模型的尺寸應滿足Goodman建議要求，模型的西端幫坡面、工作幫坡面與內排土場坡面為自由面，模型四周與底部分別采用水平和垂直位移約束；此外，模型中的工作幫與內排土場只起到對端幫邊坡的支擋作用，因此賦予了較大的變形與強度參數，泥巖的黏聚力為50kPa、內摩擦角為25°、容重為19.6kN/m3、彈性模量為680MPa、泊松比為0.27。

2.2露天煤礦邊坡穩定性的模擬結果研究

通過分析露天煤礦邊坡穩定性的模擬結果不難看出，不同內排模式下的邊坡穩定性各不相同，在巖土體自重及開挖卸荷的雙重作用下，邊坡巖體發生向采空區的大變形，變形量與變形范圍隨著追蹤距離的增大而增大；受上部巖體擠壓，高臺階部分的變形相對明顯，表明滑坡的力學成因類型為推動式；邊坡變形受到潛在滑體兩側巖體的鉗制作用影響而呈現中間大、兩側小的趨勢，追蹤距離愈小，這種效應愈加顯著，表明減小追蹤距離是控制邊坡變形和提高其穩定性的有效途徑；滑體的平面形態基本上為橢圓形，且其長軸與短軸隨追蹤距離的增大近線性增大，表明影響邊坡三維破壞模式的外在因素主要是邊坡的斷面形態與暴露長度。

3研究露天煤礦的邊坡三維穩定性計算模型的創建

結合露天煤礦西端幫的相關情況可以發現，左右的滑體都是有幾個不同的空間曲面包圍起來的封閉式的空間，這些空間曲面包括臺階坡面和平盤構成的邊坡面、地表面、圓弧滑面及側界面，通過分析各個曲面的形態，即可確定描述出滑體的空間形態，進而建立起計算模型。根據FLAC3D數值模擬得出的滑裂面位置和形態，分別建立了不同追蹤距離條件下的西端幫三維模型。結合FLAC3D數值模擬結果，同時考慮到實際滑面的形狀是變化的，且在空間表現出一定的起伏，直接用平面去近似會帶來較大誤差。因此，通過對剖面圖上滑面的空間坐標進行采樣和曲面擬合，可實現滑裂面三維空間幾何形態的準確描述。

4結論

第一，受到采場和內排土場的影響，進水平露天煤礦端幫邊坡穩定性出現了一定的變化，通過降低采場、內排土壤追蹤距離能夠有效提升邊坡穩定性，可按《煤炭工業露天礦設計規范》要求，追蹤距離為50m。第二，露天礦端幫邊坡變形受到潛在滑體兩側巖體的夾持作用影響而呈現中間大、兩側小的趨勢，且這種夾持作用隨著采場、內排土場追蹤距離減小而增大；邊坡穩定系數隨追蹤距離的增大呈負指數規律下降，當追蹤距離不超過100m時，可滿足安全要求；當追蹤距離達到200m時，邊坡穩定性的尺寸效應基本消失。第三，露天礦西端幫邊坡的滑裂面近似一橢球面，其長軸與短軸均隨著采場、內排土場追蹤距離的增大近線性增大；受上部巖體擠壓，高臺階部分的變形相對明顯，表明滑坡的力學成因類型為推動式。

參考文獻：

[1]劉明新.勝利東二露天煤礦內排土場邊坡穩定性研究[J].內蒙古煤炭經濟，2018（24）：16-19.