大峰露天礦邊坡穩定性分析與治理措施研究

侯 敏

(國家能源集團 寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

根據統計數據顯示，露天礦山數量較多，特別是鐵礦和有色金屬礦就約有1 500個，其中大型礦山數量分別達到40個和12個。截至2017年，全國建材類礦山露天開采量占100%，冶金輔助材料露天開采量占總開采量90.5%，鐵礦石露天開采量占總開采量86.4%，有色金屬礦露天開采量占總開采量49.6%，煤炭露天開采占總開采量5%。露天開采由于安全條件好、機械化程度高、資源回收利用率高等優點，成為淺埋礦床首選方法[1-5]。

由于露天開采優越的交通環境，為了進一步提高礦山開采效率，越來越多先進高效的鉆孔設備得到應用，大孔徑、高臺階爆破技術得到發展，特別是在礦巖硬度比較大的露天礦φ310 mm牙輪鉆機逐步取代了φ200、φ250 mm潛孔鉆機，露天礦開采出礦量越來越大，年開采深度越來越深，礦山開采效率逐步增大的同時，邊坡安全隱患也越來越多。

20世紀50年代，我國邊坡穩定性研究開始起步，主要以材料力學和簡單的土力學進行邊坡穩定性計算。60年代，邊坡研究理論得以發展，其中以巖體結構理論和流變理論為代表。70年代，結合礦山實際情況，建立了相應的過程地質模型，開展了工程地質力學研究[6]。80年代開始推廣應用數值模擬技術及邊坡可靠性分析，經過近70年的發展，邊坡穩定性研究理論不斷成熟，將傳統的方法不斷發展，結合新的理論和試驗，逐步形成了定性和定量分析法[7-11]。大峰礦煤層具有“太西無煙煤”稱號，品味高，含有雜質較少，工業生產過程中，燃燒值高，污染較少，在冶金和化工等方面得到廣泛的應用。1958—1996年為露天小規模開采，1996—2006年為井工開采，由于地采受火區影響停止生產，2011年開采呈規模露天開采，由于大峰礦煤層較多，賦存條件復雜，隨著開采深度不斷加大，邊坡失穩現象逐步增多。因此本文通過對大峰露天煤礦進行詳細的現場勘查及資料收集整理，利用已知的礦巖性質，運用相關理論進行邊坡安全系數計算，并采用FLAC3D分析軟件建立特征邊坡模型，分析不同結構參數下邊坡終了狀態的位移、應力分布特征等，對大峰露天煤礦終了邊坡的穩定性進行深入系統的研究，提出邊坡防護措施并應用于現場實踐。

1 工程概況

2 邊坡穩定性系數理論計算分析

邊坡的安全系數是邊坡穩定性的最重要的衡量指標，根據《巖土工程勘察規劃》(GB 50021—2001)(2009年版)，邊坡穩定性系數對于新設計的邊坡：重要工程宜取1.3～1.5，一般工程宜取1.15～1.30，次要工程宜取1.0～1.15。本工程邊坡穩定性安全系數允許值取k0=1.3。

2.1 非工作幫邊坡系數理論計算分析

非工作幫邊坡中含有2層軟弱的煤層，煤層與相鄰的巖體物理力學性質差別較大，近似于兩條平行的層理，根據文獻[12]順層邊坡的滑坡特點，層理面平行于砂巖巖層，且非工作幫終了邊坡層理貫穿巖體，在層理作用下極可能發生順層滑坡。

巖體結構面與邊坡坡面的產狀對于邊坡穩定起著控制作用，大峰礦順層邊坡滑動受力分析如圖1所示。

圖1 大峰礦順層邊坡滑動受力分析Fig.1 Stress analysis diagram of slope slide of Dafeng open pit mine

邊坡穩定性系數k可以由抗滑力R與下滑力S之比表示：

(1)

式中，c為巖體內聚力；θ為潛在滑面傾角；φ為巖體內摩擦角；L為潛在滑面長度；α為開挖坡角；G為巖體自重；γ為巖體的容重；H為邊坡高度；h為邊坡切層高度。

(2)

