霍林河南露天煤矿沿帮内排土场边坡稳定性分析及优化

2021-07-02李存金杨昌艳孙有刚董瑞荣

露天采矿技术 2021年3期

李存金，杨昌艳，孙有刚，董瑞荣，秦旭，范磊

（内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司南露天煤矿，内蒙古霍林郭勒 029200）

滑坡是露天煤矿最普遍的地质灾害之一，治理不力会造成人员、设备及周边构筑的损伤，导致矿山生产中断、经济效益恶化，是露天开采领域研究的重大问题之一，复合边坡因影响因素多，坡体结构复杂，一直是露天矿山边坡研究的重要课题。近年来，广大学者对复合边坡稳定性进行了一定程度的研究，陈鹏等人以依兰露天矿为研究背景，应用极限平衡法和强度折减法分别对采场、排土场及二者构成的土-岩复合边坡稳定性进行了分析，优化了边坡最终形态[1]；孔令伟针对胜利东二号露天矿首采区采场南帮南排土场复合边坡变形实际情况，结合现场揭露的泥岩弱层等工程地质条件，建立了南帮复合边坡模型，利用极限平衡法对南帮复合边坡稳定性进行分析[2]；罗春生等基于强度折减法及FLAC3D对复合边坡进行数值模拟，通过稳定性分析揭示排土场位置对复合边坡稳定性的影响规律及破坏形式[3]；刘晓玲等基于开挖-堆载的基本工程步骤，推导了开采作业过程中开挖工程量的计算公式，并根据开挖方量推导出均匀排弃时排土场高度计算公式[4]；田巍巍等运用有限差分强度折减法对肯斯瓦特水利枢纽工程联合进水口土-岩复合边坡的稳定性进行了模拟分析[5]；田树坤等基于强度折减理论，应用FLAC3D对采场排土场复合边坡变形进行数值模拟，展现出采场排土场复合边坡的变形机理[6]；曹兰柱等以蒙东西二露天矿排土场边坡为工程背景，基于刚体极限平衡与三维数值模拟方法，揭示了不同基底倾角条件下排土场边坡稳定性变化规律，分析了软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理，并讨论了治理措施[7]；王东等采用刚体极限平衡理论和FLAC3D数值模拟软件相结合的方法，结合露天矿采场自上而下逐水平形成的特点，提出了一种顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法[8]。尽管在复合边坡稳定性分析方面已有一定程度的研究，但对于顺倾产状、弱层发育、基底不平的复杂条件复合边坡，研究深度仍显不够。

霍林河南露天煤矿沿帮内排土场西坡面下部为采掘场，该坡面边坡形成排土场-采场复合边坡，排土场基底东侧为原始地表，中部为原始开挖台阶，西侧为14#煤底板，形态复杂。自2018 年10 月开始，该区域950 m 水平开始出现裂缝，并且不断扩展，初步显现出了滑坡前的一些迹象。因此，为防止滑坡造成重大损失，采取合理的方法对其进行优化治理，具有重要意义。

1 边坡稳定性计算方法

边坡工程理论发展至今，形成了多种稳定性分析方法，整体可分为3 大类，即定性、定量和其他分析方法。其中定性分析方法主要包括工程地质比拟法、自然历史分析法、边坡工程数据库和专家系统法和图解法；定量分析方法主要包括数值分析法和极限平衡法，数值分析法较常用的有BEM 法（边界元）、DEM 法（离散单元）、FEM 法（有限单元）和FLAC 法（拉格朗日）等，极限平衡法主要有Jaubu法、Bishop 法、楔体极限平衡法、Sarma 法、Fellenius法和剩余推力法等；其他分析方法主要有神经网络法、概率分析法和模糊理论分析法等。经过对比分析，极限平衡法在边坡稳定性计算中应用的最为广泛，能够较为精确的计算边坡稳定性，根据南露天煤矿实际情况，采用极限平衡法中的Bishop 法和剩余推力法进行研究。

1）简化Bishop 法。Bishop 法是通过力矩平衡来确定安全系数，将土条之间的相互作用力按水平方向计算，以此方法得出法向力。Bishop 法中，设定滑面为圆弧形，以滑面的旋转中心为基点，计算抗滑力矩和下滑力矩的比值，并将其作为安全系数，该方法中，任何分条受力都处在平衡状态。

2）剩余推力法。剩余推力法同样采用条块的方式，假定第i 个条块对第i+1 个条块的作用力平行于第i 个条块的底滑面，以平行于底滑面和垂直于底滑面2 个方向的合力及上1 个滑块的剩余推力为0 为原则。

