于遠祥　秦光　陳盼

摘 要：燒變巖裂隙發(fā)育、富水性強，嚴重威脅露天礦山采剝安全生產(chǎn)及其邊坡穩(wěn)定。為確定露天礦燒變巖高邊坡隔水煤巖柱寬度，以新疆昌吉某露天礦北幫燒變巖高邊坡為研究對象，通過構建坡體開挖卸荷的駝峰分布力學模型，將坡體卸荷松弛區(qū)域劃分為拉裂區(qū)和壓剪區(qū)兩部分，分析了邊坡后緣拉裂區(qū)裂隙的最大擴展深度；以卸荷松弛帶寬度表征塑性剪切滑動面位置，推導了彈塑性條件下邊坡淺表部破碎帶與卸荷松弛帶寬度的理論計算公式，進而確定了塑性滑動面位置及形態(tài)。結果表明：邊坡后緣裂隙臨界擴展深度隨邊坡傾角的增大而增大；卸荷松弛帶寬度隨巖石強度參數(shù)的增大而減小，隨巖層埋深的增大而增大；北幫邊坡后緣裂隙臨界擴展深度為9.42 m，火燒區(qū)水位線處卸荷松弛帶寬度為6.94 m；坡體潛在滑面安全系數(shù)均大于設計評價標準值；確定了北幫燒變巖高邊坡的隔水煤巖柱留設安全寬度為36 m，為該礦的安全高效生產(chǎn)提供了技術保障。

關鍵詞：露天礦；燒變巖；開挖卸荷；邊坡穩(wěn)定性；隔水煤巖柱

中圖分類號：TD 824文獻標志碼：A 文章編號：1672-9315（2023）05-0941-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0511

Study on unloading mechanism and stability of high rock slope in burnt rock open－pit mine

YU Yuanxiang1，QIN Guang1，CHEN Pan1，2

（1.College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.CCTEG Xian Research Institute（Group）Co.，Ltd.，Xian 710054，China）

Abstract：The development of fissures? in water－rich burnt rock pose a serious threat to the safe production and slope stability of open－pit mines.In order to determine the width of the water resistant coal rock column on the high slope of the burnt rock in open－pit mines，the northern slope of a certain open－pit mine in Changji，Xinjiang was taken as a research object.By constructing a? mechanical model of a hump distribution for excavation and unloading of the slope，the unloading and relaxation area of the slope was divided into two parts：the tensile crack zone and the compressive shear zone.The maximum depth of crack propagation in the tensile crack zone at the rear edge of the slope was analyzed.And width of the unloading relaxation zone was used to characterize the position of the plastic shear sliding surface，with a theoretical calculation formula for the width of the shallow surface fracture zone and unloading relaxation zone of the slope under elastic－plastic conditions derived.And the position and shape of the plastic sliding surface are determined.The results indicate that the critical depth of crack propagation at the rear edge of the slope increases with the increase of slope inclination angle.The width of the unloading relaxation zone decreases with the increase of rock strength parameters and increases with the increase of rock burial depth.The critical depth of crack propagation at the rear edge of the northern slope is 9.42 m，and the width of the unloading relaxation zone at the water level line in the burning area is 6.94 m.The safety factors of the potential sliding surface of the slope are all greater than the design evaluation standard values.The safe width of the waterproof coal rock pillar on the high slope of the northern burnt rock has been determined to be 36 m.The research could provide technical support for the safe and efficient production of the mine.

