陸衛(wèi)國

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖二礦，新疆哈密 839000）

研究露天煤礦邊坡變形破壞機(jī)理對減少滑坡事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1－2]，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。張艷博等[3]采用MSARMA法對邊坡穩(wěn)態(tài)影響因子敏感性進(jìn)行分析，得到了影響邊坡穩(wěn)定的誘發(fā)因素和環(huán)境因素；曹蘭柱等[4－5]從控制邊坡穩(wěn)定性角度出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬提出了解決邊幫壓煤問題的開采方法，同時基于強(qiáng)度折減原理，利用FLAC3D模擬分析出斷層變化下邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，闡明了邊坡變形破壞機(jī)理；王東等[6－7]通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以及滑坡變形反分析，利用極限平衡法和數(shù)值模擬方法得到了不同壓幫高度條件下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。近年來，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件在邊坡變形破壞分析、邊坡參數(shù)優(yōu)化和邊坡穩(wěn)定性分析等方面得到了廣泛的應(yīng)用[8－9]，為此，在這些研究基礎(chǔ)上通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，選取大南湖礦非工作（東北）幫邊坡、東幫和南幫的各1個剖面，分別建立計算模型，在此基礎(chǔ)上分析邊坡巖土體位移、變形和應(yīng)力情況。

1 工程概況

大南湖礦區(qū)西區(qū)位于國家大型煤炭基地新疆基地吐哈區(qū)東部，屬大陸溫帶極干旱氣候區(qū)，全年降水量不足50 mm，地層分布自下而上依次為：下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）、中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）、古近系、新近系、第四系。礦田構(gòu)造基本由1組北東向和近南北向的褶曲組成，伴有少量斷層，未見巖漿巖影響。2019 年底大南湖二礦已降深至+335 m水平，露天礦平均垂深120 m，目前采場東北幫已形成12 個到界臺階、東幫已形成8 個到界臺階、南幫已形成4 個到界臺階，個別到界臺階形成時間已超過3 年，且目前距采場東北幫開采境界約50 m 處為高度約100 m 的陡坡、距東幫地表境界約250 m 處為設(shè)計排棄高度60 m 的外排土場、距采場南部邊界約200 m 處為儲量約5 000 萬的燒變巖賦水區(qū)域，這些自然條件均對邊坡穩(wěn)定不利。隨著開采深度、時間、產(chǎn)量規(guī)模的不斷增加，邊坡穩(wěn)定性問題愈發(fā)突出，邊坡穩(wěn)定與否將直接影響露天礦生產(chǎn)的連續(xù)性，人員、設(shè)備與周邊設(shè)施安全。

2 露天礦邊坡破壞模式與特征

2.1 邊坡變形破壞模式

露天礦坑周圍邊坡在剝離開采過程中會產(chǎn)生變形破壞，按其發(fā)生形態(tài)可分為剝落、崩落、滑動、沉降、流動等幾種基本形態(tài)。

1）剝落破壞模式。是指臺階頂面附近存留的破碎，穩(wěn)定性低的泥土和巖石，在風(fēng)化、爆破作用和運(yùn)輸機(jī)械等振動作用下，這些破碎泥巖土破壞失穩(wěn)并沿坡面滾落堆積在坡底附近。露天礦邊坡破壞經(jīng)常出現(xiàn)這種現(xiàn)象，尤其是在巖石強(qiáng)度比較低的礦山中更為常見。

2）崩落破壞模式。是指邊坡上存在的各種形狀的土體、巖塊，當(dāng)這些物質(zhì)向下移動、坍塌和翻滾，引起彼此之間的相對位移，由于巖體內(nèi)部存在一定傾角節(jié)理，層理等結(jié)構(gòu)面，形成崩落現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)展速度不一，大多數(shù)情況下比較突然。

3）滑動破壞模式。是指邊坡巖體和土體沿其內(nèi)部某一固定面、帶或沿其基地面進(jìn)行整體移動。一般來說，滑動破壞模式周期時間不一，短則幾十分鐘，長則幾個月甚至幾年時間?；瑒映跗趲r體變化速度慢，直至解體至完全崩落?；瑒悠茐哪Ｊ奖憩F(xiàn)形式有平面滑動、楔體滑面、圓弧形滑面等，一般來說，露天礦邊坡破壞形態(tài)由幾種不同類型形態(tài)組合形成。

4）沉降破壞模式。是指邊坡上原有松散土巖結(jié)構(gòu)在其自重或者設(shè)備機(jī)械產(chǎn)生的壓力及重力作用下產(chǎn)生的豎直方向的下沉變形破壞，沉降變形一般常出現(xiàn)于排土場邊坡結(jié)構(gòu)中。