2 沿帮内排土场复合边坡稳定性分析及优化

2.1 潜在滑坡模式

经过对沿帮内排土场滑坡区域边坡工程地质勘查资料的搜集、整理与分析，并结合以往的现场调研结果，南露天煤矿17#煤夹矸中发育有厚度为1 cm左右灰白色泥岩（泥）夹层，略有颗粒感，疑似为粉砂，质软易碎，遇水膨胀，局部含岩屑；其上、下煤层沿该夹层发生过滑动，擦痕特别发育，疑似为弱层；在其下80 cm 处发育有厚度为20 cm 的炭质泥岩，其上、下煤层沿其发生过滑动，擦痕特别发育。2019年沿帮内排土场边坡各表面位移监测点的位移历史曲线如图1，由图1 可知，先前布置在970 m 水平，后移至943 m 水平的17#煤夹矸以下层位GPS-22监测点和布置在954 m 水平的GPS-9 监测点变形远小于其他各个监测点，说明滑体的发育范围为：走向裂缝以东、17#煤夹矸底板弱层以上。

图1 2019 年沿帮内排土场复合边坡各监测点位移历史曲线

综合边坡的地层结构、典型钻孔体现的岩性分布条件、裂缝发育特征及不同位置变形规律，可判定沿帮内排土场复合边坡目前的潜在滑移面为17#煤夹矸底板弱层，形成底面（弱层）-侧面（圆弧）的切层-顺层滑动潜在模式。

2.2 计算剖面和边坡物理力学参数

根据边坡工程地质剖面及潜在滑坡体发育的范围，选择边坡倾向方向上的2 个边坡工程地质剖面作为稳定性计算剖面，二者间距约100 m。边坡稳定性计算剖面图如图2。

图2 边坡稳定性计算剖面图

结合已有的钻孔勘探成果，选取的岩土体物理力学参数指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标的选取表

由于17#煤夹矸底板弱层的力学特性易受地下水运移规律、开挖卸荷及自身变形影响，其参数具有一定的时效性，所以对该层位的力学参数采用滑坡变形反分析的方法来确定该弱层的抗剪强度参数。反分析原则如下：

1）滑坡反分析是认为已经滑坡时的边坡稳定系数介于0.98～0.99。对于南露天煤矿沿帮内排土场复合边坡而言，目前发现的是持续大变形，尚未真正演变成滑坡，从保守的角度考虑，可认为其稳定系数为1，处于临界失稳状态。

2）结合以往地质调查研究成果，基于现场在950 m 水平出现了较大尺寸的裂缝，在反分析过程中选取弱层黏聚力为0。

按照上述2 条原则，通过不断试算不同内摩擦角时剖面1、剖面2 边坡的稳定系数，即可分别获得这2 个剖面17#煤底板弱层的内摩擦角。对于剖面1，以内摩擦角为7.24°、7.2°、7° 3 种状态计算稳定性系数；对于剖面2，以内摩擦角为7.24°、7°、6.9°、6.5°、6° 5 种状态计算稳定性系数。1#、2#剖面弱层抗剪强度参数反分析结果见表2。最终，可确定剖面1、剖面2 边坡体内17#煤夹矸底板弱层的内摩擦角分别为7.2°和6.5°。

表2 1#、2#剖面弱层抗剪强度参数反分析结果（黏聚力为0 kPa）

2.3 边坡安全储备系数选取和边坡评价

根据GB 50197—2005 煤炭工业露天矿设计规范边坡的暴露时间小于10 年，其安全储备系数宜为1.1～1.2，考虑到复合边坡下部降深到21#煤底板后可快速实现内排压帮，确定复合边坡的安全储备系数为1.2；对于局部的边坡，由于弱层的抗剪强度参数选取较为保守，再加上布置了较为完善、稳定的变形监测系统，二者的安全储备系数均为1.1。

现状边坡评价如下：

1）沿帮内排土场复合边坡坡体内地层顺倾，存在多个疑似弱层。

2）950 m 水平区段边坡已出现滑坡迹象，且该区段布置有煤岩破碎运输系统，一旦边坡失稳，必将波及到破碎运输系统的安全，造成重大损失。

3）根据现场裂缝发育及监测获得的信息来看，沿帮内排土场复合边坡稳定性已经接近临界状态，急需采取恰当的治理措施。

2.4 边坡形态优化

削坡通常是治理滑坡的有效手段之一，将削坡治理工程分为3 个层位，分别为观礼台层、观礼台下第1 层和观礼台下第2、第3 合层（各分层高度分别为5.5、4 和6.4 m）。削坡至不同分层与工程位置时沿帮内排土场复合边坡稳定性变化规律如图3，剖面1 和剖面2 沿帮内排土场复合边坡清理前后的位置及稳定性对照情况如图4 。