高富強(qiáng)，劉智超，陸 翔

（1.中國(guó)神化哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

露天煤礦邊坡穩(wěn)定性一直是礦山企業(yè)重視的首要安全問(wèn)題。在邊坡安全范圍內(nèi)適當(dāng)提高邊坡角度能夠大大增加礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。露天煤礦開(kāi)采中的靠幫開(kāi)采是指在保證露天礦邊坡安全和正常生產(chǎn)的情況下，通過(guò)加大端幫邊坡角來(lái)提高煤炭回收量（生產(chǎn)過(guò)程）或者減少露天礦剝離量（設(shè)計(jì)過(guò)程減少補(bǔ)充擴(kuò)幫量）的開(kāi)采方式[1-2]。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行的靠幫開(kāi)采實(shí)際上是在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)露天礦開(kāi)采境界的二次修正。靠幫開(kāi)采雖然能夠有效增加企業(yè)生產(chǎn)效益[3]，但是靠幫過(guò)程中伴隨著邊坡角度的增加，使邊坡安全性逐漸降低，因此有必要對(duì)靠幫過(guò)程進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[4-5]，明確端幫角度的提升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 靠幫開(kāi)采的可行性前提

目前在國(guó)內(nèi)，靠幫開(kāi)采技術(shù)還沒(méi)能夠成為露天煤礦開(kāi)采的一個(gè)生產(chǎn)工藝，并形成完整的理論依據(jù)。但是，該方法已經(jīng)逐漸在各個(gè)露天煤礦進(jìn)行了實(shí)施，用以提高企業(yè)效益。靠幫開(kāi)采技術(shù)常用于進(jìn)行壓幫內(nèi)排前來(lái)提高資源回收率。在采用內(nèi)排的露天礦山，端幫在開(kāi)挖后，隨著內(nèi)排場(chǎng)的推進(jìn)，端幫又被掩埋。掩埋后，端幫也就失去了自由滑動(dòng)面。換句話(huà)說(shuō)，端幫的服務(wù)時(shí)間是指從開(kāi)挖到被掩埋的整個(gè)過(guò)程。其實(shí)，這也就是需要在端幫的服務(wù)時(shí)間內(nèi)保持端幫的穩(wěn)定。內(nèi)排土場(chǎng)和采場(chǎng)的同時(shí)推進(jìn)，使得端幫暴露的時(shí)間減少，為加大端幫幫坡角、實(shí)施靠幫開(kāi)采提供了可能。同時(shí)端幫的邊坡維護(hù)時(shí)間也相應(yīng)的減少，降低了邊坡治理的投入。但是由于在靠幫過(guò)程中對(duì)端幫的擾動(dòng)作用大，所以靠幫開(kāi)采首先需要解決的就是邊坡的端幫穩(wěn)定性問(wèn)題。在衡量一個(gè)端幫是否可以進(jìn)行靠幫開(kāi)采時(shí)，應(yīng)該具備的基本條件為：

1）可進(jìn)行端幫靠幫開(kāi)采的最基本前提是邊坡安全性前提，因?yàn)檫吰陆嵌鹊脑黾颖厝粫?huì)帶來(lái)邊坡安全性的降低。露天端幫幫坡角可以提高的原因是設(shè)計(jì)時(shí)幫坡角的穩(wěn)定性系數(shù)取的比較大；內(nèi)排土場(chǎng)的投入使用加快了端幫的掩埋，使得端幫邊坡暴露面積大大減小，端幫存在時(shí)間變短[6]。

2）在確定端幫安全性后，就要計(jì)算陡幫位置的經(jīng)濟(jì)效益。陡幫的目的主要是將下部煤層的煤炭開(kāi)采出來(lái)，剝離工作較少，陡幫過(guò)程中通常剝采比都要少于正常生產(chǎn)中的剝采比，所以經(jīng)濟(jì)效益都比較可觀，但是也要做好煤層的勘探分析工作，合理確定可能地可采量[7]。