Key words：open－pit mine；burnt rock；excavation unloading；slope stability；waterproof coal－rock pillars

0 引 言

燒變巖廣泛分布于中國西北部地區(qū)。燒變巖裂隙、孔洞發(fā)育，具有良好的導水性，火燒區(qū)往往會形成一個儲量豐富的地下含水體，給煤炭資源開采與環(huán)境保護帶來挑戰(zhàn)[1]。露天礦邊坡開挖會引起坡體應力急劇變化，表部巖體應力釋放向臨空面產(chǎn)生回彈，巖體松弛卸荷后產(chǎn)生大量次生裂隙，使卸荷松弛范圍內(nèi)煤巖柱隔水性顯著減弱，隨著端幫的剝離推進，燒變巖水沿裂隙、結構面等導水通道從坡體滲出，極易導致邊坡大面積涌水及局部失穩(wěn)事故的發(fā)生，嚴重威脅露天礦安全高效生產(chǎn)。因此，確立合理的邊坡開挖卸荷范圍成為火燒區(qū)露天礦安全開采的關鍵技術問題。長期以來，人們對邊坡卸荷帶形成機理進行了深入研究：陳滔等分析了強烈松弛巖質(zhì)邊坡的變形特征，認為邊坡的裂隙是開挖擾動過程中強烈松弛巖體進一步松弛的結果[2]；黃潤秋分析了巖質(zhì)高邊坡卸荷帶形成機理，提出了邊坡二次應力的“駝峰分布”模型[3]；陳洪凱等建立了均質(zhì)巖質(zhì)邊坡力學模型，運用量綱分析法推導了均質(zhì)巖質(zhì)邊坡開挖卸荷帶寬度計算公式，分析了坡高與坡角等參數(shù)對卸荷帶寬度的影響[4]；ZHAN、LIN等研究了高陡巖質(zhì)邊坡開挖卸荷過程中結構面對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，認為靠近坡面的斷層對邊坡穩(wěn)定性影響較為顯著[5-6]；董建華等分析了含深卸荷帶拱壩壩肩巖體變形及穩(wěn)定性，認為軟弱結構面和深卸荷巖體位置對巖體變形特性及其工作形態(tài)有顯著影響[7]；郭夏飛以燒變巖露天礦邊坡為研究對象，分析了不同條件下邊坡地下水滲透規(guī)律及邊坡變形破壞模式，確定了露天礦邊坡隔水煤巖柱最佳尺寸[8]；李偉分析了爆破震動和地下水耦合作用下燒變巖露天礦邊坡失穩(wěn)機理，提出了合理留設邊坡隔水煤巖柱安全尺寸的方法，為燒變巖露天礦開采提供安全保障[9]。

上述研究成果對露天礦邊坡穩(wěn)定性控制及燒變巖隔水煤巖柱的留設具有重要的指導意義，但大都基于定性分析或數(shù)值模擬方法研究坡體的卸荷機理，缺乏對火燒區(qū)露天礦巖質(zhì)高邊坡卸荷帶寬度的定量計算。以新疆昌吉某露天礦北幫巖質(zhì)高邊坡為研究對象，將坡體變形破壞區(qū)域劃分為拉裂區(qū)和壓剪區(qū)，分析了拉裂區(qū)后緣張拉裂隙臨界擴展深度。通過構建坡體開挖后壓剪區(qū)巖層的駝峰應力分布模型，基于土力學和彈塑性力學理論，建立了坡體壓剪區(qū)巖層卸荷松弛帶及其表面破碎帶寬度的理論計算公式，確定了合理的北幫巖質(zhì)邊坡隔水煤巖柱寬度，并提出了針對性的坡體防護措施。

1 工程概況

新疆昌吉某露天煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，地處準噶爾盆地東北部。礦區(qū)北部存在局部火燒區(qū)，煤層自燃導致相鄰巖層受到烘烤，巖石內(nèi)部有機質(zhì)氧化、燒失塌陷形成堅硬、破碎的燒變巖，如圖1所示。隨著端幫的剝離推進，火燒區(qū)中賦存的地下水以裂隙狀散流方式從坡體滲出，導致邊坡出現(xiàn)大面積涌水，并使煤層頂板底板巖層處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，對邊坡穩(wěn)定性構成威脅，阻礙礦區(qū)安全生產(chǎn)。因此，必須確定北幫邊坡卸荷松弛帶寬度，為合理留設隔水煤巖柱寬度提供依據(jù)，保證礦區(qū)安全高效生產(chǎn)。

