端幫邊坡穩定性與內排壓腳追蹤距離變化規律研究

羅 科，劉 震，張 宇

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 河曲 036500）

露天礦邊坡穩定性是露天礦安全、高效生產的關鍵，并一直是巖土工程、采礦工程等相關學科研究的熱點[1]。由于端幫邊坡暴露區域面積大、時間長，在外界因素的作用下，端幫邊坡會發生失穩破壞，而為了減小端幫邊坡暴露面積，提高端幫邊坡的穩定性，許多礦山逐漸采用內排壓腳支護。內排壓腳支護措施對端幫邊坡起到了鉗制作用[2]，提高了端幫邊坡的穩定性，同時也提高了礦山經濟效益[3]。

馬文成采用數值模擬和理論分析的方法，以五彩灣礦區一號露天礦為工程背景，分析了礦區邊坡穩定性及其破壞機理，并提出了內排壓腳治理技術[4]；馬進巖等采用數值模擬與相似實驗相結合的方法，研究了內排壓腳回填參數對露天邊坡穩定性的影響，分析了不同回填高度對邊坡穩定性的影響[5]；王孝亮等采用理論計算的方法，確定了萌動某露天礦內排壓腳回填的最優高度，提高了邊坡的穩定性[6]；祁利民等采用監測手段對扎哈淖爾露天礦橫采南端幫邊坡進行了長時間監測，并對其進行了分析，提出了內排壓腳邊坡防治措施，并對內排壓幫參數進行了優化[7]；胡高建等以撫順西露天礦南幫為工程背景，采用微震及衛星監測的手段，研究了該邊坡的滑移破壞輪廓，并且利用RFPA 軟件確定了邊坡的破壞機理，最終提出了2 階段內排壓腳的措施[8]；為了解決寶日希勒礦邊坡變形失穩的問題，丁鑫品利用3DEC 離散元軟件研究了內排壓腳對于邊坡失穩的控制作用[9]；侯殿昆等人則利用FLAC3D以及極限平衡法研究了內排土場跟蹤距離對端幫邊坡的鉗制作用影響規律[10]。

分析上述文獻可知，目前國內外專家對端幫邊坡的治理都提出了內排壓腳支護措施，但對于內排壓腳支護與工作幫邊坡追蹤距離以及內排土場追蹤距離與端幫邊坡穩定性之間的相互關系卻少有研究；因此，以河曲露天礦為工程背景，研究了礦區西端幫內排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩定性之間的關系，確定了不同內排壓腳追蹤距離下端幫邊坡滑移形式。

1 工程背景

1.1 河曲舊縣露天礦概況

山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司（以下簡稱河曲露天礦）位于河曲縣城舊縣鄉范家梁村、硬地峁、何家焉一帶，行政區劃屬河曲縣舊縣鄉。其井田南北長8.260 km，東西寬5.620 km，面積24.953 5 km2，最終開采深度為870～1 060 m，批準開采煤層8#～14#煤。

根據河曲縣水文站資料，黃河歷年最高水位851 m，最低水位844.38 m，枯水期流量為50 m3/s，洪水期流量為5 060 m3/s。礦田內溝谷平時基本干枯無水，只有雨季時才有洪水排泄，自東而西流入黃河，屬黃河流域。

本區屬黃土高原的一部分，大部分被黃土覆蓋，最大厚度112.50 m，固結差，垂直節理發育。地表由于受后期風蝕，流水侵蝕作用的影響，形成以劉家溝、鋪溝、舊縣河為主溝的樹枝狀沖溝，地形復雜，支離破碎。溝谷以向源侵蝕為主，橫斷面上游呈“V”字型，中下游呈“U”字型，縱斷面坡度較大，對集中排泄地表匯集而成的洪水起著良好的作用。首采區內溝谷僅在雨季時匯集表流形成較大流量，對沖溝產生的強烈下切側蝕，使溝谷加長加深。在切割較深的溝谷邊緣，因黃土垂直節理發育，受自重應力及流水側蝕的影響，常見規模不大的崩落、滑塌。

黃土自然斜坡大部分在30°～40°間，在局部沖溝的溝頭見有高約10 m 近直立的黃土陡壁；第三系紅土層自然斜坡在40°～50°間。

西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司露天煤礦主要進行首采區的開采工作，剝離物排棄已完全由外排轉為內排土場排棄作業，河曲露天礦開采現狀圖如圖1。

圖1 河曲露天礦開采現狀圖Fig.1 Hequ open-pit mining status map

由圖1，河曲露天礦目前已開采至13#煤層，盡管內排土場已經進行了壓幫處理，但端幫邊坡（東、西）仍然暴露外界，受到外界因素的干擾，如雨水、爆破振動等，端幫存在一定的滑坡風險，內排壓腳對端幫邊坡穩定性雖能夠起到一定的控制作用，但確定1 個合理的內排壓腳追蹤距離，不僅能夠更好地起到端幫邊坡穩定性控制作用，同時能夠實現內排土場的最大化利用。

