東明露天礦含軟弱層端幫邊坡穩定性控制方案優化

劉國栓，任 鵬，陳俊彬，高鑫浩，劉玉鳳，李 坤，鐘曉勇

（1.呼倫貝爾東明礦業有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021008；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京 100013；4.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

近年來，隨著露天礦山開采強度和生產規模的不斷推進和加大，在端幫區域極易發生片幫、滑坡和塌陷等一系列地質災[1-2]；而含斷層的巖土層中且夾帶弱層的條件下，更進一步加大了邊坡失穩甚至破壞，對礦山的高效生產構成了較大的安全隱患。如何針對此類邊坡穩定性問題進行有效地分析、評價以及提出相關的治理措施，越來越受到當今專家、學者及礦山企業的重視[3-5]。考慮到弱層對邊坡巖土層強度的作用，通過Geo-studio 建立該種條件下強度弱化過程中邊坡穩定性變化規律的分析模型[6]；基于邊坡三維計算模型，通過強度折減法和極限平衡分析理論對邊坡高度和坡面角等參數進行優化，指導了礦山企業的安全、高效生產[7]。結合東明露天礦地質以及現場條件，研究了東明露天礦北幫西段在弱層及斷層的共同影響條件下，對潛在滑塌區域邊坡進行參數優化研究并提出相關的治理措施[8-14]。

1 研究區域工程地質概況

東明露天礦屬于軟巖邊坡，具有變形量大和變形時間長的典型特征。礦區巖層以泥巖及砂質泥巖為主；垂直或斜交裂隙比較發育，膠結程度不均一，主要以軟質巖為主。礦區煤層主要分布在白堊紀，煤層最大厚度32.98 m，平均厚度25.18 m，地層最大厚度178.08 m，一般厚度139.38 m，由于煤層的頂、底板均為泥巖或砂質泥巖，所以其固結或膠結較差，遇水膨脹，煤層的抗壓強度變化幅度值較小，強度增加率為20%～30%。

工程地質調查與鉆探結果表明，在北幫12-1煤層頂板上部及12-1煤層底板和12-2煤層頂板之間賦有泥巖弱層，結構松散，吸濕性強，抗剪強度較低，壓縮性強，固結速率慢且具有流變性，受巖體自重及露天采礦活動的影響，其上部巖體極有可能沿該軟弱層發生滑動[15]。研究區域--北幫典型工程地質剖面圖如圖1。

圖1 研究區域--北幫典型工程地質剖面圖Fig.1 Study area-typical engineering geological section of the north side

2 北幫邊坡穩定性影響規律

2.1 巖土體強度參數

正是由于弱層的存在，同時受雨季降水的影響，導致弱層遇水發生膨脹，使得該區域邊坡巖土體的強度參數有不同程度的弱化，加劇露天煤礦邊坡沿弱層發生蠕滑的可能性。基于此，采用的巖土體物理力學性質指標是在以往巖石物理力學性質試驗和土工程性質試驗成果的基礎上，結合此次室內測試分析并采用Hock-Brown 強度折減法和滑動反分析法計算獲得，巖土體物理力學性質指標值見表1。

表1 巖土體物理力學性質指標值Table 1 Index values of physical and mechanical properties of rock and soil

2.2 弱層邊坡數值模擬分析模型

在含有弱層的邊坡變形過程中，坡體中巖土體強度首先會有一定程度的弱化，同時受爆破震動、礦用車輛運輸等一系列礦山開采活動的影響，加劇坡體的變形，這一變形特征是通過微觀應力場的變化特征來宏觀體現的。為了探究該區域邊坡受弱層影響所發生的變形規律，利用FLAC3D數值模擬軟件構建含弱層邊坡穩定性分析模型，基于研究區域邊坡和工程地質特征，綜合考慮東明礦北幫弱層對該區域端幫邊坡穩定性的影響，建立的典型工程地質模型如圖2。該邊坡模型傾向長度為655 m，垂直高度為138 m，計算過程中采用的本構模型是摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度準則，并利用該準則對北幫區域的變形位移規律進行描述。

