露天礦構造結構面對端幫靠幫開采過程中穩定性的影響

王術峰，楊志勇，胡桂林

（新疆天池能源有限責任公司，新疆昌吉 831100）

煤炭的形成過程中會伴隨著一系列地質構造，這使得在煤層附近經常出現不同級別和類型的構造結構面，如節理、斷層、裂隙、軟弱夾層等[1-2]，所以在露天礦端幫兩側邊坡內的煤層周圍會存在許多復雜的構造結構面[3]。結構面是影響邊坡穩定性的一個重要的內部因素[4]，但為了節約資源并提高經濟效益，當露天礦端幫壓煤較多時，礦區經常會對含有結構面的端幫邊坡陡幫開采來回收煤炭資源[5]。而近年來，含斷層的露天礦邊坡在采動過程中的穩定性問題日益突出，斷層地質構造造成滑坡對人們的生產、生活帶來巨大損失[6]，因此，在陡幫開采回收端幫壓煤過程中研究結構面對邊坡的影響具有重要意義。

現有研究中，許多學者對賦存構造結構面邊坡穩定性進行了研究。曹蘭柱等[7]為研究露天礦含斷層復合邊坡穩定性，采用剛體極限平衡法與數值模擬的方法，分析得出構造結構面的存在會使邊坡穩定性明顯下降，而邊坡面空間位置的不同對邊坡穩定性的影響不明顯；蔣軍等[8]為研究露天礦含斷層邊坡敏感性，采用結合正交試驗和數值模擬的方法，分析得出構造結構面傾角在邊坡穩定性影響中占主導因素；梅開品等[9]采用數值模擬分析對露天礦含斷層巖質邊坡變形破機理進行研究，分析得出斷層對邊坡穩定穩定性起到直接控制作用，且斷層的位置將會控制整個邊坡的滑移面以及滑移區域。基于此，通過對含有不同結構面邊坡穩定性的研究，得出了露天礦陡幫內排全過程的穩定特性與潛在滑動面演化特征，為含有結構面邊坡選擇安全合理的陡幫開采方案提供理論依據。

1 露天礦靠幫開采技術

露天礦進行開采過程中，端幫壓煤量巨大，而內排土場在采場中形成組合梁結構，對端幫邊坡起到良好的支撐效果[10]，端幫邊坡由長期暴露轉變為短期暴露后掩埋，采用基于時效邊坡理論的陡幫開采技術可回收巨厚煤層下壓大量煤炭資源[11]。露天礦陡幫開采及內排土場分布如圖1。

圖1 露天礦陡幫開采及內排土場分布Fig.1 Mining and distribution of inner dump

傳統露天礦邊坡設計時，將兩側端幫視為永久性邊坡，穩定系數要求較高，一般兩側端幫也布設了相當數量的運輸平盤，為了保證開拓運輸系統的平穩運行與端幫邊坡的穩定，必須犧牲相當數量的端幫下壓的煤炭資源，尤其是巨厚煤層的露天礦山，下壓煤炭資源浪費尤為嚴重。針對這一不合理的露天礦山設計方法，基于時效邊坡理論的陡幫開采技術已經在越來越多的礦山得到應用。如圖1，在保證兩側端幫在其服務周期內穩定的前提下，保持煤臺階頂點B 固定不變，坡腳由D 點推進至C 點，可實現BCD 區域煤炭資源的回收，然后內排土場進行壓幫內排，保證了陡幫臺階及整體端幫邊坡穩定性，具有顯著的經濟效益，可實現端幫下壓煤炭資源的高效安全回收。

2 數值計算軟件及巖土體物理力學參數

數值計算采用GEO-Slope 軟件進行邊坡穩定性計算。靠幫開采及內排回填過程采用FLAC3D軟件對邊坡進行建模分析，FLAC3D是一種利用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術來數值模擬分析的三維有限差分軟件，FLAC 進行數值模擬時，采用有限差分法進行分析，在計算過程中，其準確性及計算速度與模型結構和網格的疏密程度有直接聯系。網格劃分的足夠精細，得到的最危險滑動面將無限接近與實際滑動面。

