安家岭露天煤矿断层破碎带影响下边坡稳定性研究

2020-11-03马熹焱缪海宾

露天采矿技术 2020年5期

马熹焱，缪海宾

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

通过对安家岭露天矿变形区揭露边坡体踏勘及该区地质资料查阅，此处为逆断层影响区域，按照断层走向及产状等指标反推，该片帮区域为逆断层破碎带影响区域，该区域变形破坏主要受断层破碎带控制。现场调研确定破碎带夹杂大量风化泥岩，风化严重。由于岩性松散并且此处原单台阶坡面角约77°，坡面角较大，出现局部片帮。

安家岭露天矿边坡在推进过程中，遇到多条断层和陷落柱[1-5]。断层破碎带赋存越深，说明在软弱结构面上的载荷越大，随着逆断层的下延，逆断层对北帮边坡的影响程度将会增加。加之断层、陷落柱、芦子沟背斜等构造的耦合作用，将构成复杂的地质条件。所以对断层破碎带的研究将成为有效控制边坡稳定性的重点。

1 岩土物理力学性质试验

选取试样进行了岩石直剪试验、含水率和密度试验、单轴抗压试验、单向抗拉试验、弹性参数测试等岩土物理力学性质试验，得出一系列力学参数。根据Hoek-Brown 强度准则，通过计算得到了安家岭露天矿北帮岩体强度。同时，考虑到以往类似地质条件（岩体破碎、岩石风化严重）的力学试验参数，运用反分析的方法，结合北帮岩体强度，分析了研究区边坡岩体参数，安家岭露天北帮研究区域边坡岩体参数见表1。

表1 安家岭露天北帮研究区域边坡岩体参数

2 相似模拟试验方案

1）方案1：单台阶开采方案。方案1 中的模拟共采集了8 组监测试验数据，对逆断层破碎带赋存于边坡内部的情况进行模拟。安家岭露天煤矿主要采掘3 个煤层，自上而下为4 煤、9 煤、11 煤。在开采过程中，首先开采了泥沙岩互层层组（4 煤以上），再开采4 煤，然后开采了泥砂岩互层层组（4 煤与9 煤之间），接下来模拟开采了9 煤，最后开采11 煤。在开采至4 煤与9 煤之间的过程中，单台阶出现局部变形，可能形成局部片帮现象。这是由于边坡开挖造成应力释放，引起其向临空面的位移、水平方向位移、垂直方向位移上均出现了明显向临空面的位移；在开采9 煤上部泥砂岩互层组的过程中，开采过程中边坡变形较大，变形主要沿破碎带出现。这是由于边坡下部约束消失，造成边坡应力释放，向边坡临空面方向发生变形。在9 煤、11 煤开采过程中，水平方向、垂直方向的位移出现逐渐增大趋势，在破碎带面上出现剪应变集中。当开采完毕后，在破碎带揭露区域水平及垂直方向，均出现单台阶明显位移，未出现多台阶的连续滑动趋势面。

2）方案2：提前降盘方案。首先需要说明的是方案2 在过逆断层区间存在不合理性。方案2 开采过程中，垂直方向位移出现明显沿逆断层破碎带滑动位移趋势，并且随着监测时间的推移，位移变化越明显。所以，将坡面布置在破碎带上部，沿逆断层上盘破碎带面易形成滑动趋势。

3）方案3：提前转向并降盘方案。方案3 在过破碎带区间时也存在不合理性。用方案3 的设计开采结束后，在几处平盘的台阶下部出现了鼓起现象和向上的位移。同时，随着破碎带暴露时间的延长，鼓起趋势渐增大，并形成贯通面趋势，致使边坡破碎带沿下盘出现滑动的趋势。

相似模拟试验结果来看，方案1 单台阶开采方案为最优方案。

3 破碎带影响下安家岭露天矿边坡变形破坏规律

在逆断层破碎带处选取2 个剖面作为研究对象。受断层、陷落柱、断层破碎带的影响，岩性松散，破碎带岩土体物理力学性质软弱，工程开挖揭露后，边坡容易产生变形失稳。基于最终优化方案、提前降盘方案、提前转向并降盘方案3 个方案：分析在不同空间形态下的受断层、陷落柱、破碎带影响的边坡的力学特性以及在连续开采过程中的边坡稳定性[6-8]。

3.1 露天矿边坡静力学分析

1）静力平衡方程式。

式中：σij为应力场；Wi为体积力；Ti为作用于表面S 上的边界力；nj为S 面法线的方向导数；ui为相应的位移场为表面位移。

2）变形协调方程式。

式中：εij为应变场。

3）本构关系方程式。

式中：εkl为应变，Cijkl为反映弹性或塑性本构关系的四阶张量表达式。

式（7）采用莫尔-库仑准则得出。

式中：σn、τ 为破坏面上的拉应力和剪应力；c、φ为黏聚力和内摩擦角。

在一般的岩土材料中，提出了不容许出现拉应力的限制条件，即：岩土体内任一点的小主应力不小于0。

反映实际情况的真实解便是能够满足上述条件的解。但由于岩土材料结构在破坏时呈现的体胀和软化、大变形等特性，同时呈现出各向异性和非线性和不连续性的本构关系，使求解岩土材料稳定的问题变得十分困难和复杂。

3.2 破碎带影响下安家岭露天矿边坡稳定性

3.2.1 力学分析

逆断层影响区域的边坡，边坡走向由西向东，逆断层走向东北，其倾角为36°。逆断层与边坡空间交错关系可能存在4 种情况：①逆断层断裂带完全位于边坡内部；②逆断层下部位于边坡内部，上部为逆断层；③边坡上部剥离逆断层断裂带，下部暴露于逆断层；④绝大多数逆断层破碎带均出露于坡面。

选取剖面1 来研究露天矿开采过程对边坡稳定性影响，因其上部揭露破碎带，破碎带下部位于坡体内部，已揭露逆断层上部影响区域。选取剖面2 边坡与逆断层在空间上不同位置时逆断层破碎带的力学特征进行研究，由于其位于背斜轴部，煤层埋深较浅。

1）方案1 是单台阶开采方案。逆断层断裂带上部出露部分水平位移较大，垂直应力没有形成连续的贯通面。逆断层下部距坡面较深，剪应力集中在下盘逆断层断裂带接触面上，易在坡脚形成剪切口。

2）方案2 是提前降盘方案，断裂带处形成连续的贯通面。边坡暴露了上逆断层断裂带的接触面，暴露了部分岩性断裂带，岩性松散。剪切应力集中在每一个台阶上，容易在台阶下形成剪切开口。

3）方案3 是提前转向并降盘方案。转向使边坡向外延伸，逆断层破碎带暴露于边坡表面上部。

方案1 为最终的优化方案。

3.2.2 边坡稳定性随露天矿开采加深稳定系数变化见表2。

表2 随露天矿开采加深稳定系数变化

边坡倾斜断层破碎带影响下，在破碎带上出现剪切变形，其稳定性受破碎带影响，在边坡沿破碎带下部形成滑动面。通过边坡稳定性分析，连续开采过程中边坡稳定性的变化情况。随着露天矿开采深度加大，含有断层破碎带的边坡稳定系数随台阶向下延深逐渐降低。在同一滑动面处，由于前期开采滑动面处于坡底，导致剪应力集中，稳定系数较小，稳定系数呈现由小逐渐增大再变小的变化趋势；随着开采深度的增加，剪应力不断变化，稳定系数出现先增大后减小的趋势。