3）靠幫開(kāi)采時(shí)對(duì)端幫進(jìn)行開(kāi)槽也要保證鏟車(chē)和卡車(chē)的采掘、運(yùn)輸有足夠的空間，各個(gè)工序之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，以實(shí)現(xiàn)對(duì)端幫壓煤的有效回收。因此必須保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，運(yùn)輸通道的暢通，同時(shí)保證不影響工作幫和內(nèi)排土場(chǎng)的正常作業(yè)。

2 數(shù)值分析過(guò)程

由于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的確定受多方面因素的影響，在工程實(shí)踐中大多采用基于各種假定條件的簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算。FLAC/SLOPE是一款專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于解決巖土邊坡工程問(wèn)題的軟件，在進(jìn)行邊坡應(yīng)力、可靠性分析有著非常廣泛的應(yīng)用。由于在計(jì)算過(guò)程中采用顯式算法對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)方程，所以隨著計(jì)算的進(jìn)行，可以觀察到邊坡巖體的變形發(fā)育、漸進(jìn)破壞和垮落的完整過(guò)程，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)和單元應(yīng)力值反映邊坡整體的應(yīng)力、應(yīng)變速率等情況，因此在分析邊坡的穩(wěn)定性中非常實(shí)用。在露天煤礦邊坡安全研究中，也可以對(duì)邊坡的結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)等進(jìn)行研究[8-9]。該軟件可以在繪圖面板直接建立地層，實(shí)現(xiàn)快速建模。具體來(lái)說(shuō)，每項(xiàng)邊坡分析都需要經(jīng)歷4個(gè)階段，即建模階段（建立線(xiàn)形、非線(xiàn)性、階梯形和堤壩模型）→賦值階段（指定分層、材料、弱面、荷載、含水層和加固結(jié)構(gòu)）→計(jì)算階段（可選擇粗略計(jì)算，中等計(jì)算，精確計(jì)算或用戶(hù)自定）和輸出階段（顯示滑坡面并記錄結(jié)果）。另外，工程中創(chuàng)建的所有模型及模擬結(jié)果都可以保存，工程文件可以方便的重建，其結(jié)果也可以快速輸出。

由于FLAC的計(jì)算結(jié)果主要為巖體的變形破壞情況，所以該模擬結(jié)果更側(cè)重于對(duì)巖土體破壞機(jī)理的分析，為了能夠直觀的反映邊坡是否破壞的指標(biāo)穩(wěn)定系數(shù)，從而在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入了強(qiáng)度折減法來(lái)融合了這2方面的優(yōu)點(diǎn)。上述將強(qiáng)度指標(biāo)的儲(chǔ)備作為安全系數(shù)定義的方法是被工程界廣泛承認(rèn)的一種做法。在分析邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，大多采用安全系數(shù)來(lái)衡量滑坡體的穩(wěn)定性，并根據(jù)安全系數(shù)采取相應(yīng)的邊坡治理措施，如削坡減載、各種擋土墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等。

3 端幫邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 地質(zhì)概況

通過(guò)地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的含水地層為寒武系、奧陶系的石灰?guī)r地層，但是在礦區(qū)的煤田內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)，所以基本不存在大量涌水的問(wèn)題，礦區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件整體上屬于簡(jiǎn)單型。礦區(qū)內(nèi)所有地層中可能會(huì)受到水影響的地層為表面的第四系黃土層以及上新統(tǒng)地層，水源為大氣降水。

煤系地層內(nèi)只有4#～9#號(hào)煤層之間部分砂巖層為含水層，而且含水層的厚度和范圍均較小。煤層的頂?shù)装鍨闈B透性差的泥巖層和砂質(zhì)泥巖層，隔水性能好，使得其它巖層幾乎處于無(wú)水狀態(tài)，僅在裂隙中少量含水。

第四系土層中，主要為黃土層，此種土壤對(duì)工程建設(shè)極為不利，在正常壓力下遇水則會(huì)產(chǎn)生較大的變形，強(qiáng)度急劇降低。第三系上新統(tǒng)為棕－深紅色黏土和亞黏土互層，此層厚度不大，在礦區(qū)內(nèi)零星分布，是遇水極易產(chǎn)生變形和強(qiáng)度降低的軟弱層。