1.2 三維數值模型

西端幫三維數值模型如圖2。

圖2 三維數值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

河曲露天礦西端幫邊坡整體高度約為133.78 m，端幫邊坡上部覆蓋有厚度達65.79 m 的黃土層，其底部基巖為泥巖，邊坡整體角度約為36.52°，局部單臺階角度最大為69.99°。該三維數值模型沿x 方向長度為460 m，沿y 方向長度為500 m，沿z 方向高度為182 m，內排土場高度為33 m，邊坡角度為25°，工作幫高度為30 m，邊坡角度為15°，內排土場與工作幫之間的追蹤距離為L。為研究端幫邊坡穩定性與追蹤距離L 之間的關系，根據所建立的模型，分別研究了L 為250、200、150、100、50 m 時端幫邊坡穩定性。

2 結果分析

2.1 內排土場端幫邊坡位移云圖分析

內排土場不同追蹤距離下端幫邊坡位移云圖如圖3～圖7。

圖3 追蹤距離250 m 端幫邊坡位移云圖Fig.3 End slope displacement cloud map for tracking distance of 250 m

圖4 追蹤距離200 m 端幫邊坡位移云圖Fig.4 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 200 m

圖5 追蹤距離150 m 端幫邊坡位移云圖Fig.5 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 150 m

圖6 追蹤距離100 m 端幫邊坡位移云圖Fig.6 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 100 m

圖7 追蹤距離50 m 端幫邊坡位移云圖Fig.7 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 50 m

1）從數值模擬計算的x 方向位移云圖來看，根據不同位移值可將端幫邊坡劃分為危險區域、次危險區域及穩定區域。分析圖3～圖7 中所給出的x 方向位移云圖可知，隨著內排壓腳追蹤距離L的不斷減小，端幫邊坡x 方向的最大位移值不斷減小，根據所劃分的危險區域來看，隨著內排壓腳追蹤距離L的不斷減小，危險區域逐漸向工作幫方向遷移，且危險區域面積有所增大，次危險區域由端幫邊坡暴露坑底滑移。分析認為：端幫邊坡上部存在較大厚度的黃土層，由于黃土層物理力學性質較差，首先發生失穩，并迫使其下部巖土體發生滑移，而隨著內排壓腳追蹤距離的不斷減小，端幫邊坡受到內排土場壓腳支護的區域不斷增大，為黃土層下部巖土體的滑移提供了抗滑力，進而迫使上部黃土層的抗滑力提高，而未受到內排壓腳支護的區域，形成了“排泄口”，并在“排泄口”的周圍形成應力集中，而位于“排泄口”正上方的黃土層區域由于底部缺乏內排土場的壓腳支護，抗滑力較小，首先發生失穩，形成了危險區，其底部的巖層進而形成次危險區，即隨著內排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，端幫邊坡危險區域逐漸向工作幫方向遷移，且滑體近似呈“凸”字形。

2）從數值模擬計算的z 方向位移云圖來看，根據方向的不同位移值可將端幫邊坡劃分為主沉降區域、次沉降區域、底鼓區域以及穩定區域。分析圖3～圖7 中所給出的z 方向的位移云圖可知，端幫邊坡在重力的作用下，發生不同程度的沉降，根據沉降的位移值不同，將端幫邊坡劃分為主沉降區域、次沉降區域、底鼓區域以及穩定區域。主沉降區域主要位于端幫邊坡黃土層位置，且隨著內排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，主沉降區域逐漸向工作幫方向遷移，分析認為由于端幫邊坡上覆黃土層物理力學性質較差，在其重力的作用下首先發生失穩破壞，進而引發周邊巖土體發生破壞，形成了圍繞式破壞，而端幫邊坡底部由于受到內排壓腳支護的影響，端幫邊坡抗滑力提高，與之對應的端幫邊坡區域基本處于次沉降區域，而內排土場及坑底靠近端幫邊坡位置由于受到上部滑體的擠壓作用，形成底鼓區域。

綜合上述分析，河曲露天礦端幫邊坡由于上覆黃土層的影響，滑移危險區域主要集中在黃土層，且隨著內排壓腳追蹤距離L 的不斷減小，危險區域逐漸向工作幫方向遷移，滑體近似呈“凸”字形，這也說明了內排土場壓腳支護可以對端幫邊坡提供一定的抗滑力，并迫使危險區域轉移；在沉降方面，沉降主要發生在黃土層，內排土場及坑底靠近端幫邊坡坡腳處發生了底鼓現象，這是由于端幫上覆巖土體的滑體的擠壓作用形成的，且內排壓腳追蹤距離L的減小，主沉降區域逐漸向工作幫方向遷移，底鼓區域不斷擴大。因此，內排壓腳可以對端幫邊坡起到一定的抗滑作用，迫使危險區域轉移，但端幫邊坡底部易形成底鼓現象，礦區在采取內排壓腳時，必須選定1 個合理的內排壓腳追蹤距離。

