黑山露天礦邊坡失穩模式及破壞機制研究

郭海建

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧 撫順 113122）

邊坡穩定性一直是露天礦開采領域研究的熱點，不同露天礦的地質條件狀況對于各自邊坡穩定性的影響范圍及程度也有所不同，邊坡失穩與破壞問題已經成為影響或制約露天開采的重要難點。如何針對復雜工程地質條件下邊坡的失穩模式與破壞機制問題進行研究，是目前露天開采領域迫切需要解決的難題。多年來國內外學者對于露天礦邊坡失穩及破壞機制問題的研究取得了長足的進步[1-7]。雖然眾多學者對于邊坡失穩模式及破壞機制問題進行了分析，但大多專注于常規的邊坡形態，這種理想的設定一定程度上忽略了煤柱留設對邊坡穩定性的影響。而事實上，煤柱留設方式對邊坡失穩及破壞有至關重要的影響，為此，以實際工程為基礎，研究了影響邊坡穩定性的控制因素，揭示了不同煤柱留設方案下邊坡的失穩模式及破壞機理。

1 礦區地質特征

1）地層巖性特征。黑山露天煤礦礦區為高山地形，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、炭質泥巖、煤及砂巖組成，其中砂巖所占比重大，泥巖及炭質泥巖含量較少。總體上該段巖體完整性差，質量極劣。但其中作為基巖的砂巖膠結表現相對較好，其在飽和狀態下巖石試件的抗壓強度平均值為24.3 MPa，大于14 MPa，屬于較為堅硬的巖類。四系組成巖體結構松散破碎、其總體上完整性很差，但四系巖體分布位置與厚度均有限，對露天開采影響不大。根據地質勘察結果，邊坡的組成巖體強度不均一，巖性復雜，存在軟巖硬巖相互交疊的現象。雖硬巖含量較高，但除砂巖外的各類巖體的完整性均較差，且質劣。

2）弱層賦存特征。根據已揭露的地層，結合鉆孔取樣信息，13#煤層中含有力學性質軟弱的炭質泥巖，厚度約為0.6～4.45 cm，軟弱層以泥質膠結為主，含炭質，軟塑狀，其抗剪強度較低，黏聚力為10 kPa，內摩擦角為12°，易構成滑坡體的底滑面。

2 邊坡數值模擬

2.1 巖土體物理力學指標

以不同煤柱留設方案為典型剖面，根據以往地質資料及試驗成果，綜合確定了邊坡巖土體的物理力學指標。不留設煤柱邊坡設計方案剖面如圖1，留設煤柱邊坡設計方案剖面如圖2。用于計算邊坡穩定性的力學指標見表1，其中黏聚力、內摩擦角和密度用于極限平衡計算。

圖1 不留設煤柱邊坡設計方案剖面圖

圖2 留設煤柱邊坡設計方案剖面圖

2.2 FlAC3D 計算原理

嚴格意義上講，滑坡是否產生應當歸納入空間力學問題范疇內，在分析邊坡失穩模式或破壞機制應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雜繁瑣，運算過程費時，不利于在工程設計上大范圍的應用。同比，二維分析方法則具有運算結論精度良好與計算便捷的優點。故而，工程設計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時的過程，又可對比兩類方法取得的結果，提高設計與工程實際的貼合度。FLAC3D軟件基于快速拉格朗日差分法在彈、黏彈、塑、黏塑性等材料領域問題的求解上表現出色，其對于任何幾何形狀的幾何體均可進行線性或非線性分析。同時，該軟件還能一定程度上考慮邊坡巖體的非均質性與不連續性，規避了類似極限平衡分析法中將滑體簡單定義為剛體的缺陷。同時避免了工程中人為因素的影響，將不同支護效果及材料本身特效納入計算中考量。因此，擬采用大型巖土工程分析軟件FLAC3D對露天煤礦邊坡失穩模式及破壞機制進行分析。FLAC3D數值模擬分析邊坡穩定性，主要根據邊坡臨界失穩時巖土體強度折減特性進行分析，其強度折減系數Ks即為邊坡安全系數。其抗剪強度折減公式如下：

