高明強(qiáng)

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 通遼 029100）

由于極限平衡法無(wú)法考慮邊坡的應(yīng)力應(yīng)變問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者將數(shù)值分析方法引入到邊坡工程領(lǐng)域[1-3]。隨著建模技術(shù)的逐步成熟，數(shù)值分析方法也廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，主要分為3 大類：有限元法、離散元法、有限差分法。有限元法最為常用的軟件為ANSYS、ABAQUS，離散元法最為常用的軟件為UDEC、PFC，有限差分法最為常用的軟件為FLAC[3-6]。曹蘭柱等[7]以元寶山露天礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，應(yīng)用FLAC3D軟件分析了基底形態(tài)、地下水等因素對(duì)邊坡失穩(wěn)變形的影響，揭示了邊坡的滑坡機(jī)理及滑坡模式；周偉等[8]以哈爾烏素露天煤礦北端幫邊坡為研究對(duì)象，分析了內(nèi)排壓幫對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出了內(nèi)排寬度及高度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的函數(shù)關(guān)系；宋子嶺等[9]以傾斜基底排土場(chǎng)為研究對(duì)象，分析了排土場(chǎng)的變形失穩(wěn)特征及滑坡機(jī)理。

上述研究對(duì)排土場(chǎng)變形及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了合理、有效工作，但對(duì)于在排土場(chǎng)影響范圍內(nèi)進(jìn)行開挖工程的研究較少，為此，以扎哈淖爾露天礦排土場(chǎng)、L115 機(jī)道溝邊坡為例，通過研究排土場(chǎng)變形范圍，確定開挖機(jī)道溝對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)概況及潛在滑坡模式

1.1 工程地質(zhì)概況

扎哈淖爾露天煤礦北排土場(chǎng)自2013 年排棄到界到2018 年7 月份排土場(chǎng)邊坡變形，發(fā)生沉降并向南北兩側(cè)滑移，排土場(chǎng)頂部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土場(chǎng)南邊坡坡角隆起嚴(yán)重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m，現(xiàn)階段排土場(chǎng)隆起范圍150～200 m 范圍，地表境界距離排土場(chǎng)280 m，而依據(jù)輪斗移設(shè)方案，L114 工作幫帶式輸送機(jī)與采場(chǎng)西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 帶式輸送機(jī)平行地表境界線布設(shè)，若L115 機(jī)道溝按地表境界開挖，隨著暴露時(shí)間的增加，排土場(chǎng)荷載和第四系潛水的綜合影響，將會(huì)影響輪斗系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2018 年輪斗114 工作幫帶式輸送機(jī)將推進(jìn)至地表境界拐點(diǎn)，輪斗連續(xù)系統(tǒng)2019 年需進(jìn)行移設(shè)技改。經(jīng)中煤科工沈陽(yáng)設(shè)計(jì)院論證，采用其編制的《扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)工程可行性研究報(bào)告》中方案三技改移設(shè)方案，即連續(xù)系統(tǒng)L114 工作幫帶式輸送機(jī)與采場(chǎng)西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 帶式輸送機(jī)平行地表境界線布設(shè)。

因L115 機(jī)道位置北幫為第四系含水沙層，長(zhǎng)期受北排土場(chǎng)荷載壓力影響，較易發(fā)生片幫等災(zāi)害事故，同時(shí)根據(jù)本次輪斗-帶式輸送機(jī)布置方案，輪斗-帶式輸送機(jī)布置主要是在地表布置或是在端幫第2 個(gè)臺(tái)階布置，機(jī)道溝開挖邊坡的穩(wěn)定性對(duì)于輪斗系統(tǒng)正常剝離至關(guān)重要。因此需要分析輪斗布置邊坡的穩(wěn)定性，確定合理的邊坡形態(tài)和邊坡角度。且此區(qū)域目前水文地質(zhì)、巖性參數(shù)尚不健全，此位置距離內(nèi)排較遠(yuǎn)，在內(nèi)排跟進(jìn)到界之前，上部平盤可暫時(shí)按不到界工作幫進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要與采礦境界保留一定安全距離。因此，為保障機(jī)道、帶式輸送機(jī)安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要確定合理的安全距離。

掌握邊坡工程地質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、分析和變形破壞前提和基礎(chǔ)[3-4]。確定排土場(chǎng)排棄物料及115 機(jī)道溝位置巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩(wěn)定性分析提供基115礎(chǔ)資料，排土場(chǎng)從上到下，各層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1，典型計(jì)算模型如圖1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 典型計(jì)算模型圖

1.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式

根據(jù)扎哈淖爾露天煤礦第四系、排土場(chǎng)現(xiàn)狀和泥巖基底巖性考慮，第四系砂層巖性以淺黃色細(xì)砂為主，含少量小礫石，同時(shí)地下水位埋深一般2～10 m，為孔隙潛水，根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)端幫第2個(gè)臺(tái)階開挖后出現(xiàn)涌水的情況，機(jī)道溝開挖后要考慮地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，判斷其潛在的滑坡模式為典型圓弧型滑動(dòng)。L115 機(jī)道溝和排土場(chǎng)邊坡潛在的滑坡模式如圖2。