分析的邊坡巖體共分4 種巖性，從上至下分別為上覆巖層、煤層、基底以及構造結構面，各地層的巖土體物理力學參數見表1。

表1 各地層巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass of each stratum

3 不同結構面參數對邊坡穩定性的影響

3.1 構造結構面長度對邊坡穩定性的影響

為了探究不同構造結構面長度對于邊坡穩定性的影響情況，對含有構造結構面邊坡模型進行數值計算分析，建立不同構造結構面長度的邊坡模型，構造結構面在邊坡模型內部傾角固定為30°，距邊坡角固定為50 m，構造結構面的長度從0 m 到400 m，50 m 為1 個間隔。不同結構面長度下端幫邊坡穩定性如圖2，不同構造結構面長度下邊坡穩定性變化如圖3。

圖2 不同結構面長度下端幫邊坡穩定性Fig.2 Stability of side slope at the lower length of different structural faces

圖3 不同構造結構面長度下邊坡穩定性變化Fig.3 Change of slope stability under the length of different structural surfaces

可以看出，在不同構造結構面長度下，邊坡最危險滑面位置及其形態各異，由此可見，邊坡在發生失穩破壞瞬間的滑面形態和構造結構面相關，在無構造結構面的邊坡坡體上部區域，邊坡滑面呈現典型圓弧滑動面形式，在含構造結構面的邊坡下部坡體區域，邊坡坡體呈現出明顯的沿構造結構面滑動趨勢。隨著構造結構面長度的增大，邊坡穩定性逐漸降低。在無構造結構面情況下，邊坡穩定系數較高為1.439，當構造結構面長度為50 m 時，物理力學性質較弱的構造結構面完全位于邊坡下部基巖段，與邊坡潛在滑面相交，所以其穩定系數與無構造結構面情況下相同都為1.439，隨著構造結構面長度的進一步加大，邊坡穩定系數持續下降，當構造結構面長度為150 m 時，邊坡穩定系數有了大幅下降，當構造結構面長度大于200 m 時，邊坡穩定性系數已低于1.1，不能滿足礦山臨時邊坡的穩定系數要求，隨著構造結構面長度的進一步加大，邊坡穩定系數低于1.0，在這種臺階布設方案下，邊坡處于極不穩定狀態。

3.2 結構面距坡腳位置對邊坡穩定性的影響

為探究構造結構面距離坡腳的不同距離情況下，邊坡穩定特性及發生臨界失穩時其內部滑移面變化情況，通過建立不同邊坡數值計算模型，計算其穩定性及變形特征，采用GEO-Slope 軟件建立數值計算模型，設置50、100、150、200、250 m 共5 種構造結構面距離坡腳距離情況下數值模型計算其穩定性。不同構造結構面距坡腳距離邊坡穩定性計算如圖4，不同構造結構面距坡腳距離下邊坡穩定性變化如圖5。

圖4 不同構造結構面距坡腳距離邊坡穩定性計算Fig.4 Stability calculations of slope distance from slope foot of different structural structures

圖5 不同構造結構面距坡腳距離下邊坡穩定性變化Fig.5 Stability change of slope distance from slope foot of different structural structures

構造結構面距坡腳距離不同時，邊坡滑體范圍與穩定情況均有所不同，隨著構造結構面位置的內移，軟件自動搜索的最易滑體的范圍與構造結構面相交，分布范圍也隨之變大。構造結構面在距離坡腳50 m 時邊坡穩定系數低于1.10，不能滿足礦山對于臨時邊坡穩定性的要求，隨著構造結構面賦存位置距邊坡臨空面的距離不斷變大，邊坡穩定系數逐漸增大，在距離超過200 m 時穩定系數增加幅度最大，穩定系數接近無構造結構面情況下的邊坡穩定系數，說明構造結構面距坡腳距離大于200 m 時對邊坡穩定性影響較小。