3.2 FLAC/SLOPE邊坡數(shù)值分析

由于上部?jī)傻貙拥牧W(xué)強(qiáng)度最差，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的過(guò)程中，通常都是最易發(fā)生滑坡失穩(wěn)的1層，所以在實(shí)際過(guò)程中設(shè)計(jì)端幫邊坡角度時(shí)，將表面的第四系黃土層邊坡角單獨(dú)設(shè)置為30°，同時(shí)為了避免黃土層在降雨時(shí)流向下部工作平盤(pán)，在上新統(tǒng)地層預(yù)留了寬度為30 m左右的保護(hù)臺(tái)階。所以從整體上來(lái)看，整個(gè)端幫構(gòu)成了一個(gè)組合臺(tái)階。

在模擬分析過(guò)程中，對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)、模型高度均不進(jìn)行改變，唯一研究對(duì)象為邊坡角度。模型的約束條件為底部在x、y方向全約束，右側(cè)設(shè)置為x方向約束，模擬采用Morl－Columb屈服準(zhǔn)則。模型內(nèi)的巖層由上至下依次為第四系黃土層、第三系上新統(tǒng)、二疊系石盒子組、二疊系山西組、1＃煤層、夾層、2＃煤層、夾層、3＃煤層以及底部砂巖。

模型分析時(shí)，下部邊坡角的變化從35°開(kāi)始，一直到55°，其中部分角度的模擬結(jié)果如圖1。

圖1 不同邊坡角度下的端幫位移矢量圖

圖1（a）～圖1（h）僅是選取了模型驗(yàn)算結(jié)果中的幾幅圖形，由端幫位移矢量結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)邊坡角增大后，出現(xiàn)位移的單元塊體持續(xù)增加，位移矢量越來(lái)越密集，最大剪應(yīng)變迅速增大，而且剪切破壞區(qū)域隨著邊坡角度的增加逐漸形成貫通區(qū)域，穩(wěn)定系數(shù)則迅速下降，邊坡失穩(wěn)的概率進(jìn)一步增加。

不同邊坡角端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖2。根據(jù)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果以及邊坡的位移矢量云圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅對(duì)端幫模型的坡面角進(jìn)行調(diào)整時(shí)，端幫邊坡角的增加會(huì)使邊坡的穩(wěn)定性變差。當(dāng)邊坡角度達(dá)到46°時(shí)，邊坡安全系數(shù)首次出現(xiàn)了小于1的狀態(tài)，所以邊坡角度達(dá)到46°時(shí)的端幫可能會(huì)立即發(fā)生滑坡失穩(wěn)，因此確定哈爾烏素露天煤礦端幫臨界設(shè)計(jì)角度為46°。當(dāng)端幫邊坡角度超過(guò)47°后，安全系數(shù)的下降趨勢(shì)開(kāi)始變得急劇，平均每增加1°，安全系數(shù)下降0.05～0.07。但是根據(jù)云圖的分布可以觀察到滑坡的范圍隨著邊坡角度的增加有了減小的趨勢(shì)。

圖2 不同邊坡角端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié)論

通過(guò)使用FLAC／SLOPE軟件對(duì)哈爾烏素露天煤礦南端幫進(jìn)行了靠幫過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性分析，建立了不同角度的端幫邊坡模型，使用強(qiáng)度折減法詳細(xì)地研究了邊坡角從35°～55°每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的安全狀態(tài)以及安全系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在靠幫的過(guò)程中，端幫邊坡角越大，邊坡巖體的位移量越大，剪切破壞區(qū)域逐漸形成了貫通區(qū)域，穩(wěn)定系數(shù)則迅速下降，邊坡失穩(wěn)的概率進(jìn)一步增加。當(dāng)邊坡角度達(dá)到46°時(shí)，已經(jīng)不再允許繼續(xù)靠幫開(kāi)采。