圖2 L115 機(jī)道溝和排土場(chǎng)邊坡潛在的滑坡模式

2 邊坡潛在滑坡模式數(shù)值模擬分析

結(jié)合L115 機(jī)道溝、排土場(chǎng)潛在滑坡模式，考慮到排土場(chǎng)潛在變形區(qū)破壞位置確定的復(fù)雜性，擬用采用SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬的方法對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過有限元法應(yīng)力－應(yīng)變位移云圖來(lái)判斷變形區(qū)的發(fā)展過程進(jìn)而確定最危險(xiǎn)的變形破壞區(qū)[5-6]。

2.1 模型建立

根據(jù)機(jī)道設(shè)計(jì)位置選擇、排土場(chǎng)的排土現(xiàn)狀和基底形態(tài)等高線等地層信息建立的數(shù)值模擬模型如圖3，模型排土場(chǎng)高度為70 m、砂層厚度45 m，基底厚度46 m，南北長(zhǎng)為1 050 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系砂層和泥巖基底。

圖3 數(shù)值模擬模型

2.2 機(jī)道溝安全距離

L115 機(jī)道溝與排土場(chǎng)安全距離的確定對(duì)安全、高效開采有著極其重要的意義。如果L115 機(jī)道溝離排土場(chǎng)邊坡太近，可能給機(jī)道溝邊坡帶來(lái)安全隱患。反之，如果太遠(yuǎn)的話，將會(huì)影響剝離、煤炭采出計(jì)劃。通過SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬，通過分析L115 機(jī)道溝與排土場(chǎng)不同安全距離下的變形情況，確定合理的L115 機(jī)道溝邊坡形態(tài)和邊坡角，同時(shí)獲得不同工況下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理。不同安全距離下x方向變形云圖如圖4。

圖4 不同安全距離下x 方向變形云圖

受第四系、軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑為主。其安全距離為350 m時(shí)，排土場(chǎng)變形影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定，L115機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.5～1 m，排土場(chǎng)最大變形為4～4.5 m，同時(shí)L115 機(jī)道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區(qū)域明顯連通；安全距離為400 m 時(shí)，排土場(chǎng)變形也影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定，L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.5～1 m，排土場(chǎng)最大變形為3.5～4.0 m，同時(shí)L115 機(jī)道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區(qū)域未連通，說明安全距離增加，有利于控制L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量，L115 機(jī)道開挖位置限制排土場(chǎng)變形的增加；安全距離為450 m 時(shí)，排土場(chǎng)變形未影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定，L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.2～0.4 m，排土場(chǎng)最大變形為3.0～3.2 m，其變形量主要受自身開挖位置影響，與排土場(chǎng)變形無(wú)明顯關(guān)系；安全距離為500 m 時(shí)，排土場(chǎng)變形未影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定，L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.2～0.4 m，排土場(chǎng)最大變形為2.0～2.2 m，其變形量主要受自身開挖位置影響，與排土場(chǎng)變形無(wú)明顯關(guān)系，排土場(chǎng)變形明顯減少。

通過模擬計(jì)算，當(dāng)L115 開挖位置與排土場(chǎng)距離為350、400、450、500 m 時(shí)，L115 開挖位置與排土場(chǎng)在不同安全距離的變形量為0.5～1 m、0.5～1 m、0.2～0.4 m、0.2～0.4 m，當(dāng)L115 開挖位置與排土場(chǎng)安全距離450 m 時(shí)，排土場(chǎng)沉降、滑移的變形量未影響到其開挖位置的邊坡變形情況，據(jù)此確定L115 機(jī)道溝開挖位置與排土場(chǎng)安全距離450 m，與采場(chǎng)地表境界150 m 為最佳。

2.3 定L115 機(jī)道溝邊坡穩(wěn)定性

L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖如圖5。

圖5 L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

前面分析可知，L115 開挖位置與排土場(chǎng)安全距離450 m，確定安全距離后，由于開挖位置主要由第四系細(xì)砂構(gòu)成，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定開挖后變形形態(tài)及邊坡角度，通過SIGMA/W 有限元軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)臺(tái)階坡面角為50°，臺(tái)階高度為12 m，平盤寬度為50 m，L115 機(jī)道溝開挖位置邊坡角17°時(shí)，通過計(jì)算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.224，處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2要求，滑坡模式為圓弧形型滑動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過有限元法應(yīng)力－應(yīng)變計(jì)算可知，隨著L115機(jī)道溝開挖位置與排土場(chǎng)安全距離增加，排土場(chǎng)變形量和開挖位置變形明顯減少。

2）通過有限元法應(yīng)力－應(yīng)變模擬可知，確定L115機(jī)道溝開挖位置與排土場(chǎng)安全距離450 m，與采場(chǎng)地表境界距離為150 m。

3）通過有限元法極限平衡計(jì)算可知，確定L115機(jī)道溝開挖位置邊坡形態(tài)，邊坡角為17°時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2 要求，滑坡模式典型圓弧型滑動(dòng)。