4 結構面對靠幫開采及內排回填穩定性的影響

4.1 含結構面端幫靠幫開采數值計算模型

含構造結構面邊坡計算模型如圖6。

圖6 含結構面邊坡計算模型Fig.6 Calculation model of structural surface slope

邊坡模型長720 m、高240 m，模型參考某巨厚煤層露天礦山實際參數，整體邊坡角度為30°，巖臺階高度15 m，煤臺階高度為10 m，坡面角為60°，共布設保安平盤5 個，運輸平盤3 個，構造結構面厚度5 m。為了回收端幫下壓煤炭資源，本次陡幫開采工程采用上部境界不動方案，即端幫邊坡中煤層上覆巖層剝離臺階不再變動，縮減下部煤臺階寬度。在進行陡幫開采后，此端幫邊坡下部煤臺階取消運輸平盤，原有6 個煤臺階含有4 個保安平盤和2 個30 m 運輸平盤，進行陡幫開采后，煤臺階進行并段處理，煤臺階高度由陡幫前10 m 變為30 m，煤臺階區域僅設置1 個5 m 的保安平盤。在陡幫開采結束后，邊坡穩定性較礦山其它區域的長期邊坡而言，穩定性有所下降，需及時對此端幫臨時性邊坡進行內排回填，以增加其穩定性，排土臺階高度30 m、寬30 m，內排臺階坡面角度為33°，排土臺階共分2層，下部排土臺階進行4 次排土過程共120 m，上部排土臺階進行3 次排土過程共90 m。

4.2 結構面對端幫靠幫開采期間穩定性的影響

構造結構面位于端幫體內部，其物理力學性質較弱，易使邊坡內部裂隙擴展逐漸貫通，形成邊坡的變形甚至失穩。在邊坡巖體內部，不同構造結構面賦存位置情況下，邊坡在破壞模式和滑坡機理都會有所不同，邊坡滑體范圍及形態也隨著構造結構面在邊坡內部賦存不同有所差異。為此，探究構造結構面在露天礦邊坡巖體內部的不同賦存條件下，如構造結構面在邊坡巖體中，構造結構面長度及距離坡角距離對邊坡穩定性及陡幫開采及內排回填過程的邊坡內部變形破壞演化規律，不同結構面賦存下端幫靠幫開采模型如圖7。基準結構面厚度5 m，長度200 m，距離靠幫開采結束后坡腳50 m，長結構面長度為300 m，距坡腳遠結構面模型，結構面距離距離靠幫開采結束后坡腳200 m。

圖7 不同結構面賦存下端幫靠幫開采模型Fig.7 Lower side slope mining models for different structural surfaces

在長結構面情況下，進行陡幫開采前，邊坡內部最大剪切應變增量分布大致呈圓弧狀分布于邊坡內部，并未與構造結構面出現相交或重疊，隨著陡幫開采的進行，最大剪切剪切應變增量分布范圍向邊坡臨空面處移動，在第4 次陡幫煤臺階被開采結束時，邊坡巖體內部最大剪切應變增量分布出現了較大變化，分布范圍以左側大面積圓弧狀為主，在與構造結構面相交處也出現了最大剪切應變增量的分布，隨著陡幫開采的進一步進行，煤臺階持續并段，最大剪切應變增量分布逐漸向邊坡臨空面處移動，與構造結構面重疊區域越來越大，表現為典型的剪切圓弧-弱層滑坡模式，到陡幫開采結束時，最大剪切應變增量基本沿構造結構面分布，表現出沿弱層滑動模式，說明本次數值模擬設置的300 m 構造結構面在邊坡陡幫開采前期并未起確定性因素，但在陡幫開采過程中，構造結構面為邊坡失穩變形的主導因素。隨著陡幫開采結束內排壓幫的進行，最大剪切應變增量分布范圍離開構造結構面，分布于邊坡內部呈圓弧狀滑坡，當內排臺階次數進一步增加，最大剪切應變增量分布于內排臺階，邊坡發生失穩破壞時，首先為內排土場發生破壞。

