露天煤礦邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

石興國(guó)，韓永生，趙 斌

(烏海市萬(wàn)企景華煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

我國(guó)目前露天煤礦數(shù)量在增多，煤礦也在擴(kuò)大產(chǎn)能，這樣就帶來(lái)一系列的問(wèn)題，特別是在呼倫貝爾等一些露天煤礦，結(jié)構(gòu)多為軟巖邊坡；這種容易滑坡，一旦發(fā)生后果很?chē)?yán)重。如：在2010年發(fā)生的事故中，2號(hào)露天煤礦就是軟巖邊坡，在救援過(guò)程中又發(fā)生了二次滑坡，由第1次的滑坡由8 100 m3增加至9 400 m3，滑坡發(fā)生后壓煤300多萬(wàn)t，無(wú)法進(jìn)行回采，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1億元。在我國(guó)露天礦滑坡事故中，斷層是其中很重要的一種誘發(fā)因素，在順傾層和斷層等因素下，會(huì)存在很多礦山事故，在現(xiàn)有課題研究中，順傾層邊坡的穩(wěn)定性受多方面因素影響，且比較復(fù)雜。在露天煤礦的安全生產(chǎn)中，因斷層因素帶來(lái)的事故較多，而在順傾弱層和斷層共同作用下，就會(huì)發(fā)生滑坡事故，滑坡事故導(dǎo)致的后果很?chē)?yán)重。在現(xiàn)有研究中，對(duì)于順傾弱層和斷層間的分析缺少較深的研究，對(duì)于現(xiàn)存在的問(wèn)題，以萬(wàn)企景華煤業(yè)公司管理的露天煤礦東幫順傾層狀邊坡為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際分析及調(diào)研情況，在實(shí)際工程基礎(chǔ)上建立模型，并通過(guò)分析軟件，對(duì)斷層形態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為在實(shí)際中解決同類(lèi)問(wèn)題提供參考。

1 工程概況

選取的露天礦東幫邊坡，幫坡角度20°，高度200 m，構(gòu)成結(jié)構(gòu)(自下而上)為侏羅系、第四系，其中最下層侏羅系地層巖，成分為煤、泥巖、細(xì)砂巖等，含有豐富的煤地層。最上層為第四系，主要成分是砂巖和砂土和半膠結(jié)狀。對(duì)研究的地質(zhì)進(jìn)行深入勘測(cè)后，在邊坡和東幫邊坡坡體內(nèi)部有4條順傾弱層，傾角12°，成分主要為炭質(zhì)泥和泥巖，有絕佳的持水和吸水性，可以對(duì)其進(jìn)行軟化。同時(shí)東幫邊坡坡體內(nèi)還有正斷層，與邊坡坡面斜交；傾角40°～70°，平均50°，斷層與邊坡走向有25°～40°的夾角，平均角度30°，落差200 m，長(zhǎng)度約5 000 m。研究對(duì)象地質(zhì)情況如圖1所示，具體物理學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 研究對(duì)象地質(zhì)情況Fig.1 Geological condition map of study subjects

由表1得出，選取的露天煤礦屬于順傾層狀邊坡，同時(shí)還是斜交斷層，要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析需要對(duì)順傾弱層和受斷層進(jìn)行研究。因此，滑移模式非單一性。如邊坡穩(wěn)定性在順傾弱層和受斷層一起作用時(shí)，邊坡滑移會(huì)因?yàn)槿鯇印獢鄬印獔A弧的3種作用遭受到破壞；當(dāng)邊坡穩(wěn)定性在順弱層時(shí)，滑移模式弱層—剪切圓弧2種作用情況遭受破壞。

