新疆某露天礦外排土場分布對復合邊坡穩定性影響機理

李 偉

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

露天煤礦邊坡穩定性是礦山企業重視的首要安全問題。合理準確地進行邊坡穩定性分析與評價是露天礦邊坡工程中的重要前提，也是對邊坡采取治理措施最有價值的參考依據。復合邊坡是露天煤礦中較為常見的一種邊坡形式，其復合結構是指上部人工堆積排土場和下部礦坑內的非工作幫[1-2]。形成這種形式的邊坡主要是為了降低剝離物的運輸費用，減少采礦的成本，提高企業效益[3]。但是這種排棄方式也存在著一定的安全隱患，因為礦坑邊幫上部剝離物的堆載會給坑內邊幫的穩定性帶來影響，同時礦坑邊幫的變形破壞也會造成上部排土場的滑動失穩，所以研究露天煤礦復合邊坡穩定性及影響因素具有重要意義[4-7]。為此，以新疆某露天礦為例，將開采后的采場端幫與外排土場形成的復合邊坡作為工程背景，采用有限差分軟件FLAC3D從三維角度對復合邊坡進行建模實現符合工程實際的邊坡穩定性分析，確定外排土場的合理位置，盡可能的減小外排的運輸距離，減小運輸成本。

1 復合邊坡的破壞機理與特征

露天礦外排土場的位置選擇會影響復合邊坡的結構及安全性，當外排土場位置過遠時，邊坡的復合結構不明顯，雖然安全性得到了保障，但是剝離物的運輸費用會隨之增加，而且礦區的占地面積會大大增大[8]。當外排土場選擇的位置能夠與礦坑邊幫構成復合邊坡時，排土場產生的壓力直接以靜載荷的形式施加在了露天礦邊幫的頂部，使礦坑邊幫經歷了開采卸載-堆積加載的應力變化過程。由于在對邊坡煤層的開采和上部巖層的剝離已經造成了巖體內應力的重新分布，當再次進行堆積加載后，邊坡巖體內的應力會增加，出現了再次重新分布[9-10]。這也是此類復合邊坡極易發生滑動破壞失穩的原因。所以通常需要對礦坑邊幫的承載力進行驗證分析，防止由于外排土場與邊幫距離過小，導致邊幫所受靜載超過了其承載能力，從而發生的滑坡事故[11-12]。

此類復合邊坡的失穩特征一般都表現為下部邊幫的提前破壞，再帶動上部排土場的失穩破壞[13]。該特征的形成機理為下部邊幫在上部荷載的高應力狀態下，巖體內會有裂縫持續發育并貫通，當作為基底的下部邊幫發生滑動破壞后，就會牽連上部排土場同時滑坡，由此構成一種復合破壞模式[14]。

2 復合邊坡的滑動破壞的理論模型

理論模型主體上分為外排土場和端幫這兩部分，此類復合邊坡的破壞模式往往是外排土場呈現近似于豎直的圓弧滑面，而下部端幫的破壞模式近似于平面滑動。復合邊坡理論模型如圖1。

圖1 復合邊坡理論模型

外排時端幫在二維狀態下的安全系數FS[15]：

式中：Fs為邊坡的安全系數；W 為端幫滑體的重力；C 為端幫巖體潛在滑面處的黏聚力；為端幫巖體的內摩擦角；H 為端幫滑體的高度；β 為端幫潛在滑面的角度。

在進行外排后，外排土場與下部端幫的距離為d，假設當d=0 時，上部外排土場對下部端幫潛在滑體產生的壓力為p，則當d≠0 時，壓力p'=p-dhρg，由此可推導出進行外排后的安全系數Fs為：

式中：d 為排土場下部安全距離，m；p 為上部外排土場對下部端幫潛在滑體產生的壓力；h 為排土場的高度；ρ 為排土場的密度。

由此可知，上部外排土場對下部端幫產生的壓力p'直接降低了端幫的安全系數，一直增加到潛在滑動面上的黏聚力作用不再明顯時，則黏聚力可以忽略不計，此時邊坡達到了極限平衡狀態，在外界不利因素的干擾下，就極易發生滑動失穩。從式（2）中不難發現可以通過增加外排土場與端幫的距離d 來減小壓力值p'，當外排土場與端幫的距離d 增加時，會大大加強潛在滑動面上黏聚力抗滑作用在安全系數計算公式中的所占比例。

上述分析為未發生滑動破壞時，外排土場對端幫的作用效果。當端幫出現滑動破壞后，排土場的存在還會加劇邊坡的破壞程度，因為此時的外排土場類似于一種懸臂梁的結構，外排土場內豎直的圓弧滑面會使滑體的下滑力遠大于滑動面上的抗滑力，從而進一步降低邊坡的安全性。