將式(2)代入式(1)，整理得：

(3)

大峰露天煤礦開采過程中，若忽略人為因素，由式(3)可知，非工作幫邊坡不同結構參數安全系數分析可得：影響安全系數的可變參數為臺階高度和坡面角，并且安全系數隨著臺階高度增大而降低，隨著坡面角的增大而降低。

2.2 端幫邊坡系數理論計算分析

大峰礦終了邊坡端幫層理面呈水平分布，與砂巖巖層的夾角較大，根據文獻[13-15]對圓弧滑動的判斷，確定端幫的可能滑坡屬于圓弧滑坡。采用圓弧形條分法對圓弧滑坡的土坡穩定性進行分析，這種方法認為邊坡巖體的滑動屬于平面問題，并假定滑面為圓弧形，其位置和安全系數要通過反復試算確定，計算中不考慮條塊間的作用力。計算模型如圖2所示。

圖2 圓弧形滑動計算模型Fig.2 Calculation model of circle failure

計算在每一條塊上的力，將每一條塊的自重分解為垂直于滑動面的法向壓力Ni和平行于滑動面的切向力Ti，即：

Ni=Wicosαi

(4)

Ti=Wisinαi

(5)

式中，φ為巖體的內摩擦角；αi為通過條塊重心的垂線與底邊線的夾角；C為條塊滑面上的內聚力。

作用在該條塊所對應的長為Li，滑面上尚有摩擦力Nitanφ與總內聚力CLi，此二力是抵抗滑動的抗滑力。

在條塊界面上還有垂直于平行條塊界面的E1，E2，T1和T2等作用力，為簡化計算，假定T1=T2，E1=E2，故在計算中這些力不予考慮。

計算各條塊的下滑力對圓弧圓形O點的力矩M1：

(6)

計算各條塊抗滑力對O點的力矩M2：

(7)

則安全系數n為：

(8)

式(8)為端幫終了邊坡安全系數計算理論，由于公式較復雜，無法直接算出安全系數，因此采用數值模擬進行分析和計算。

3 邊坡穩定性數值模擬分析

3.1 巖體物理力學參數

三維模型計算時需要賦予礦巖物理力學性質，包括體積模量K和剪切模量G，通過以下公式進行計算：

(9)

表1 巖層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock formations

(10)

3.2 三維數值模型

由第1節分析可知，根據大峰露天開采根據巖層產狀及邊坡特征，終了邊坡主要存在2種破壞模型：①非工作幫邊坡破壞模型；②端幫邊坡破壞模型，在有限元軟件Midas-Gts上建立了大峰露天煤礦2種終了邊坡工程地質三維仿真模型。

非工作幫邊坡高度約96 m，邊坡無大型結構斷裂，但是存在2個煤層，2煤層夾在邊坡中，且煤層傾向與最終邊坡的傾向大致平行，煤層厚度取3 m，如圖3所示。由于煤的物理力學性質與周邊巖石的物理力學性質差別較大，煤層在邊坡中類似于層理面，對邊坡的破壞形態起決定性作用。三維建模時巖體網格劃分越小，計算結果越精確，因此，本模型三維尺寸為，x∈(0，10)，y∈(0，100)，z∈(0，96)，共建立15 214個節點，27 912個單元。本次模型以橫剖面Ⅷ剖面為基礎，上層巖體結構為粉砂巖，下層巖體為粗粒砂巖。

圖3 非工作幫邊坡計算模型Fig.3 Calculation model of non-work wall slope

端幫邊坡高150 m，邊坡內部無大型的結構斷裂，存在3層煤層與水平面大致平行，巖體上部為粉砂巖，下部為粗粒砂巖，如圖4所示。煤層厚度取3 m，模型以礦山縱剖面9剖面為基礎，共有 184 292個節點，35 464個單元。邊坡在3個坐標軸上的位置分別為：X∈(0，130)，Y∈(0，100)，Z∈(0，150)。