表1 工程指標(biāo)Tab.1 Engineering indicators

2 數(shù)值模型建立

利用數(shù)值軟件FLAC對(duì)上述工程模型進(jìn)行初步構(gòu)建，采用對(duì)研究對(duì)象的穩(wěn)定性和滑移模式進(jìn)行建模，選用顯式Lag算法和離散混合算法。根據(jù)實(shí)際研究對(duì)象，對(duì)其建立等比模型，模型高360 m、寬(傾向)1 400 m、長(zhǎng)(走向)1 400 m，建立的模型如圖2所示。對(duì)順傾角層狀邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)斷層走向及傾角進(jìn)行分析，以斷層為軸，邊坡走向和斷層走向?yàn)榻唤牵诟淖償鄬觾A角時(shí)，建立50°～85°的傾角，傾角間斷為5°，在這8種傾角下建立數(shù)據(jù)模型；在固定好斷層傾角后，建立模型交線，以斷層走向?yàn)檩S，建立30°～80°的傾角，傾角間隔10°，在這6種傾角下建立數(shù)據(jù)模型。以模型為邊界，在模型的軸向進(jìn)行約束，確保在軸向不發(fā)生移動(dòng)，模型的底部作為界面，對(duì)其進(jìn)行固定，確保底界面的垂直和水平位移為0，在模型的坡面和頂部不進(jìn)行約束，研究模型在坡面和頂部的自由滑體情況。

圖2 地質(zhì)模型Fig.2 Geological model

3 結(jié)果分析

采用多探測(cè)技術(shù)，對(duì)以上8種工況和6種工況進(jìn)行分析，對(duì)其穩(wěn)定性的結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)模型的軸向方向間隔一定距離(200 m)進(jìn)行切割，可以更準(zhǔn)確地反映出斷層的真實(shí)情況，對(duì)其穩(wěn)定性的分析能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確。在50°～85°傾角8種工況下的斷層位移分析如圖3所示。

圖3 在 50°～85°傾角8種工況下的斷層位移Fig.3 Fault displacement analysis under 8 inclination of 50°～85°

由圖3可知，得出在斷層傾角50°～65°時(shí)，破壞模式為弱層—斷層—剪切圓弧3種，而當(dāng)斷層角在65°以上時(shí)，破壞模式為弱層—剪切圓弧，這種模式下對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性不利。對(duì)于邊坡穩(wěn)定系數(shù)與斷層傾角之間的關(guān)系，在斷層傾角為50°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.19；在斷層傾角為55°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.205；在斷層傾角為60°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.215；在斷層傾角≥65°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)趨于平緩，約為1.22。由此可見(jiàn)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨著斷層傾角的增大而增加，在斷層傾角較小時(shí)，坡體內(nèi)剪切力擴(kuò)展導(dǎo)致，邊坡不穩(wěn)定；在當(dāng)斷層傾角增大到一定角度后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)趨于穩(wěn)定，這是在坡體內(nèi)形成了剪切力圓弧滑面，邊坡的穩(wěn)定性不隨斷層傾角變化而改變。在 30°～80°傾角6種工況下的斷層走向分析如圖4所示。從圖4可對(duì)交角的走向進(jìn)行研究，對(duì)危險(xiǎn)滑面和邊坡的破壞情況的規(guī)律進(jìn)行分析。當(dāng)邊坡和斷層走向的交角在30°和60°之間時(shí)，破壞模式為弱層—斷層—剪切圓弧破壞模式；當(dāng)走向交角>60°時(shí)，邊坡破壞模式為弱層—剪切圓弧，會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。當(dāng)走向交角為30°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.19；當(dāng)走向交角40°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.21；當(dāng)走向交角為50°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)約為1.212；當(dāng)走向交角>60°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)約為1.215。由此可見(jiàn)，在走向交角在30°～60°時(shí)，隨著交角的增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，這是邊坡走向和斷層導(dǎo)致走向區(qū)域內(nèi)位移矢量變化較大，穩(wěn)定性差，隨著交角的增大，穩(wěn)定性變好；當(dāng)走向交角>60°時(shí)，由于邊坡與走向相交的區(qū)域變小，邊坡趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于露天煤礦的工程分析，得出滑移的面主要是順傾層。為了改善這種情況，本文對(duì)斷層及順傾角進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)邊坡的潛在滑移模式建立模型，對(duì)于斷層的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，當(dāng)邊坡交角在30°～60°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性較差，需要重點(diǎn)關(guān)注，并采取相應(yīng)的措施；當(dāng)斷層的傾角在50°～65°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性較差，需要重點(diǎn)關(guān)注，并采取防護(hù)措施；而當(dāng)邊坡的交角及斷層的傾角較大時(shí)，邊坡相對(duì)很穩(wěn)定。由此得出，要做好邊坡和弱層的治理，在交角和斷層傾角較小的時(shí)候，對(duì)邊坡的防護(hù)要采取相應(yīng)的措施。

圖4 在 30°～80°傾角6種工況下的斷層走向Fig.4 Fault direction at 6 inclination of 30°～80°