L115 機道安全距離確定與邊坡穩定性研究

高明強

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業公司，內蒙古 通遼 029100）

由于極限平衡法無法考慮邊坡的應力應變問題，國內外專家學者將數值分析方法引入到邊坡工程領域[1-3]。隨著建模技術的逐步成熟，數值分析方法也廣泛應用于工程實際中，主要分為3 大類：有限元法、離散元法、有限差分法。有限元法最為常用的軟件為ANSYS、ABAQUS，離散元法最為常用的軟件為UDEC、PFC，有限差分法最為常用的軟件為FLAC[3-6]。曹蘭柱等[7]以元寶山露天礦排土場為研究對象，應用FLAC3D軟件分析了基底形態、地下水等因素對邊坡失穩變形的影響，揭示了邊坡的滑坡機理及滑坡模式；周偉等[8]以哈爾烏素露天煤礦北端幫邊坡為研究對象，分析了內排壓幫對邊坡穩定性的影響規律，得出了內排寬度及高度與邊坡穩定性系數的函數關系；宋子嶺等[9]以傾斜基底排土場為研究對象，分析了排土場的變形失穩特征及滑坡機理。

上述研究對排土場變形及邊坡穩定性進行了合理、有效工作，但對于在排土場影響范圍內進行開挖工程的研究較少，為此，以扎哈淖爾露天礦排土場、L115 機道溝邊坡為例，通過研究排土場變形范圍，確定開挖機道溝對邊坡穩定性的影響。

1 工程地質概況及潛在滑坡模式

1.1 工程地質概況

扎哈淖爾露天煤礦北排土場自2013 年排棄到界到2018 年7 月份排土場邊坡變形，發生沉降并向南北兩側滑移，排土場頂部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土場南邊坡坡角隆起嚴重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m，現階段排土場隆起范圍150～200 m 范圍，地表境界距離排土場280 m，而依據輪斗移設方案，L114 工作幫帶式輸送機與采場西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 帶式輸送機平行地表境界線布設，若L115 機道溝按地表境界開挖，隨著暴露時間的增加，排土場荷載和第四系潛水的綜合影響，將會影響輪斗系統的平穩運行。

2018 年輪斗114 工作幫帶式輸送機將推進至地表境界拐點，輪斗連續系統2019 年需進行移設技改。經中煤科工沈陽設計院論證，采用其編制的《扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續系統移設工程可行性研究報告》中方案三技改移設方案，即連續系統L114 工作幫帶式輸送機與采場西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 帶式輸送機平行地表境界線布設。

因L115 機道位置北幫為第四系含水沙層，長期受北排土場荷載壓力影響，較易發生片幫等災害事故，同時根據本次輪斗-帶式輸送機布置方案，輪斗-帶式輸送機布置主要是在地表布置或是在端幫第2 個臺階布置，機道溝開挖邊坡的穩定性對于輪斗系統正常剝離至關重要。因此需要分析輪斗布置邊坡的穩定性，確定合理的邊坡形態和邊坡角度。且此區域目前水文地質、巖性參數尚不健全，此位置距離內排較遠，在內排跟進到界之前，上部平盤可暫時按不到界工作幫進行設計，需要與采礦境界保留一定安全距離。因此，為保障機道、帶式輸送機安全以及系統的穩定運行，需要確定合理的安全距離。

掌握邊坡工程地質條件是邊坡穩定性評價、分析和變形破壞前提和基礎[3-4]。確定排土場排棄物料及115 機道溝位置巖土體的物理力學參數，為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩定性分析提供基115礎資料，排土場從上到下，各層巖土體物理力學指標見表1，典型計算模型如圖1。

表1 巖土體物理力學指標

圖1 典型計算模型圖

1.2 邊坡穩定性影響因素及潛在的滑坡模式

根據扎哈淖爾露天煤礦第四系、排土場現狀和泥巖基底巖性考慮，第四系砂層巖性以淺黃色細砂為主，含少量小礫石，同時地下水位埋深一般2～10 m，為孔隙潛水，根據以往現場經驗，現場端幫第2個臺階開挖后出現涌水的情況，機道溝開挖后要考慮地下水位對邊坡穩定性的影響，判斷其潛在的滑坡模式為典型圓弧型滑動。L115 機道溝和排土場邊坡潛在的滑坡模式如圖2。

