于鑫鑫，任 鹏，赵汝辉

（1.国家能源集团准能集团 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯010300；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；3.煤炭科学研究总院，北京100013；4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013）

20 世纪60 年代以来，随着大型露天煤矿的陆续建设，所形成的边坡规模逐渐加大，地质条件也愈加复杂，对边坡稳定性的分析与评价处在一个动态发展的阶段[1-4]；露天煤矿为了满足其生产的需要建设有破碎站，而破碎站的存在将会导致临空面的产生，其周围的边坡面受设备工艺的要求及地质条件的限制，多表现为直立状态的边坡，为了保证露天煤矿安全生产，常需对破碎站进行不同程度的支护，并对周围的边坡进行稳定性分析与评价，破碎站的稳定运行是露天煤矿高效生产的重要环节[5-6]；因露天煤矿的地质环境因素、采矿工艺、开采参数、地面调度及运输系统的限制，使原本就能够满足产量需求的破碎站，不能全部建设在坑内，因此，采用坑内破碎站同地面破碎站二者相互结合的方式来满足生产要求[7-8]，相较于在单个位置建设的破碎站，这种条件下边坡面稳定性的分析更为复杂。

基于黑岱沟露天煤矿地质以及现场条件，通过三维激光扫描以及无人机航测等手段对破碎站范围内地形地貌修进行重测绘，对比分析研究其周边破面的稳定性，并验算此处的边坡稳定性。

1 矿山概况

准格尔煤田位于鄂尔多斯高原的东北部，属典型大陆性气候，冬季寒冷多风，夏季雨量集中，矿区地质构造简单，有3 组背斜面近似平行，其中西黄家梁背斜与其东南部的焦家圪卜向斜占据了勘探区的中西部地区，控制着该地区近2/3 的地层；地层走向与褶曲轴和断裂方向保持一致，而倾向多以北西向和南东向为主；断裂发育程度较小，断距往往偏小，断层以北东向为主。此外，该区域内还分布有为数不多的陷落柱，纵观整个矿区的整体地质构造情况，地层、褶皱轴和断层大体都呈东北向，基岩结构东北高，西南低。

黑岱沟露天矿矿区的采区地层由老到新依次为：奥陶系下统亮甲山组、石炭系、二迭系、第三系上新统和第四系；本区内的煤系地层主要包括：上石炭统太原组以及下二迭统山西组，分部在黄河西岸及大型沟谷中，主要可采煤层为8#、9#、10#。

2 边坡变形破坏模式

2．1 破坏模型及岩土强度与变形参数

基于矿上原有地质资料的基础上进行收集与整理，对黑岱沟露天煤矿破碎站设计范围边坡工程地质条件进行研究，选取典型位置剖面P1，构建边坡稳定性分析地质模型，数值模拟模型的建立拟采用有限差分法FLAC3D[9]；计算模型沿边坡倾向长度为251 m，最大垂直高140 m，分析模型如图1。模型的前、后、左、右边界为截离边界。

图1 黑岱沟破碎站P1 剖面数值分析模型图

前、后以y 方向位移约束，模型的左、右方向以x 方向位移约束，模型的底部以z 方向位移约束，构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡，计算采用摩尔-库伦模型来描述。

为了保证系统的受力平衡，前、后边界以y 方向位移约束，模型的左、右边界以x 方向位移约束，并且模型的底部以z 方向位移约束，形成位移边界条件，采用Mohr-Coulomb 强度理论进行分析计算。

分析时所用岩土力学强度指标主要通过类比分析过往岩土力学试验及各稳定性评价报告的各力学强度参数，破碎站设计范围边坡岩土体物理力学性质见表1。

2．2 模拟结果

破碎站设计范围边坡P1 剖面的塑性区域分布如图2。

剖面上覆粉土层厚度较厚，属于典型的顺倾边坡，上层粉土层和中部泥岩层是边坡塑性区域分布的主要区域，边坡发生相对移动的位置集中在泥岩层和粉土层，从图2（a）可以看出，边坡尚未形成整体塑性贯通。但要提高泥质岩层边坡坡脚处的强度，增强边坡的抗滑力，达到支撑上覆岩土体稳定所需的力学平衡；塑性区域比较集中的区域在粉土层中，该处抗剪强度较低，易发生朝向临空面滑动趋势。

通过x 方向和y 方向位移云图可以看出，坡脚处出现偏向坑内的位移；y 方向位移主要发生在粉土层最高点附近，且坡脚处发生向上位移，粉土层内塑性区虽尚未贯通，但该影响区域存在潜在破坏趋势。该处台阶塑性区贯通的主要是由于粉土层厚度大所致，约为30 m，坡脚有临空面，粉土的抗剪能力有限。