礦區(qū)地層主要由沉積碎屑巖類組成，巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖及燒變巖，主要可采煤層為B5、B3、B2煤層，邊坡沿最下部煤層B2煤底板直接剝離留設邊坡角?；馃齾^(qū)地下水位埋深35 m左右，現(xiàn)已探明火燒區(qū)邊界如圖2所示，已知北幫邊坡設計整體角度為32°，平均高度120 m，每段臺階高度15 m，臺階坡面角為60°。

2 巖質(zhì)高邊坡變形破壞力學模型

為便于計算假設：①后緣裂縫直立，其走向與坡面和平面剪切滑動面一致；②邊坡塑性剪切滑動面為坡體卸荷所產(chǎn)生的松弛區(qū)邊界；③平面剪切滑動面與后緣裂隙最深處相交。

滑移-拉裂-剪切“三段式”破壞是巖質(zhì)高邊坡的典型破壞形式[10-13]。變形破壞特征為下部沿近水平蠕滑、后緣拉裂、中部剪切，是一種受坡腳近水平結構面控制的經(jīng)典邊坡變形破壞模式，如圖3所示。

此類邊坡的變形破壞過程分為3個階段：①邊坡開挖使坡腳緩傾結構面產(chǎn)生回彈錯動性質(zhì)的表生改造，坡頂附近巖土體在重力的作用下形成拉裂區(qū)，產(chǎn)生后緣張拉裂縫；②開挖完成一段時間后，在長期自重應力的作用下，后緣張拉裂隙的進一步擴展，從而形成前緣的蠕滑段和后緣的拉裂段，以及中部完整巖體構成的壓剪區(qū)；③隨著后緣張拉裂隙深度不斷增加，壓剪區(qū)所承受自重應力不斷累積，淺表部發(fā)生松弛卸荷現(xiàn)象。

3 巖質(zhì)高邊坡開挖卸荷效應

對于露天礦巖質(zhì)高邊坡，由于坡體的開挖卸荷，距坡面一定范圍內(nèi)巖體發(fā)生應力重分布。與地下硐室圍巖二次應力分布類似，邊坡二次應力場也包括應力降低區(qū)（σ＜σ0）、應力增高區(qū)（σ＞σ0）和原巖應力區(qū)（σ=σ0），這種類似應力分布被稱為“駝峰應力分布”，如圖4所示。

3.1 邊坡開挖爆破擾動損傷效應

鉆爆法作為破巖的主要手段被廣泛應用于露天礦邊坡開挖。在爆破過程中，不可避免的會對坡體非開挖巖體造成一定程度的擾動損傷，對高邊坡的穩(wěn)定將產(chǎn)生十分不利的影響[15]。因此，研究爆破擾動條件下巖體力學參數(shù)弱化對露天礦高邊坡卸荷帶寬度及其穩(wěn)定性的影響具有十分重要的意義。Hoek－Brown強度破壞準則通過引入擾動損傷因子D來表征爆破損傷和應力松弛對巖體力學性能的影響[16-18]；姜光成等根據(jù)改進的GSI量化和Hoek－Brown準則來估算巖體的力學參數(shù)[19]；

張卉等以巖體波速表征擾動損傷因子D的變化規(guī)律，討論了爆破損傷對邊坡穩(wěn)定性的影響[20]；卓莉等基于Hoek－Brown強度破壞準則推導了考慮地質(zhì)強度指標GSI及擾動損傷因子D的巖體等效內(nèi)摩擦角與等效黏聚力，其大小分別為[21]

4 露天礦高邊坡卸荷關鍵因素

為驗證上述露天礦開挖卸荷理論公式的合理性，取巖體切向剛度系數(shù)Ks=0.144 GPa/m，彈性模量E=3.2 GPa，彈塑性界面上的側壓力系數(shù)

λ=0.8，應力集中系數(shù)k=2，巖層厚度hi=15 m，上覆巖體平均重度γ=26 kN/m3。下面分別討論巖體強度參數(shù)、巖層埋深、邊坡傾角等關鍵因素對開挖卸荷的影響。