3 邊坡模型的數值計算

3.1 復合邊坡地質模型

通過地質條件調查發現，某露天礦區內的煤系地層均無含水地層，基本不存在涌水的問題，所以在建立邊坡模型時不需對水的影響加以考慮。在建模時為了減少設置邊界條件對邊坡穩定性分析準確度的影響，特意擴大了模型的范圍，在模型中加入了南端幫兩側的邊幫，這樣在固定模型x 方向上的兩端邊界時則不會對南端幫復合邊坡位置產生影響，復合邊坡地質模型如圖2。該圖所顯示的為外排土場最底部臺階坡底線距離礦坑邊幫頂部坡頂線50 m 的模型（簡稱距離50 m 的模型）。

圖2 復合邊坡地質模型

該模型內除去最上部外排土場分組，煤系地層包括5 種巖性的地層，各個地層的厚度以及力學參數見表1。

表1 復合邊坡模型參數

3.2 數值計算結果

50、70、90、110 m 距離的模型位移云圖如圖3。

由圖3 可以發現隨著外排土場與南端幫距離的增加。邊坡的變形量和變形范圍在明顯減少，而且滑動位置在向模型左側移動，這是因為與外排南端幫相接的左側邊幫坡度較陡，而西幫的坡度較緩，當外排土場的壓力作用顯著時，邊坡的破壞區域會集中在南端幫中部，并表現為復合破壞模式，隨著外排土場壓力作用的減弱，破壞區域則會向坡度大的東幫移動。其中距離為50、70 m 的邊坡模型滑移模式為外排土場與礦坑邊幫復合邊坡的整體破壞，而且破壞范圍較大，當距離增加到90 m 時，外排土場的“壓力推移”作用不再明顯，逐漸演變成南端幫自身的變形破壞。當距離增加到110 m 時，整個模型內的最大變形位置轉移到了外排土場下方，該變形是由于外排土場自身壓力造成的，基本不會對南端幫穩定性造成影響。

圖3 排土場與南端幫不同距離所對應的邊坡位移狀態

排土場與礦坑邊幫距離對應的邊坡安全系數見表2。安全系數隨著外排土場與礦坑邊幫距離的增加也呈現了增加的趨勢，距離從50 m 增加到70 m的過程中安全系數提升幅度小，當距離增加到90 m時，安全系數由1.13 直接提高到了1.25。

表2 排土場與礦坑邊幫距離對應的邊坡安全系數

為了獲取不同距離下的邊坡模型破壞情況，對構成復合邊坡的每級臺階的坡頂線中間位置設置了監測點，來監測邊坡的變形破壞情況，該位置通常為邊坡的最大位移點。由模型可知，復合邊坡有9 級臺階，其中礦坑邊幫6 級，外部排土場3 級，共設置9個監測點，用來監測最危險邊坡剖面位置的位移值。距離分別為50、70、90、110 m 的模型所得不同臺階中部監測數據如圖4。

圖4 不同臺階中部監測數據

根據所得監測數據可知，各個距離下的邊坡模型位移監測數據變化趨勢基本一致，其中外排土場距離礦坑南端幫50 m 的模型整體位移量最大，最大位移值達到了46 cm。距離為50 m 和70 m 的情況下，外排土場各個臺階位移量與礦坑南端幫位移量有著一定的差距，處于一種連續增長的狀態，可見此時邊坡的復合結構明顯，破壞形式主要為復合邊坡的整體滑移破壞。距離為90、110 m 的模型相比于50、70 m 的模型，監測點位移量處于了1 個相對較低的水平，7、8、9 級臺階的位移值幾乎完全相等，結合表2 中安全系數的變化趨勢，均表明外排土場邊坡和礦坑邊幫之間距離的增加弱化了邊坡的復合結構，邊坡的安全性得到了有效提高。

4 結語

對露天煤礦復合邊坡的破壞模式以及形成機理進行了分析，明確了復合邊坡在形成過程中的應力變化過程。推導出了二維狀態下外排土場對端幫邊坡穩定性產生影響的安全系數計算公式。使用FLAC3D軟件對某露天煤礦外排土場與礦坑邊幫復合邊坡進行了邊坡穩定性分析。通過建立外排土場與礦坑邊幫距離分別為50、70、90、110 m 的三維數值模型，計算發現邊坡的安全系數隨著距離的增加也一直在增加，當距離為90 m 時，邊坡的安全系數達到了1.25，此時邊坡可靠性滿足長期要求。結合模擬監測點位移數據研究發現，當距離超過110 m 時，邊坡的復合結構變得不再明顯，而且外排土場對礦坑邊幫穩定性的影響較弱，因此可以認為設置外排土場的安全距離是110 m。