表1 破碎站设计范围边坡岩土体物理力学性质

图2 破碎站P1 剖面塑性区域分布图

3 破碎站设计范围地形校正分析

3．1 边坡校正前后对比分析

依据现场勘查，不良地质现象调查及测绘，并基于以往在露天煤矿开展的岩土体力学试验所确定的边坡岩土体物理力学参数，选取1 个剖面对开展地形调整前后的破碎站建设区域稳定性评价。

3．1．1 破碎站设计状态边坡稳定性评价

在破碎站设计范围布置了1 条研究剖面，基于破碎站边坡岩土体变形前的地质地形图开展计算，其中剖面P1 局部1 和整体的极限平衡分析结果如图3，破碎站范围边坡在自然状态和饱和状态下不同位置的计算结果如图4。

图3 P1 剖面局部和整体极限平衡分析计算结果

图4 破碎站设计状态边坡稳定性分析结果

1）自然状态下边坡。局部位置2（1 225 台阶）安全系数为0.97，不符合规范要求，存在片帮风险；安全系数较小的原因是单台阶坡面角过大（57 °）；局部位置3（1 210 台阶）安全系数为0.78，不符合规范要求，存在片帮风险；安全系数较小的原因是单台阶坡面角过大（82 °）。

2）饱和状态下边坡。在这种条件下，土体抗剪强度指标明显下降，各位置剖面出现边坡稳定性安全系数小于1.0 的情况，其中土体范围台阶安全系数下降最为明显，部分岩质边坡区域出现了安全系数小于1.0 的情况；从整体稳定性来看，P1 边坡在饱和状态下，稳定性进一步下降。

3．1．2 破碎站设计范围实际状态边坡稳定性评价

破碎站设计范围边坡岩土体在建设过程中产生了一定的变形，需对变形后的边坡利用三维激光扫描仪和无人机开展了进一步的现场测绘以及踏勘工作，对变形后的边坡进行了修整并开展稳定性计算，其中在地形修改后边坡面P1 局部1 和整体的极限平衡分析结果如图5，破碎站范围边坡在自然状态和饱和状态下不同位置的计算结果如图6。

图5 P1 剖面局部和整体极限平衡分析计算结果

图6 破碎站设计范围实际状态边坡稳定性分析结果

自然状态下：局部位置2（1 225 台阶）安全系数为1.01，不符合规范要求，存在片帮风险；与修改前情况对比，局部应力调整后，单台阶坡面角仍然过大（53 °）；P1 整体安全系数为1.19，比修改前剖面安全系数（1.24）变小，主要原因是边坡发生局部滑动后，虽然整体边坡角（34 °）小于修改前（35 °），但边坡表面岩土体形态不一，影响边坡整体稳定性。

3．2 实际工况下边坡稳定性分析

依据《煤炭工业露天矿设计规范》要求，边坡上有特别重要建筑物或边坡滑落会造成生命财产重大损失者选取的安全储备系数应大于1.5，破碎站修改前、修改后的边坡整体稳定性均不符合规范要求，存在一定风险；破碎站区域校正前后边坡计算结果见表2。

表2 破碎站设计范围地形校正前后P1 剖面边坡稳定性结果分析对照表

综合以上研究可知：以规范要求的安全储备系数1.5 作为评价标准，破碎站各边坡不符合规范要求，修改前破碎站边坡的计算结果，在一定程度上吻合了现场情况，由于开采活动的影响，地表边坡发生了局部区域的边坡破坏，对于修改后的破碎站边坡，即使已经发生过边坡岩土体的应力调整，但从计算结果看，调整过程并未结束，坡面形态不一，存在外凸现象，不利于边坡稳定，应及时对坡面形态进行整理，建立地表位移监测系统，实时监控边坡情况。

4 结 论

1）破碎站P1 剖面所在位置边坡目前未形成整体贯通式裂缝，整体边坡保持“临时”稳定状态，但要提高泥质岩层边坡坡脚处的强度，增强边坡的抗滑力，达到支撑上覆岩土体稳定所需的力学平衡，此外也应时时观测粉土层角度，适当放坡，避免粉土层的滑移和失稳。

2）基于黑岱沟露天矿边坡工程地质条件与现场实际勘测成果，构建工程地质模型，利用FLAC3D研究了破碎站影响区域内的边坡变形失稳机理，探明边坡变形模式。

3）采用三维激光扫描和无人机航测相结合的方法，对研究区域内的边坡地形进行重新勘测，将设计边坡和校正之后的破碎站边坡稳定性，进行对比分析，修改前破碎站边坡的计算结果，在一定程度上吻合了现场情况，但由于现场工况的时效性，导致修改后的破碎站边坡坡面形态不一，表现为外凸现象，边坡不稳定。