黑岱溝露天煤礦倒堆臺階邊坡破壞模式及穩定性評價

萬國祥，賀 龍，劉東兵

（國家能源集團準能集團有限責任公司黑岱溝露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

邊坡穩定性評價是保障露天煤炭企業安全生產的重要工作[1]。隨著開采進程不斷推進，邊坡增高、角度加大，復雜程度增加。且邊坡的穩定性是隨著時間處在一個動態變化的過程。眾多因素造成了邊坡的不穩定，這給露天煤礦的安全生產帶來了巨大隱患。

黑岱溝露天煤礦作為中國最大的露天煤礦之一，在邊坡工程安全管理方面也面臨著諸多挑戰。對于該礦的邊坡穩定性評價工作，歷屆領導都非常重視。礦區采取了雷達監測對礦區邊坡情況進行精密監測[2]，同時安全生產制度上也制定了相應的制度保障，定期開展邊坡穩定性評價工作[3]。這些措施使得黑岱溝露天煤礦的安全生產取得了顯著成效。針對該地區的邊坡穩定性研究工作較多，先后有很多生產單位和科研院所研究人員對全區或礦區某些重點部位做了邊坡穩定性評價[4-8]，利用不同的方法，從不同角度，對礦區邊坡穩定性進行了評價。由于邊坡穩定性是動態發展變化的，故對邊坡穩定性的評價研究也是持續的。

1 礦山概況

黑岱溝露天煤礦位于鄂爾多斯高原的東北部，內蒙古準格爾旗境內。目前，礦區面積約50 km2，查明煤炭資源儲量大于14 億t。礦區交通位置便利。氣候干燥少雨、植被稀少。為典型黃土高原地貌。礦區出露地層主要為晚古生代地層及少量奧陶系亮甲山組，新近系上新統、第四系。礦區地質構造簡單，主要有3 組近于平行的背向斜。礦區主要有6 條組合斷層，但規模較小，對礦區整體影響不大。

巖性主要為陸相-海陸交互相石炭系-二疊系碎屑巖，以砂巖、砂礫巖、泥巖為主。大多數巖石呈層狀，強度較高。多呈堅硬-半堅硬狀態，局部可見硬度較小的薄弱夾層。在局部暴露遭受風化的地區，巖石碎裂程度高，巖體強度較差，在水力作用下，極易流失。地表出露第四系黃土，黃土為非自重濕陷性黃土。另外，分布有一定的鹽漬土，鹽分以氯化物為主，硫酸鹽次之，含鹽量普遍較高。

通常，黑岱溝露天煤礦穩定性評價涉及的區域包括首采區西幫、南幫，內排土場，陰灣排土場、排矸場、二采區南幫、北幫、工作幫等。選取倒堆臺階作為穩定性評價對象，倒堆臺階的存在有一定時間性，但由于其由松散巖體堆積而成，其穩定性直接影響采掘工作的正常接續。為此，選取布設在倒堆臺階邊坡上的DD-1 剖面，來對該區域邊坡穩定性進行數值模擬和穩定性分析計算。

2 邊坡穩定性分析

2.1 數值模擬方法與巖土體力學參數

邊坡穩定性影響因素很多[9]，根據黑岱溝露天煤礦歷年工程地質勘查資料，目前該礦主要邊坡穩定性影響因素為：巖土體力學性質、地表降水、堆置高度、基底承載和人為影響等。

應用FLAC3D有限差分數值計算軟件[10]，選取布設在倒堆臺階邊坡上的DD-1 剖面作為典型剖面來構建數值模型。通過計算并分析塑性破壞區分布圖，確定出邊坡潛在滑動部位與滑面形狀，并據此評估邊坡總體變形破壞趨勢。計算中的巖體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb 屈服準則描述。

數值計算結果的可靠度很大程度上依賴于計算模型的參數，邊坡巖土體力學參數見表1。

表1 邊坡巖土體力學參數

2.2 邊坡變形失穩模式數值分析

為了對倒堆臺階邊坡變形失穩模式進行數值分析，綜合考慮研究區排土場邊坡變形和地貌特征，選取倒堆臺階DD-1 剖面構建分析模型，倒堆臺階DD-1 剖面數值分析模型圖如圖1。

圖1 倒堆臺階DD-1 剖面數值分析模型圖

從圖1 可以看出，整個剖面主要由2 部分組成：排棄物料和基巖。基巖成分主要為砂巖和少部分泥巖，基巖靠近地表的部分略風化；排棄物料主要為松散堆積的各種碎石以及沙土。從表1 中可以看出，基巖與排棄物在巖土力學參數上區別較大。模型沿邊坡傾向長度為848.86 m，垂直高度為270.63 m。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以z 方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統的受力平衡。