在距離邊坡臨空面較遠的構造結構面賦存條件下，邊坡在臨界失穩狀態時的最大剪切應變增量分布規律有了較大變化，較無構造結構面和距離坡腳較近的構造結構面賦存下，無論在陡幫開采的哪一階段，邊坡巖體內部的最大剪切應變增量分布范圍都更靠近遠離邊坡臨空面側，基本與構造結構面重疊，為圓弧狀滑坡模式。在陡幫開采結束后進行內排回填過程中，在第3 次內排結束后，內排土場平盤寬度達到90 m 后，邊坡內部最大剪切應變增量由端幫內部分布轉為排土場，隨著內排的持續進行及第2 層內排臺階的排棄，最大剪切應變完全分布于排土場，在上下2 層排土場間距為30 m 時，在臨界失穩狀態時，內排土場出現了最大剪切應變增量的貫通。

不同長度構造結構面下陡幫開采過程邊坡穩定性變化如圖8，不同構造結構面距坡腳距離下陡幫開采過程邊坡穩定性變化如圖9。

圖8 不同長度構造結構面下陡幫開采過程邊坡穩定性變化Fig.8 Slope stability changes of steep mining process under different length structural surfaces

圖9 不同構造結構面距坡腳距離下陡幫開采過程邊坡穩定性變化Fig.9 Slope stability changes of steep mining process of different structural surfaces from slope foot

露天礦端幫內部構造結構面長度不同，邊坡在臨界失穩狀態下的應力應變情況及滑坡模式會有所不同，穩定性系數也會有所變化。圖8 為不同構造結構面長度下陡幫開采過程邊坡穩定性變化規律，分為無構造結構面、構造結構面長度為200 m 的基準構造結構面和長度為300 m 的長構造結構面，距邊坡臨空面距離及構造結構面傾角均一致。由圖8 可知，從整體來看，無論是陡幫開采及內排回填的哪一階段，構造結構面長度越長邊坡穩定性越差。在陡幫開采階段不同長度構造結構面條件下，穩定性變化規律大致相同，隨著陡幫開采的進行穩定系數逐漸降低，隨著內排回填的進行穩定系數都出現增大的變化，隨著內排次數的增加穩定系數增加速率變小。長度不同的構造結構面在內排回填進行到第4次后直至結束，邊坡穩定性系數基本一致，由最大剪切應變增量分布規律可知，在內排的持續進行過程中，端幫邊坡由于受到壓幫作用穩定系數出現上升，邊坡臨界失穩時的最易滑面也未出現在端幫邊坡內部，而出現在內排土場臺階。

由圖9 可知，隨著陡幫開采的進行，煤臺階進行并段，不同構造結構面距坡腳距離下，邊坡穩定系數均逐漸減小。內排壓幫過程中，內排物料起到了減小坡腳附近剪應力、增大水平應力的方式來控制坡體內剪切應變增量的發展及位移的增大，從而發揮內排物料的壓腳作用，在構造結構面距離邊坡臨空面距離不同時，內排臺階仍然發揮了較好的壓幫作用，隨著內排次數的增加，邊坡穩定性也隨著提高。

5 結 語

1）構造結構面不僅會使邊坡穩定性降低，還會使邊坡在臨界失穩時潛在破壞模式發生變化，由原來的的圓弧滑動面發展為剪切圓弧-弱層滑動，并且構造結構面越長，距離坡腳越近，對邊坡穩定性和破壞模式影響越大，越小越遠影響越小甚至不影響。

2）陡幫過程中由于開采擾動且失去部分支撐實體的支撐作用使邊坡穩定性不斷降低，而含有不同構造結構面的邊坡陡幫和內排回填過程中穩定性系數變化趨勢相似。

3）由于內排回填過程物料對端幫的壓煤作用，無論邊坡含有何種結構面，端幫邊坡穩定性均提高，最大剪應變增量逐漸由端幫向內排土場臺階轉移。