5）流動破壞模式。是指飽水的松軟土巖以4°～6°甚至更緩的坡角沿臺階表面、基巖面或地面溝谷呈流動移動，流動多發(fā)生在排土場。

2.2 邊坡破壞的表現(xiàn)特征

1）邊坡產(chǎn)生滑體現(xiàn)象，前端隆起突出，受上部滑體部分的擠壓使得較軟弱夾層產(chǎn)生流變性，滑體前端呈現(xiàn)波浪狀凸出部分，隨著凸出部分高度的增加，自凸出脊梁處開始產(chǎn)生破壞并逐漸增大，以致破壞區(qū)域向四周延展，突破鋪著黃土的阻抗，整個滑面（帶）被貫通，“空洞化”迅速形成，填完后物體，形成整體的滑坡。

2）根據(jù)滑體內(nèi)部位移向量的變化特征，可根據(jù)其特征，從上到下將其分為3 個不同的區(qū)間：上部主動段、中部過渡段、前緣隆起期。

3）滑坡變化過程，根據(jù)其發(fā)育變化特征將其發(fā)育變化過程整體壓縮階段、裂隙生成階段、擠壓階段、滑移階段、劇滑階段和固結(jié)階段6 個不同的發(fā)育階段。

3 露天礦邊坡破壞數(shù)值計算結(jié)果

結(jié)合該礦實(shí)際情況和露天礦邊坡破壞模式與特征分析，有針對性的選取了非工作（東北）幫邊坡、東幫和南幫各1 個剖面，使用FLAC3D分別建立計算模型模擬分析邊坡巖土體位移、變形和應(yīng)力情況。

3.1 非工作幫（東北幫）邊坡破壞模式

非工作（東北）幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖1，非工作（東北）幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖2。

非工作（東北）幫的變形主要在原風(fēng)化形成的邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，沿巖土分界層發(fā)生滑動。在非工作幫邊坡開挖區(qū)域形成邊坡，沿坡面出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)未形成明顯的位移變形區(qū)域。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖（圖2（g））中在開挖區(qū)域形成速度變形區(qū)域，而總位移（圖2（a））及水平位移（圖2（b））中邊坡未見該區(qū)域的變形，通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形如（圖2（h）），開挖引起應(yīng)力釋放，形成位移變形，當(dāng)對邊坡變形影響較小。因此，非工作（東北）幫滑動危險區(qū)域?yàn)椋乇磉吰?，滑動模式為沿基底巖層滑動。

3.2 工作幫（東幫）邊坡破壞模式

東幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖3，東幫2019年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖4。

圖1 非工作（東北）幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖2 非工作（東北）幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

圖3 東幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖4 東幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

東幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，主要以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面。剪應(yīng)力在邊坡坡腳有出露趨勢，但未形成明顯的集中現(xiàn)象。在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖略中在形成大范圍的速度變形區(qū)域，而總位移（圖4（a））及水平位移（圖4（b））中僅在邊坡坡腳出現(xiàn)大變形；通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形圖略，與總位移和水平位移出現(xiàn)區(qū)域吻合，因此，東幫變形區(qū)域主要為開挖引起的位移變形；但邊坡速度云圖中，巖層出現(xiàn)變形區(qū)域大于位移變形區(qū)域。

3.3 工作幫（南幫）邊坡破壞模式分析

南幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖如圖5 與南幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖如圖6。

圖6 南幫現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬云圖

圖6 南幫2019 年底設(shè)計邊坡數(shù)值模擬云圖

南幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，主要以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形。而2019 年底設(shè)計開挖后，在速度云圖（圖6（f））和水平位移（圖6（b））中在形成大范圍的速度變形區(qū)域，而總位移（圖6（a））在邊坡坡腳開挖區(qū)域形成豎直向的位移變形；通過2019 年底設(shè)計邊坡位移減去現(xiàn)狀邊坡位移量后，在開挖區(qū)域出現(xiàn)采動引起的位移變形見（圖6（g））所示，與水平位移和速度云圖出現(xiàn)區(qū)域吻合。因此，南幫變形區(qū)域主要為開挖引起的位移變形。

4 結(jié)論

根據(jù)礦區(qū)2019 年對非工作（東北）幫、東幫和南幫邊坡數(shù)值模擬可知，礦區(qū)主要變形為剝離開采引起應(yīng)力釋放造成的位移變形，邊坡均為形成明顯的滑動模式。①非工作（東北）幫的變形主要在原始地表風(fēng)化形成的邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，非工作（東北）幫滑動模式為沿基底巖層滑動；②東幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面，現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形趨勢；③南幫的變形主要在剝離形成的巖石邊坡區(qū)域，以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現(xiàn)狀邊坡與2019 年設(shè)計邊坡中未形成整體滑動變形趨勢。