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(guó)能寶清煤電化有限公司 朝陽(yáng)露天煤礦，黑龍江 雙鴨山155600；2.北京中礦信實(shí)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院，北京100083）

目前我國(guó)露天開(kāi)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(dá)15%以上，隨著露天開(kāi)采，采場(chǎng)的垂直深度逐年增加，同時(shí)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(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面、地下水、原巖應(yīng)力、爆破震動(dòng)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(dǎo)致滑坡，因此露天煤礦在回收煤炭資源過(guò)程中，按照GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，定期開(kāi)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(guò)程中邊坡的穩(wěn)定、人員及設(shè)備的安全。

寶清露天煤礦在回收煤炭資源過(guò)程中，在工作幫的兩側(cè)形成了外部輪廓不同的東西端幫，同時(shí)在西端幫上布置了運(yùn)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(zhì)概況

寶清露天煤礦位于黑龍江省雙鴨山市寶清縣朝陽(yáng)鄉(xiāng)境內(nèi)，位于三江平原的南部，地形平坦，地面標(biāo)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(nóng)田，在低洼處仍有沼澤地；該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，春秋兩季多風(fēng)，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(xì)砂巖、凝灰?guī)r、礫巖，褐煤所組成，煤層厚度可達(dá)15 m，與下伏寶泉嶺組為整合接觸。

區(qū)域內(nèi)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(shù)河、寶石河、柳毛河、神經(jīng)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(kù)由西至東有龍頭橋水庫(kù)、大索倫河水庫(kù)和蛤蟆通水庫(kù)，另外人工排水河渠縱模交錯(cuò)，也十分發(fā)育。

根據(jù)《黑龍江省寶清縣朝陽(yáng)露天煤礦首采區(qū)專(zhuān)門(mén)水文與工程地質(zhì)勘查報(bào)告》，本區(qū)地層條件相對(duì)簡(jiǎn)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(jié)粉砂巖，隔水層巖性包括黏土、砂質(zhì)黏土和弱膠結(jié)泥巖、砂質(zhì)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(zhì)邊坡穩(wěn)定原理

順層巖質(zhì)邊坡容易沿著層面發(fā)生滑移破壞，由于工程水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，致使順層巖質(zhì)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(yīng)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(jī)動(dòng)位移法進(jìn)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(guò)程中，不存在穿孔爆破對(duì)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(zhì)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(zhǎng)期浸泡巖層，致使巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)的驟降，其次地下水增加巖土體密度相當(dāng)于下滑力增加，再次地下水對(duì)裂隙壁產(chǎn)生靜水壓力及滲透動(dòng)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(jì)算模型如圖1。

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

按照?qǐng)D1 中的計(jì)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(nèi)摩擦角；θ、L 為層面的傾角和長(zhǎng)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(biāo)高78.70 m 左右，地表比較平坦，坑底標(biāo)高約10.00 m，高程差約68.70 m，單臺(tái)階高度約為10.00 m，西端幫目前共計(jì)形成6 個(gè)臺(tái)階。同時(shí)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(shè)備。選用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件對(duì)寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡的破壞模式進(jìn)行分析，對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞的幾何形態(tài)進(jìn)行劃分其破壞模式比較直觀、方便，依據(jù)此種方法巖質(zhì)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(tái)階現(xiàn)狀，建立的典型工程地質(zhì)剖面模型如圖2。

采場(chǎng)西端幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面三維邊坡破壞模式模型的網(wǎng)格劃分如圖3，考慮到模型的邊界效應(yīng)[11]，邊坡變形破壞模式研究的典型工程地質(zhì)剖面模型長(zhǎng)447 m，模型拉伸寬度220 m，露天煤礦采場(chǎng)西端幫地表至采場(chǎng)坑底垂直距離為68.70 m，典型工程地質(zhì)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(zhì)剖面模型在計(jì)算時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定，使整個(gè)系統(tǒng)受力平衡。

圖2 典型工程地質(zhì)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(guò)程中，需要按照設(shè)計(jì)進(jìn)行邊坡的開(kāi)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(guò)程中形成臺(tái)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(diǎn)，變形過(guò)大及變形速率過(guò)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(pán)以上至地表邊坡坡面處巖土的變形量與其他平盤(pán)的變形量相比略大，約為0.137 m；采場(chǎng)西端幫邊坡整體的變形指向礦坑。

邊坡巖體在變形擠壓過(guò)程中，先進(jìn)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(fù)原狀；若在外力繼續(xù)增加后則轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，進(jìn)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(fù)原狀，即巖土體進(jìn)入破壞階段，寶清采場(chǎng)西端幫邊坡破壞區(qū)域如圖5。從采場(chǎng)西端幫邊坡的彈塑性分布特點(diǎn)，可知邊坡的內(nèi)部并未形成貫通塑性帶，說(shuō)明采場(chǎng)西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 寶清采場(chǎng)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(yīng)變?cè)茍D如圖6。從采場(chǎng)西端幫邊坡的變形特征、邊坡彈塑性分布范圍，同時(shí)結(jié)合剪應(yīng)變?cè)茍D可知，采場(chǎng)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(yīng)變?cè)茍D、邊坡位移矢量云圖及邊坡的破壞范圍綜合分析可知采場(chǎng)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(yīng)變?cè)茍DFig.6 Cloud diagram of slope shear strain

在合理的分析寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡變形破壞模式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用我國(guó)學(xué)者研發(fā)的軟件STAB 對(duì)寶清采場(chǎng)西端幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of slope stability

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)西端幫邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，可知寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）依據(jù)寶清露天煤礦的自然狀況、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)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(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及以往勘查資料，結(jié)合寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡現(xiàn)狀及其附近基礎(chǔ)設(shè)施，建立了寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面模型。

3）在分析地下水對(duì)露天煤礦邊坡穩(wěn)定的影響基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析出采場(chǎng)西端幫邊坡的位移量及破壞范圍，最終得出采場(chǎng)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(yùn)用邊坡穩(wěn)定分析軟件對(duì)潛在破壞的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出了寶清露天煤礦采場(chǎng)西端幫邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。