圖2 典型剖面數值分析模型圖Fig.2 Numerical analysis model diagram of typical section

2.3 數值模擬結果

典型剖面數值模擬云圖如圖3。

圖3 典型剖面豎直位移云圖Fig.3 Numerical simuation of typical section

由圖3（a）剖面豎直位移云圖可知，12-1煤層上部臺階，即粉黏土層和砂巖層下沉明顯，最大變形量為28.8 mm，標高520 m 上部各個平盤臺階均發生了不同程度的沉降，且應力場主要集中在標高530～550 m 和標高570～610 m 這2 段范圍內；從圖3（b）剖面水平位移云可知，水平位移最大變形量為57.5 mm，其中標高530～550 m 并段臺階受弱層的影響較大，有發生局部區域向臨空面滑動的趨勢，而標高570～610 m 并段處一方面受下部臺階擾動的影響，另一方面受表層粉黏土本身特性和軟弱層的綜合影響，屬于典型的軟巖邊坡，多重因素致使該區域有向臨空面滑動的趨勢。

由圖3（c）典型剖面剪應變增量云圖可知，含弱層邊坡變形過程中，坡體原本的應力場會受到影響，在這種情況，坡體中的應力場會重新分布，在此過程中，應力場與變形場彼此相互對應，坡體的變形是通過應力場的變化特征來體現的，而坡體應力場是坡體變形破壞的主因；同時由于局部區域單臺階邊坡角較大且坡面形狀不規則，邊坡上部砂礫層和泥巖臺階坡腳剪應變集中程度明顯，影響范圍在標高530～610 m，特別地，在標高540 m 處剪應變有明顯的集中，經分析該位置處有1 個正斷層，再加上軟弱層的綜合影響，致使該區域有沿臨空面發生片幫的隱患。從圖3（d）塑性區域分布圖中可以看出，塑性區域主要分布的位置主要在軟弱層上部，軟弱層中塑性區域比較集中的原因是抗剪強度相對較低且壓縮性較強，塑性區域較集中的區域易發生局部片幫和崩塌，為了保證工作幫（北幫）在正常作業過程中保持穩定，需針對此處采取一定的措施。

3 軟巖邊坡控制方案優化

3.1 軟巖邊坡現狀

基于東明露天礦工作幫（北幫）及其下部軟弱巖層影響區域邊坡典型工程地質剖面圖，建立極限平衡分析模型，輸入計算所需的強度參數即黏聚力、內摩擦角和密度，再通過Geo-Slope 軟件對現狀邊坡穩定性進行分析計算，得到極限平衡結果[15]。針對東明露天礦工作幫（北幫）巖土層現狀，基于全面評價研究剖面邊坡穩定的現狀，并探明其演化趨勢，確定邊坡安全工作的重點區域；研究剖面邊坡穩定性極限平衡分析計算結果如圖4。Fs為邊坡穩定性系數，Fs＞1.2 時邊坡穩定，1.1＜Fs＜1.2 時基本穩定，1.0＜Fs＜1.1 時邊坡存在一定風險，Fs＜1.0 時邊坡不穩定。

圖4 東明露天礦現狀邊坡極限平衡分析計算結果Fig.4 The current slope limit equilibrium analysis and calculation results of Dongming Open-pit Mine

根據現場工程實踐，工作幫（北幫）原煤采掘過程中標高540 m 出現大范圍裂隙，裂隙走向長度588 m，中心部分張開度0.4 m，平均斷距0.42 m，經現場踏勘裂隙下方出現多處小范圍裂縫，標高508 m 處，即12-2煤層底板出現潛在滑動帶；該區域的不穩定應力場會逐步傳遞至上部臺階，造成多臺階聯動失穩。基于極限平衡分析結果可以看出：研究剖面邊坡巖土體標高510～540 m 范圍內，相鄰臺階發生局部滑動的邊坡穩定性系數為1.05，小于安全儲備系數，再根據現場的實際工況，邊坡失穩的可能性將增加，故此，基于此種現狀，在工作幫（北幫）區域需采取具有針對性的措施，確保礦山企業安全高效生產，同時保證邊坡局部和整體的穩定性。

3.2 控制方案優化

目前，國內外關于邊坡潛在失穩區域的治理措施主要有疏干排水、壓腳、削坡減載以及加固等幾種常用的方法[16-17]。綜合考慮東明露天礦實際工況，在潛在失穩區域采取2 種治理措施，并提出相應且具有針對性的方案。