圖2 L115 機道溝和排土場邊坡潛在的滑坡模式

2 邊坡潛在滑坡模式數值模擬分析

結合L115 機道溝、排土場潛在滑坡模式，考慮到排土場潛在變形區破壞位置確定的復雜性，擬用采用SIGMA/W 有限元軟件數值模擬的方法對排土場的穩定性進行分析，通過有限元法應力－應變位移云圖來判斷變形區的發展過程進而確定最危險的變形破壞區[5-6]。

2.1 模型建立

根據機道設計位置選擇、排土場的排土現狀和基底形態等高線等地層信息建立的數值模擬模型如圖3，模型排土場高度為70 m、砂層厚度45 m，基底厚度46 m，南北長為1 050 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系砂層和泥巖基底。

圖3 數值模擬模型

2.2 機道溝安全距離

L115 機道溝與排土場安全距離的確定對安全、高效開采有著極其重要的意義。如果L115 機道溝離排土場邊坡太近，可能給機道溝邊坡帶來安全隱患。反之，如果太遠的話，將會影響剝離、煤炭采出計劃。通過SIGMA/W 有限元軟件數值模擬，通過分析L115 機道溝與排土場不同安全距離下的變形情況，確定合理的L115 機道溝邊坡形態和邊坡角，同時獲得不同工況下的邊坡失穩機理。不同安全距離下x方向變形云圖如圖4。

圖4 不同安全距離下x 方向變形云圖

受第四系、軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑為主。其安全距離為350 m時，排土場變形影響L115 開挖位置邊坡穩定，L115機道開挖后邊坡變形量為0.5～1 m，排土場最大變形為4～4.5 m，同時L115 機道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區域明顯連通；安全距離為400 m 時，排土場變形也影響L115 開挖位置邊坡穩定，L115 機道開挖后邊坡變形量為0.5～1 m，排土場最大變形為3.5～4.0 m，同時L115 機道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區域未連通，說明安全距離增加，有利于控制L115 機道開挖后邊坡變形量，L115 機道開挖位置限制排土場變形的增加；安全距離為450 m 時，排土場變形未影響L115 開挖位置邊坡穩定，L115 機道開挖后邊坡變形量為0.2～0.4 m，排土場最大變形為3.0～3.2 m，其變形量主要受自身開挖位置影響，與排土場變形無明顯關系；安全距離為500 m 時，排土場變形未影響L115 開挖位置邊坡穩定，L115 機道開挖后邊坡變形量為0.2～0.4 m，排土場最大變形為2.0～2.2 m，其變形量主要受自身開挖位置影響，與排土場變形無明顯關系，排土場變形明顯減少。

通過模擬計算，當L115 開挖位置與排土場距離為350、400、450、500 m 時，L115 開挖位置與排土場在不同安全距離的變形量為0.5～1 m、0.5～1 m、0.2～0.4 m、0.2～0.4 m，當L115 開挖位置與排土場安全距離450 m 時，排土場沉降、滑移的變形量未影響到其開挖位置的邊坡變形情況，據此確定L115 機道溝開挖位置與排土場安全距離450 m，與采場地表境界150 m 為最佳。

2.3 定L115 機道溝邊坡穩定性

L115 開挖位置邊坡穩定性計算結果圖如圖5。

圖5 L115 開挖位置邊坡穩定性計算結果圖

前面分析可知，L115 開挖位置與排土場安全距離450 m，確定安全距離后，由于開挖位置主要由第四系細砂構成，需要結合現場實際情況確定開挖后變形形態及邊坡角度，通過SIGMA/W 有限元軟件邊坡穩定性計算結果可知，設計臺階坡面角為50°，臺階高度為12 m，平盤寬度為50 m，L115 機道溝開挖位置邊坡角17°時，通過計算得到邊坡的穩定系數為1.224，處于穩定狀態，滿足安全儲備系數1.2要求，滑坡模式為圓弧形型滑動。

3 結語

1）通過有限元法應力－應變計算可知，隨著L115機道溝開挖位置與排土場安全距離增加，排土場變形量和開挖位置變形明顯減少。

2）通過有限元法應力－應變模擬可知，確定L115機道溝開挖位置與排土場安全距離450 m，與采場地表境界距離為150 m。

3）通過有限元法極限平衡計算可知，確定L115機道溝開挖位置邊坡形態，邊坡角為17°時處于穩定狀態，滿足安全儲備系數1.2 要求，滑坡模式典型圓弧型滑動。