4.1 巖層界面黏聚力與摩擦角對坡體卸荷的影響

爆破施工擾動會引起邊坡巖體強度參數(shù)性能的劣化，對邊坡穩(wěn)定性具有不利影響。為研究黏聚力與摩擦角對坡體卸荷范圍的影響，取巖層埋深Hi=35 m。將上述參數(shù)分別代入式（17）、式（20）中，整理得不同強度參數(shù)對卸荷范圍的影響變化規(guī)律，如圖9所示。

從圖9可以看出，開挖卸荷范圍內(nèi)破碎帶寬度Lb與卸荷松弛帶寬度x0都隨黏聚力與摩擦角的增大而減小，與實際情況相吻合。且隨黏聚力的增大，摩擦角對破碎帶寬度Lb與卸荷松弛帶寬度x0的影響程度逐漸減小。

4.2 巖層埋深對坡體卸荷的影響

為研究巖層埋深處對卸荷范圍的影響，將上述參數(shù)分別代入式（17）、式（20）中，整理得巖層埋深對卸荷范圍的影響變化規(guī)律，如圖10所示。

從圖10可以看出，開挖卸荷范圍內(nèi)破碎帶寬度Lb與卸荷松弛帶寬度x0都隨巖層埋深Hi的增大而逐漸增大，隨強度參數(shù)的增大而減小。

4.3 邊坡傾角對后緣裂隙擴展的影響

為研究邊坡傾角對后緣裂隙臨界深度的影響，取拉裂縫距坡肩的距離b=12 m，平面剪切滑動面上的有效內(nèi)摩擦角φej=25°，將上述參數(shù)代入式（31）中，可得邊坡傾角對后緣裂隙臨界深度的影響變化規(guī)律，如圖11所示。

從圖11可以看出，后緣裂隙臨界深度隨坡面傾角與邊坡高度的增大而增大，且隨著高度的增加坡面傾角對后緣裂隙臨界深度的影響程度隨之增加。

5 北幫邊坡穩(wěn)定性評價及防護措施

露天煤礦北幫邊坡沿最下部煤層B2煤底板直接剝離留設邊坡角，煤層傾角近水平，底板多為炭質(zhì)泥巖、泥巖。在煤層底板與泥巖交界處，受邊坡體應力條件變化及水活化作用影響，容易產(chǎn)生滑動。根據(jù)現(xiàn)場勘探，隨著端幫的剝離推進，邊坡后緣發(fā)育形成一條長38.5 m、深約18 m，距坡肩水平距離12 m的近似垂直裂縫，根據(jù)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價分析方法進行整體破壞分析，確定邊坡滑動面的位置，并求解不同情況下邊坡潛在滑動面穩(wěn)定系數(shù)。結合礦區(qū)以往地質(zhì)資料開展了巖體單軸壓縮和抗剪等力學試驗，獲得了邊坡巖體的相關參數(shù)，見表1。

5.1 后緣裂隙深度與塑性滑動面位置確定

由式（34）計算可知，后緣裂隙臨界擴展深度為9.42 m，表明現(xiàn)場觀測得到的后緣裂隙深度已遠超臨界擴展深度，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

以火燒區(qū)水位線埋深35 m處為例計算邊坡卸荷松弛帶寬度，由此得同理可得，壓剪區(qū)不同埋深處巖層破碎帶與卸荷松弛帶寬度，結果見表2。將不同埋深處卸荷松弛帶邊界連接，就可確定出邊坡開挖后的塑性滑動面位置及形態(tài)。

5.2 隔水煤巖柱寬度的確定

由《煤礦防治水細則》可知，應根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件、圍巖物理力學性質(zhì)及開采方法等因素確定相應的隔水煤巖柱尺寸，且不得小于20 m。結合水文地質(zhì)綜合勘探成果，隔水煤巖柱留設寬度

針對北幫采用逐級放坡的形式，水位線附近留設隔水煤巖柱最小安全寬度25 m。由式（34）計算可知，水位線位于壓剪區(qū)，取穩(wěn)定系數(shù)

