杨志勇，佟德君

（1.新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

当前煤炭资源需求增速放缓、安全环保压力增大，迫使煤炭企业向高效、安全、环保、智能化方向发展[1]。安家岭露天矿随着露天矿采剥工程的开展，露天矿坑不断向东推进，在推进过程中北帮边坡处于断层、陷落柱等不良地质条件发育地带。该区域地质情况复杂，边坡稳定性受地质条件影响存在重要的安全隐患，且在该影响区域内的具有重要的设备维修车间，形成复合边坡，对露天矿山的安全等级要求进一步提高。由于断层、陷落柱较发育的边坡体在构造带形成过程中受地质运动的影响，破坏了原岩边坡的自然平衡状态，岩石整体呈现破碎状态[2]，边坡体自身的稳定性较差，同时由于断层等不良地质条件的影响，部分区域的岩层倾角可能急剧增大，随着采矿活动的开展，矿坑的不断向东推进，不稳定区域将逐渐被揭露出来，并形成露天矿的工作帮，边坡存在重大的安全隐患，因此需要对该复杂地质条件下的边坡稳定性进行科学、系统地研究。

1 研究现状

国内外露天矿具有断层发育的矿山较多，如抚顺矿务局西露天矿、云南小龙潭露天矿、鞍钢集团弓长岭露天矿等，但是类似安家岭露天矿边坡断层发育如此之密、延伸如此之长且区域内有较大陷落柱的露天矿比较少见，可供借鉴的研究成果有限。针对露天矿边坡复杂地质条件的研究，自20 世纪80 年代后期开始，煤科集团沈阳研究院有限公司露天分院针对复杂地质条件的问题已经做了一定的研究工作，例如王建国、陈天敏开展了“复杂结构边坡破坏的多元强度反算方法”的研究，王振伟、王建国、于永江开展了“露井联采条件下黄土基底排土场演化规律研究”研究工作等，但是复杂地质条件下边坡的运动机理是什么？边坡变形破坏规律如何？如何预测预报灾害的发生？如何寻找合理的开采方案，并采取相应灾害的防治措施等问题尚处在研究阶段。而在探讨复杂地质条件影响下地质体运动现象的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减、终止等过程及评估、评价、监测、预测、预报、治理等系统理论问题的基础上，为采矿工程提供安全措施和优化方案已经成为该类难题的一大研究趋势[3]。

2 露天矿边坡工程的特点

1）边坡具有复杂性。边坡工程作为露天矿采剥工程系统的一个重要组成，其稳定性受地质条件、岩性、成岩因素以及生产过程中人为干扰等因素的影响，这些影响因素具有复杂性、模糊性[4]，而且各相关因素之间相互耦合，因此需要从系统工程的角度进行全面的研究分析，才能使边坡整体性能达到最佳水平。

2）边坡的动态特性。露天矿边坡随煤矿开采的过程不断处于动态变化中，边坡体受外部气候、环境、爆破、运输等其他扰动影响进行物质、能量的交换，也就是说边坡系统具有动态特性。随着矿山生产工作面的推进，工程地质条件的揭露，边坡体的物质组成、岩性强度、几何特征及影响边坡稳定性的各种因素是逐渐变化的，相应的边坡稳定性也是动态变化的。因此，在进行稳定性评价时，要结合露天矿的生产情况进行动态综合评价。

3）边坡研究原则。露天矿边坡稳定状况是露天煤矿安全生产运营的基础，边坡工程作为矿山生产安全的保障，不能忽视。而边坡系统的复杂性、动态特性、模糊性及岩性参数的不确定性，决定了边坡研究要坚持“动态评价，动态设计，定性分析与定量评价相统一”的原则。在露天煤矿边坡稳定性评价方面，将多研究方法、多角度进行综合分析处理，建立边坡工程综合评价理论方法体系是边坡稳定性分析与评价的一个必然发展方向。

3 安家岭露天矿北帮边坡问题

2012 年10 月安家岭露天矿边坡局部范围内主运输干道发生垮塌、1375 和1360 工作平盘运输干道及坡面出现裂缝、裂缝存在继续扩大的趋势，且裂缝西侧的1360 运输干道相对于东侧已明显下沉，局部区域裂缝已贯通，通过对变形区已揭露边坡体的现场勘查发现，该区域边坡体岩性破碎严重，1360工作平盘至1375 工作平盘间坡体片帮区域为风化泥岩，呈松散状，强度非常低，且由于该区域单台阶坡面角较大，因此发生了局部片帮现象。

通过地质写实、现场踏勘，结合该区域以往的地质勘查资料，确认该区域破碎带受芦子沟背斜控制。随着露天矿矿坑由西向东推进，露天矿边坡受断层及陷落柱的影响将会更加剧烈。

按照年度采矿设计，随采剥工程的进行，该区域内断层被不断揭露。断层将成为控制该区域边坡稳定的主要因素，由于断层构造控制带影响区域内岩体较为破碎、岩体强度较弱，如果按照原年度采矿计划进行生产，该区域边坡的稳定系数将不能满足规范中安全储备系数的要求，因此需要对断层构造控制带影响区域的年度采矿设计进行调整。