表1 巖土體物理力學指標

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

2.3 數值模擬方案

為了研究不同煤柱留設方案下邊坡的變形破壞規律，利用CAD 軟件簡易的三維造型工具構建模型的基本框架，將生成的點、線數據導入ANSYS 軟件生成模型的面、體形態并進行相應的網格劃分，提取的節點、單元信息最終導入FLAC3D軟件生成模型。然后，利用Fish 語言編輯相應的強度折減命令流，將不同巖層對應賦值，邊界約束條件為：水平兩側約束為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，設置計算精度為9.8×10-5。

1）不留煤柱設計方案邊坡穩定性數值模擬。不留設煤柱方案計算模型圖如圖3，煤柱方案1#～3#監測點水平方向監測曲線如圖4，中1#～3#水平位移監測點分別位于水平標高＋2 550 m 坡肩、＋2 505 m 坡肩、＋2 465 m 坡腳。

圖3 不留設煤柱方案計算模型圖

圖4 不留設煤柱方案1#～3#監測點水平方向監測曲線

2）留煤柱設計方案邊坡穩定性數值模擬。留設煤柱方案邊坡計算模型圖如圖5，留設煤柱方案1#～6#監測點水平方向監測曲線如圖6，1#～6#水平位移監測點分別位于水平標高＋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 留設煤柱方案計算模型圖

圖6 留設煤柱方案1#～6#監測點水平方向監測曲線

3 模擬結果與分析

不留設煤柱方案邊坡穩定性數值模擬云圖如圖7，留設煤柱方案邊坡穩定性數值模擬云圖如圖8。

圖7 不留設煤柱方案邊坡穩定性數值模擬云圖

由圖7 得出，2#和3#監測點位移較大，邊坡位移云圖中位移最大區域為邊坡中下部，二者現象相符，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生滑動；由邊坡應力云圖可知垂直方向的應力在空間上分布勻稱且隨著埋深的提高漸變增長；由邊坡臨空面向坡體內部水的平應力大小亦呈增長態勢，水平方向的應力在空間上的分布也變現出一定的層狀特性，但在坡肩與坡面轉折位置分布不連續，同時坡腳處也表現有應力集中的現象，這是邊坡模型形變產生的主要原因之一。

圖8 留設煤柱方案邊坡穩定性數值模擬云圖

由圖8 可知，1#～4#監測點水平位移較大，5#、6#監測點位移較小，而邊坡位移云圖中，位移最大區域為邊坡中上部，下部較小，說明邊坡破壞主要由邊坡上部巖體推動下部巖體沿弱層發生滑動；由邊坡應力云圖可知邊坡模型產生形變較大的區域均分布在坡肩與坡面轉折位置，而坡腳處形變量則相對較小?？梢娫谀M運算過程中，邊坡模型上部巖體首先失去平衡產生形變并擠壓推動下部巖體使模型發生進一步破壞，其力學機制符合推動式滑坡的定義。

結合邊坡數值模擬位移云圖、應力云圖計算結果，并通過對比分析圖4、圖6 的監測點水平方向曲線，不同煤柱留設方案下邊坡水平方向位移特征主要體現在2 個方面：煤柱留設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，不利于邊坡的穩定。煤柱留設方案中邊坡下部變形移動特征不明顯，且變形范圍較小，坡腳應力集中較弱，有利于邊坡的穩定。綜上所述可知，邊坡的失穩模式為邊坡巖土體在自身重力的作用發生以圓弧為側界面、以弱層為底界面的組合式滑動。

4 結語

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

2）留設煤柱邊坡模型變形破壞的力學機理符合牽引式滑坡的定義，不留設煤柱邊坡模型變形破壞的力學機理符合推動式滑坡的定義，靠近臨空面的水平應力分布不連續與應力集中現象是邊坡形變產生的內在原因。