圖4 端幫邊坡計算模型Fig.4 Calculation model of slope

3.3 邊坡穩定性數值結果

基于第3.2節有限元軟件Midas-Gts對兩種邊坡建立數值模型的基礎上，再將模型導入FLAC3D三維軟件進行計算并分析邊坡應力特點。根據其應力分布判斷邊坡潛在的破壞特征，分析結果如下。

(1)非工作幫邊坡。模型中有2個煤層，即2個斷裂面，經過數值計算后，由圖可以看出，在第1層煤層應力符合自重應力分布特征，無應力集中點，但是在第2層煤附近出現了應力的集中，主要體現為應力在巖滑動面較周邊巖體應力明顯的突變，說明終了邊坡的滑面出現在第2條層理面。

由圖5—圖8對X、Y、Z三個方向應力進行分析后發現，非工作幫終了邊坡由于存在2層傾斜的層理(煤層)，層理結構上覆巖層沿著層理面存在較大的下滑力，且第2層層理結構下滑力明顯大于第1層層理面，第2層層理埋藏大于第1層層理面，說明在第2次層理面上，自重應力在層理面上的分力大于層理面的摩擦力，終了坡面下滑力明顯增大，非工作幫終了邊坡出現順層滑坡破壞特征。

圖5 X方向應力云圖Fig.5 Stress nephogram of X-direction

圖6 Y方向應力云圖Fig.6 Stress nephogram of Y-direction

圖7 Z方向應力云圖Fig.7 Stress nephogram of Z-direction

圖8 最大主應力云圖Fig.8 Nephogram of maximum principal stress

(2)端幫邊坡。由圖9—圖12對端幫進行數值模擬分析發現，其破壞模式較非工作幫有較大的區別。端幫的節理斷層更多，但是由于其節理與水平面平行，與坡面近乎垂直，因此層理面對于坡面的影響較小。但是通過應力云圖發現，X與Y方向應力和位移在節理面均有明顯的變化，Z方向應力呈現弧形變化，說明在自重應力作用，端幫邊坡出現圓弧形破壞特征。

圖9 X方向應力云圖Fig.9 Stress nephogram of Y-direction

圖10 Y方向應力云圖Fig.10 Stress nephogram of Y-direction

圖11 Z方向應力云圖Fig.11 Stress nephogram of Z-direction

圖12 最大主應力云圖Fig.12 Nephogram of maximum principal stress

由上述數值結果分析可知，非工作幫邊坡出現順層滑坡破壞特征，端幫邊坡出現圓弧形破壞特征，驗證了第2節理論分析得出的2種邊坡各自潛在的破壞形態。

4 邊坡穩定性正交試驗分析

由第2節與第3節分析可知，若不考慮其他人為因素的影響，影響礦山巖質邊坡穩定性的主要因素為臺階高度、臺階坡面角、平臺寬度，根據大峰礦初步設計建議，每個因素有一定的取值范圍，不同取值對于終了邊坡穩定性將造成較大影響。由于3個因素取值水平較多，采用常規的試驗將進行3n次試驗，試驗次數繁多，效率低。因此，本次試驗采用正交試驗分析，正交試驗分析就是選擇其中一部分有代表性的水平組合進行試驗分析，提高工作效率，減少工作量，3個因素三水平對于采用正交按L9(33)正交表(表3)，只需進行9次試驗。

本次試驗有3個因素，表示為A：臺階高度；B：臺階坡面角；C：平臺寬度。試驗方案見表2。

表2 邊坡穩定性因素試驗方案Tab.2 Slope stability factor test protocol

(1)安全系數計算方法。采用理論式(8)對圓弧性滑坡進行計算涉及參數眾多，影響因素較多，在理論計算過程中計算繁瑣且結果存在一定誤差。FLAC3D能夠用于邊坡安全計算，且能夠快速實現重復大量的計算。FLAC3D邊坡的安全系數為滑面實際抗剪強度指標與發生破壞臨界狀態時虛擬的折減強度指標的比值，其計算原理為：

(11)