4 边坡变形原因

通过对变形区域已揭露边坡体的现场踏勘，该区域边坡岩体主要存在1 360、1 330、1 310 m 水平3 组软弱面，岩体沿1 360、1 330 m 水平弱面错动较为明显，1 360、1 330 m 水平弱面为风化泥岩，呈松散状，强度非常低，加之该处原单台阶坡面角较大，因此发生局部片帮的可能性比较大。

结合现场踏勘情况，该区域存在1 组正断层，断距约为6 m，倾角47°。现场裂缝西起正断层出露地表处，向东延伸约60 m，该处的变形受正断层控制比较明显。该断层在井工矿工作面的推进过程中得到部分揭露，井工开采造成其上覆岩层力学性质变化，导致断层对安家岭露天矿边坡影响加剧。

5 变形区边坡数值模拟分析

对于多因素作用下的露天煤矿边坡变形失稳的研究极为复杂而且十分困难。在边坡研究中，通常采用模型试验研究、理论研究和数值计算分析相结合的研究方法，通过在边坡物理试验的基础上开展理论模拟和数值计算，才能给出边坡变形失稳破坏机制和规律。在边坡研究领域，常见的数值分析方法[5]：有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等。其中有限元法基于最小总势能原理通过解方程组的方法来求解，由于对各种边界和边界条件的组合比较容易处理，是目前岩土工程领域中应用最广泛的数值模拟方法[6]。

数值模拟是在工程地质模型及力学性态本构模型的基础上，采用数值分析的方法，求解地质体随时间的变形、应力及破裂状态的变化过程，从而达到对地质体变形破坏、乃至运动进行全过程描述的目的。数值模拟具有使用方便、模型相似性强、可操纵性大、输出结果丰富、费用较低等特点；尤其是随着对材料性态本构模型研究的深入，数值计算理论水平的提高以及计算机软、硬件和图形处理技术的长足进展，使得这种模拟技术更加完备、成熟和实用。

在安家岭露天矿北帮边坡变形区域内选取4 个典型剖面开展分析。通过对矿山历史地质资料分析，结合数值模拟计算进行综合分析。

1）通过对比现状及井采到界时边坡的稳定性、应力、应变云图可知，由于断层的存在，在井工矿采煤工作面采动影响下造成北帮岩体沿断层及弱层出现扰动，导致变形区域扩大化。

2）剖面1 位于断层影响范围西侧，由分析结果可知，其稳定性较好，剖面1 稳定性分析如图1。剖面2 位于断层影响区域，目前断层受到井工矿采动影响，但其对边坡影响有限，边坡稳定性较好；当井采到界后，井工采动将直接影响断层破碎带，边坡稳定性下降明显。剖面3、剖面4 位于断层露头东侧，受断层及风化泥岩影响，目前安全储备系数已经不足，需要对该区域边坡进行处理，以满足安全生产的需求。

对安家岭露天矿进一步研究，内排无法短期内跟进，且该断层从井工矿采煤工作面延伸至露天矿北帮边坡，在井工矿开采过程中持续存在，井工开采扰动影响与断层始终相互作用，边坡安全储备系数无法满足要求。且通过井工矿和露天矿的监测数据表明井工开采与断层影响作用已经产生联动效果，随着井工开采的推进，安家岭露天矿边坡变形明显加剧，因此需要对设计停采线位置进行调整。

图1 剖面1 稳定性分析

考虑到内排压角[7]在短期内无法实现，因此需要考虑井工矿生产对露天矿边坡的影响，以及露天矿边坡和井工矿采煤作业工作面的相互作用影响，采用井工矿回采工作面位置提前停采的方案是比较可靠的。根据井工矿回采工作面不同位置的力学分析和数值模拟计算，结合井工矿巷道形变监测和露天矿边坡地质雷达监测数据以及井工矿与露天矿的经济性等综合因素进行研究（分别计算井工矿不同位置的停采线对露天矿边坡安全系数的影响），通过综合分析确定井工矿采煤工作面距停采线100 m 停采，边坡稳定系数维持到最大的1.128[8-9]。

6 结语

随着矿坑由西向东推进，安家岭露天矿在采剥推进过程中的边坡将遇到多条断层地质构造。根据边坡体揭露情况发现正在影响边坡安全的逆断层逐步向下延伸，这是影响露天矿边坡稳定性的主要因素。逆断层对边坡的影响程度也随着断层的逐步往下延伸而增加，因为断层破碎带作为边坡系统的软弱结构面，软弱结构面赋存越深，说明在软弱结构面上之上的载荷越大，若发生边坡失稳灾害，则灾害越严重，加上其它断层等构造的耦合作用，地质条件会变得异常复杂。另外在该区域上部有的外排土场、设备维修车间构成复合边坡，成为露天矿在采剥工程推进过程中必须考虑的重要问题。

鉴于露天矿山边坡工程的复杂性、动态性、模糊性及岩性参数的非确定性等，矿山的安全评价要坚持“动态评价，动态设计，定性分析与定量评价相统一”的原则。形式上要具有灵活性，因为所作的研究工作是在有限的已有资料基础上的初评价，随着采矿工作面的逐步揭露，许多因素都会与前期资料存在较大差异，只有将科研工作与采矿工作实现无缝对接，制定合理的开采方案，提出灾害发生的预测预报方法，采取相应的灾害防治措施，不仅具有重要的科学价值，而且在提高煤炭产量，减少煤炭资源的浪费等方面具有优越性，并能带来较大的经济效益和社会效益。