倒堆臺階DD-1 邊坡剪應變增量云圖如圖2，研究剖面邊坡水平位移云圖如圖3，豎直位移云圖如圖4，剖面塑性區域分布圖如圖5。

圖2 倒堆臺階DD-1 剖面剪應變增量云圖

圖3 倒堆臺階DD-1 剖面水平位移云圖

圖4 倒堆臺階DD-1 剖面豎直位移云圖

圖5 倒堆臺階DD-1 剖面塑性區域分布圖

由圖2 可知，受倒堆設計的影響，使得此處兩側剪應變集中程度明顯（圖中大部分內容），尤其是坡度最大的2 處坡面，應變增量最大，如果后面倒堆繼續加高，發生崩塌、片落的可能性將大大增加。

由圖3 和圖4 可知，水平最大移量為24.60 mm，豎向最大沉降量達26.30 mm，該剖面倒堆位置處有局部片落的隱患。區域邊坡體受降水、爆破和運輸車輛震動、基巖面順傾以及倒堆的存在等多種因素綜合作用下在倒堆處存在大范圍的塑性破壞區。

從圖5 中可知，倒堆臺階塑性區域主要受剪切力控制，容易發生剪切破壞。結合現場的實際工況認為，塑性區域破壞的范圍主要集中在倒堆兩側區域，松動滑動面呈楔形，與圓弧型滑動有一定的不同。在塑性區域較集中的位置易發生局部片幫和崩塌以及表層散體流動。但在倒堆兩側區域正常的情況下，倒堆臺階DD-1 剖面處邊坡變形破壞模式為單臺階內部或排土臺階沿不良結構面的局部崩塌破壞。

2.3 邊坡穩定性及邊坡管理措施

采用極限平衡理論對倒堆臺階邊坡穩定性進行分析。綜合考慮目前研究區地質條件、邊坡穩定的時效特性等信息，選取安全系數為1.10。DD-1 剖面邊坡穩定性分析計算結果如圖6～圖9。

圖6 DD-1 剖面邊坡臺階1 穩定性

圖7 DD-1 剖面邊坡臺階2 穩定性

圖8 DD-1 剖面邊坡臺階3 穩定性

圖9 DD-1 剖面邊坡整體穩定性

結果顯示：邊坡整體穩定；局部臺階安全系數小于1.10 的規范要求。其中DD-1 設計邊坡當中的臺階2，為倒堆區域，安全系數為0.85，不符合規范要求，存在片幫風險。安全系數較小的原因是倒堆臺階過高達到70 m。倒堆臺階區域主要構成為爆破后的松散巖體，設計的松散體坡角為50°，并未達到自調整形成自然安息角38°，因此無法滿足安全穩定需求。

邊坡管理措施如下：在倒堆臺階形成過程中松散體自調整（松散體滑落）形成自然安息角進而穩定，其自調整過程是一個緩慢、漸進的過程。在此過程中，如果沒有明顯的開挖卸荷行為，倒堆區域發生高速、大規模滑坡的概率較小，更多的體現為自調整過程中塊體的滑落。考慮到該區域為臨時邊坡，且因工藝條件限制，邊坡高度和角度調整困難，因此建議對該局部位置加強警戒，有條件時盡量放坡至38°，作業保持一定安全距離。

3 結語

1）倒堆臺階區域主要構成為爆破后的松散巖體等排棄物，設計的松散體坡角為50°，為土、巖混合，巖塊為主，土體主要為巖粉。基底地層以砂巖為主，近水平賦存，無明顯弱層，不含水。

2）倒堆臺階邊坡受倒堆設計的影響，使得倒堆兩側剪應變集中程度明顯，松動滑動面呈楔形，在塑性區域較集中的位置易發生局部片幫和崩塌，其變形破壞模式為單臺階內部或排土臺階沿不良結構面的局部崩塌破壞。

3）倒堆臺階邊坡穩定性評價結果顯示：邊坡整體安全系數大于1.10，符合規范要求，邊坡整體穩定；局部臺階安全系數小于1.10。推測局部安全系數較小的原因為設計的松散體坡角為50°，未達到自調整形成自然安息角（38°）。建議對該局部位置調整松散體的堆砌角度，并設置警戒，保持一定安全距離。