火燒區(qū)水位線處留設隔水煤巖柱PQ=36 m。

基于上述計算過程，可以確定水位線以下各巖層的隔水煤巖柱合理寬度，最終形成如圖12所示的PQRS隔水區(qū)域。

5.3 潛在滑動面安全系數(shù)的計算

已知北幫邊坡整體角度為32°，平均高度120 m，每段臺階高度15 m，臺階坡面角為60°。根據(jù)多級巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價分析進行整體破壞分析，平面剪切滑動面與水平面夾角β1=29°，長度l1=208 m，由平面剪切滑動面及后緣裂隙構成的潛在滑體面積S1=2 785 m2；塑性剪切滑動面與水平面夾角β2=31°，長度l2=145 m，由塑性剪切滑動面及后緣裂隙構成的潛在滑體面積S2=2 274 m2。因此，由平面剪切滑動面及后緣裂隙構成的潛在滑體單位寬度的重量為

由此可知平面剪切滑動面與塑性滑動面的穩(wěn)定系數(shù)均大于設計評價標準值1.17，滿足北幫邊坡安全儲備系數(shù)的要求。

5.4 北幫邊坡安全防護措施及效果

露天礦邊坡不同于公路、鐵路及水電等邊坡，露天礦邊坡加固工程不僅要滿足穩(wěn)定性要求，還需確定合理邊坡角以確保獲得最大經(jīng)濟效應。因此，根據(jù)北幫邊坡的卸荷效應及穩(wěn)定性分析研究成果，結合礦山地質(zhì)資料做以下邊坡防護措施。

1）對裂隙發(fā)育、透水性強的壓剪區(qū)卸荷松弛帶范圍內(nèi)巖體進行注漿加固，使?jié){液充填裂隙后發(fā)揮隔水作用，最終形成圖12所示的近似梯形PQRS隔水區(qū)域。

2）在坡體拉裂區(qū)，沿水平方向布置預應力注漿錨桿，提高拉裂區(qū)的穩(wěn)定性。

3）采取截、導、疏、排等綜合防治水措施，在坡體地表修筑排水溝，將地面水盡可能攔截在上部，避免其流入采場。

4）優(yōu)化爆破施工技術，減小采剝過程中爆破對邊幫造成的損傷。

5）加強邊坡位移、爆破振動及地下水動態(tài)檢測，為邊坡防控及礦區(qū)安全生產(chǎn)提供保障。

以上措施提高了北幫邊坡的整體穩(wěn)定性及隔水效果，經(jīng)后期現(xiàn)場觀測，邊坡未出現(xiàn)大面積冒水及滑坡等事故的發(fā)生，且注漿范圍內(nèi)坡體表面未發(fā)生較大范圍明顯變形，滿足安全生產(chǎn)要求。

6 結 論

1）按照不同的損傷破壞機理將邊坡卸荷松弛區(qū)域劃分為兩部分，一部分為邊坡后緣張拉裂隙在開挖卸荷作用下擴展貫通所形成的拉裂區(qū)，另一部分為邊坡卸荷回彈時豎直壓力與剪應力共同作用下的壓剪區(qū)。

2）露天礦巖質(zhì)高邊坡開挖后，坡體二次應力呈駝峰分布。推導出彈塑性條件下邊坡巖體破碎帶與卸荷松弛帶寬度的理論計算公式，其結果大小均與黏聚力、內(nèi)摩擦角呈負增長關系，與巖層埋深Hi呈正增長關系。

3）通過計算確定了以新疆昌吉某燒變巖北幫隔水煤巖柱安全尺寸，對火燒區(qū)水位線附近煤巖柱留設36 m；得出邊坡平面剪切滑動面與塑性滑動面的穩(wěn)定系數(shù)均大于設

計評價標準值1.17，滿足安全儲備系數(shù)的要求，并給出了北幫邊坡防護措施的建議。

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（責任編輯：劉潔）

收稿日期：2023-04-15

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2014JM2-5052）

通信作者：于遠祥，男，重慶梁平人，博士，副教授，E－mail：1374400919@qq.com