式中，K為安全系數；L為折減強度指標；φ為內摩擦角；c為巖體內聚力。

根據實際情況，逐步改變相關參數，得到不同的c′、φ′，代入FLAC3D反復迭代計算，直至坡體達到臨界狀態，坡體達到臨界狀態的K值即為邊坡安全系數。利用莫爾—庫倫強度準則，將邊坡不收斂作為破壞標準，其表達式為：

(12)

式中，φ為內摩擦角；J2為應力偏量第二不變量；I2為應力張量第一不變量；c為巖體內聚力；θσ為應力羅德角。

按照表3所示方案采用FLAC3D分別對非工作幫與端幫終了邊坡安全系數進行計算，運用正交試驗分析表格進行統計分析，目標值為安全系數n。

(13)

R=max{K1，K2，K3}-min{k1，k2，k3}

(14)

式中，Ki為i列同一因子影響目標值之和；ki為i列目標值平均數；R為極差。

由表3(左列數據)可以明顯看出3個因素的主次順序依次B、A、C，即臺階坡面角對終了邊坡穩定性影響最大，其次為臺階高度，最后為平盤寬度，因此影響非工作幫最主要的因素為臺階坡面角的設置，非工作幫為順層邊坡，坡面角越大，順層坡上覆巖層壓力越大，順層滑坡幾率越大。根據正交試驗結果，邊坡安全系數不小于1.3相對安全，安全系數越大，終了邊坡剝離量越大，經濟性越差，因此綜合考慮安全因素和經濟因素，非工作幫最優的邊坡結構參數為A1B2C2，即臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為5 m時，效果最佳。

表3 非工作幫與端幫正交試驗分析Tab.3 Orthogonal test analysis of non-working wall

從表3(右列數據)可以明顯看出3個因素的主次順序依次BAC，即臺階坡面角對終了邊坡穩定性影響最大，其次為臺階高度，最后為平盤寬度，因此影響端幫最主要的因素為臺階坡面角，坡面角越大，其終了邊坡角越陡，越不利于邊坡的穩定，通過理論分析及數值模擬發現，端幫的破壞主要以圓弧形破壞為主，終了邊坡角過大時，圓弧形破壞的趨勢越明顯。根據正交試驗結果，邊坡安全系數不小于1.3相對安全，安全系數越大，終了邊坡剝離量越大，經濟性越差，因此綜合考慮安全因素和經濟因素，端幫最優的邊坡結構參數為A3B2C1，即臺階高度為15 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為3 m時，效果最佳。

根據數值模擬的最佳結構參數，為減少大峰露天煤礦不同邊坡產狀滑坡的危害，大峰露天礦山非工作幫：臺階坡面角選擇70°，臺階高度10 m，臺階平盤寬度為5 m；端幫邊坡：坡面角選擇70°，臺階高度15 m，臺階平盤寬度為3 m。數值模擬分析的優化方案應用于現場，同時通過工程經驗采取一些其他優化措施，比如：排水過程、錨固技術與加強對邊坡的監測等措施，最終大峰露天礦山未出現失穩現象，取得了較好的效果。

5 結論

(1)根據大峰礦邊坡層理的分布特征，將邊坡的潛在破形態分為2類：非工作幫為例的順層滑坡與端面為例的圓弧形滑坡，通過理論分析得出影響2類邊坡穩定性的主要因素有：臺階高度、臺階坡面角、平臺寬度。并根據理論公式對2類破壞形態邊坡的穩定性進行分析得出：安全系數隨著臺階高度增大而降低，隨著坡面角的增大而降低。

(2)采用FLAC3D分析軟件對礦山邊坡進行了三維建模數值仿真計算分析，對非工作幫與端幫邊坡的應力、位移進行特征分析，驗證了結論(1)2類邊坡對應的破壞形態。

(3)運用正交實驗分析法對邊坡結構參數進行優化分析得出：非工作幫終了邊坡臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為5 m時，安全系數為1.53；端幫最優的邊坡結構參數為臺階高度為15 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為3 m時，安全系數為1.46，均大于允許值1.3。優化方案在現場進行應用，取得了較好的效果。