2.2 內排土場端幫邊坡最大剪切應變增量云圖

端幫邊坡在失穩破壞的過程中，在其潛在滑移面附近會形成變形集中區域，產生局部化的剪切變形，內排土場不同追蹤距離下端幫邊坡最大剪切應變增量云圖如圖8～圖12。

圖8 追蹤距離250 m 端幫邊坡最大剪切應變增量云圖Fig.8 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 250 m

圖9 追蹤距離200 m 端幫邊坡最大剪切應變增量云圖Fig.9 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 200 m

圖10 追蹤距離150 m 端幫邊坡最大剪切應變增量云圖Fig.10 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 150 m

圖11 追蹤距離100 m 端幫邊坡最大剪切應變增量云圖Fig.11 End slope maximum shear strain incrementscloud diagram for tracking distance of 100 m

圖12 追蹤距離50 m 端幫邊坡最大剪切應變增量云圖Fig.12 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 50 m

根據圖8～圖12 中所給出的不同追蹤距離L 下的最大剪切應變增量云圖可知：當追蹤距離L 小于150 m 時，最大剪切應變增量主要集中于黃土層區域，且在端幫邊坡靠近坑底位置，單臺階面存在局部較大的剪切應變增量區域，當內排土場追蹤距離變為100 m 和50 m 時，最大剪切應變增量主要集中在內排土場及坑底靠近端幫邊坡坡底區域，黃土層區域的最大剪切應變增量較小，從數值上看，當內排壓腳追蹤距離大于150 m 時，最大剪切應變增量數值最大僅為0.229，而當內排要交追蹤距離變為100 m 和50 m 時，最大剪切應變增量數值分別為0.579和0.608，此時的最大剪切應變增量已經有了較大的變化。分析認為當內排壓腳最終距離大于150 m時，內排壓腳支護此時隨對端幫邊坡的支護起到了一定的作用，而隨著內排壓腳支護的追蹤距離繼續減小到100 m 時，內排壓腳支護作用進一步得到擴大，迫使滑體由“排泄口”滑出。

2.3 端幫邊坡穩定性系數

不同追蹤距離L 與端幫邊坡穩定性系數的擬合函數圖如圖13。

圖13 不同追蹤距離L 與端幫邊坡穩定性系數擬合函數圖Fig.13 Fitting function diagram of different tracking distance L and end slope stability coefficient

由圖13 給出的端幫邊坡穩定性系數與不同追蹤距離L 之間的函數擬合圖可知，端幫邊坡穩定性系數與追蹤距離L 之間的函數關系服從Boltzmann函數關系式，擬合度R2為0.998 32，屬于高度擬合，分析圖中所給出的端幫邊坡穩定性系數變化趨勢可知，當內排壓腳追蹤距離大于150 m 時，內排壓腳追蹤距離的變化會引起端幫邊坡穩定性系數的變化，但變化不大，而當內排壓腳追蹤距離由150 m變為100 m 時，端幫邊坡穩定性系數由1.46 變為1.60，發生了較大變化，而后當內排壓腳追蹤距離由100 m 變化為50 m 時，端幫邊坡穩定性系數僅由1.60 變化為1.61，僅增加了0.01，變化并不是特別明顯。分析認為當內排壓腳追蹤距離L 由250 m 不斷減小時，端幫邊坡受到內排土場壓腳支護的區域也不斷增大，從而使得端幫邊坡穩定性有所提高，而當內排壓腳追蹤距離由150 m 變化至100 m 時，內排壓腳支護效果發生突變，從而使得端幫邊坡穩定性系數發生了斷崖式變化。

3 結 語

1）不同內排壓腳追蹤距離下，端幫邊坡形成了不同的危險區域。河曲露天礦端幫邊坡由于上覆巖層為厚度較大的黃土層，危險區域主要集中于黃土層，而端幫邊坡部分區域受到內排土場壓腳支護的作用，與之對應的黃土層區域處于次危險區域，而隨著內排追蹤距離的不斷減小，危險區域逐漸向工作幫方向遷移，端幫邊坡滑移區域也逐漸向“排泄口”靠攏，滑移區域近似呈“凸”字形。

2）不同內排壓腳追蹤距離下，端幫邊坡形成了不同的沉降區域，并伴隨有底鼓現象。受端幫邊坡上覆黃土層的影響，黃土層區域發生沉降，而部分黃土層區域受到底部內排土場壓腳支護的影響，沉降有所減小，形成次沉降區域，而隨著內排壓腳追蹤距離的不斷減小，壓腳支護區域逐漸增大，主沉降區域減小的同時向工作幫邊坡方向遷移，而坑底位置受到擠壓作用，形成底鼓區域。

3）不同內排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩定性系數服從Boltzmann 函數。隨著內排壓腳追蹤距離的不斷減小，端幫邊坡的穩定性系數發生了斷崖式的變化，內排壓腳追蹤距離與端幫邊坡穩定性系數之間存在最優追蹤距離。