1）在潛在失穩區域采取削坡減載的處理方案。通過對下滑段采取削坡處理，達到減小邊坡單臺階坡面角和減載的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，從而抑制坡體下滑[18]。通過放緩邊坡消除剪出口的不平衡推力，使該滑坡的抗滑力與下滑力的比值，即該邊坡的安全穩定系數大于安全儲備系數，從而使其在設計工況下處于穩定狀態。工作幫（北幫）邊坡削坡減載后簡化模型和分析結果如圖5。工作幫（北幫）削坡減載后，整體穩定系數為1.55；考慮到地下水作用下煤層頂板和底板泥巖影響下，潛在危險區域邊坡穩定系數為1.18 和1.22，標高為530 m 平盤處的坡體穩定性系數為1.18，小于安全儲備系數，主要是弱層對上部邊坡的影響無法徹底消除。因此，削坡減載雖然即優化了邊坡剖面形態（降低坡面角，增強坡面穩定性），又能夠采出一定量的12-1煤，提高了采出率；但由于礦區邊坡屬于典型軟巖邊坡，主要受軟弱層控制，該種方案即使能保持邊坡暫時的穩定，但煤層底板軟弱夾層的存在，且發生錯動將再次導致邊坡巖體應力釋放，引發后緣邊坡的下滑，北幫滑坡按力學條件分類屬于牽引式滑坡，滑坡發展主要受前緣弱層控制。削坡減載只是降低了下滑力，削坡后對邊坡穩定性有一定效果但不明顯，并不能從根本上改變邊坡整體下滑的趨勢。

圖5 工作幫（北幫）邊坡削坡減載后簡化模型Fig.5 Simplified model and analysis results of working side（north side）slope cutting and load reduction

2）在潛在失穩區域采取削坡減載和壓腳相結合的治理方案。在潛在滑動層位采用排土壓腳的方法，一方面使得邊坡下部區域巖土體自重增加，提高滑坡區域的整體抗滑力；同時，排土壓腳可以消除潛在滑體剪出口處的自由面，在一定程度上起到了抑制潛在滑體沿原始滑裂面剪出口移動的效果，因此，削坡減載+壓腳排土可提高邊坡的整體穩定性。工作幫（北幫）邊坡削坡減載+壓腳后簡化模型和分析結果如圖6。工作幫（北幫）采取削坡減載+壓腳綜合治理措施后，整體穩定系數為1.93；相較于僅采取削坡措施標高為530 m 平盤處的坡體穩定性系數為1.21，大于安全儲備系數，在一定程度上降低了軟弱層對其上覆邊坡穩定性的影響，且此時的530～550 m 范圍內臺階坡面角為19°相較于削坡前減少兩度，進一步降低邊坡發生滑坡的風險。本文采取削坡減載+壓腳不僅優化了邊坡剖面形態（降低坡面角，增強坡面穩定性），又能夠保證開采的安全高效進行，隨著12-1煤和12-2煤的開采，要及時跟進壓腳；此種方案雖然在標高540 m 上部由于削坡而產生一定量的物料，但可將其堆放至標高500 m 處的上部臺階，不僅能夠降低削坡的費用，又能保證標高510～540 m 范圍內坡體的穩定，具有可觀的經濟效益。

圖6 工作幫（北幫）邊坡削坡減載+壓腳后簡化模型Fig.6 Simplified model and analysis results after working side (north side) slope cutting and load reduction +presser foot

2 種方案整體和典型位置處Fs對照值如圖7。通過方案分析并基于極限平衡計算結果，2 種方案都能保證該回采區域的邊坡穩定性，但結合現場工況以及實際地質條件，降雨、爆破振動等外部因素同內在因素，如軟弱夾層共同使得原本已擾動的巖體強度進一步降低、結構更加松散，單一采用削坡方式無法很好地保證安全高效的生產，削坡減載方案具有一定局限性。故此，采取削坡減載+壓腳方案不僅能夠彌補削坡減載方案中的不足，而且能夠保證礦山企業安全高效的生產。

圖7 2 種方案整體和典型位置處Fs 對照值Fig.7 Fs comparison values at the overall and typical positions of the two schemes

4 結 語

基于東明露天礦工作幫（北幫）邊坡工程地質與現場條件，建立工程地質模型，采用數值模擬分析軟件FLAC3D和極限平衡分析軟件GeoStudio--SEEP/W 分別研究了含弱層影響條件下端幫邊坡變形失穩機理和巖移規律。提出含軟弱層邊坡穩定性的控制方案：削坡減載和削坡減載+壓腳，基于Geo-slope系統軟件對2 種方案計算的計算結果，并結合礦區工程地質條件，通過對比分析削坡減載+壓腳2 種方式相結合的方案，不僅能夠降低軟弱夾層對上覆邊坡穩定性的影響，又能夠增加回采率，具有相當客觀的經濟效益，成為當前治理該區域邊坡變形失穩的方法。