露井联采逆倾边坡破坏模式及稳定性评价方法研究

王 东，曹兰柱，朴春德，白润才，薛应东

（1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；

2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；3.平庄能源集团 西露天矿，内蒙古 赤峰 024076）

0 引言

露天矿边坡岩体的移动变形是一个复杂、不可逆的动态过程，且边坡的演变受到诸多不同因素的影响，不同露天矿边坡的变形破坏机制存在较大差异。对于露井联采边坡，由于同时受到两种采动效应，其变形破坏规律更为复杂，其稳定性问题亦更加突出。因此，如何确定露井联采边坡的破坏模式，科学评价其稳定性，为合理边坡稳定性控制措施的提出提供依据，是采矿工程亟待解决的问题。

目前，尚未对露天开采和地下开采两者之间的相互作用特点与规律性形成统一认识，而由于受到地下开采的影响，使得边坡岩体变形量值及变形范围己远远超过了原有的单一采动理论认识［1］。对于如何分析地下采动对边坡稳定性的影响，国外很少见到这方面的研究资料［2］。在以往的研究中，往往单独地分析露天采动对边坡稳定的影响问题，未将地下采动因素考虑进去，使得分析和计算结果与实际情况可能存在很大差异，缺少其中的一个主要影响要素，因此，不能全面客观地反映边坡变形和稳定程度的实际情况［3，4］。近10年来，部分专家、学者和工程技术人员结合具体矿山工程实际对露井联采边坡岩体的变形破坏规律和稳定性问题进行了一定量的研究工作，大多采用数值模拟［3，5－9］，少量采用模型试验［10－11］、现场监测［12－13］或综合手段［14］对边坡岩体的变形破坏规律进行研究，从而分析两种采动效应间的相互影响，确定警戒煤柱宽度或顶板安全厚度等边界参数，揭示岩体变形破坏机理。其中，孙世国教授［7，12，15－16］在这一方面做了大量且有突破性的工作，应用摩擦试验和数值模拟等手段研究了露井联采边坡的变形规律，探讨了露井联采边坡变形机理，应用随机介质理论并结合经典的刚体极限平衡理论推导得出了边坡的稳定系数，它是边坡岩体下沉、水平移动、水平变形、倾斜和曲率的函数，但要据此方法计算边坡的稳定系数必须先求出中间未知量——岩体的变形参量。鉴于露井联采条件下岩体变形和破坏机制的复杂性，很难准确得出变形参量，因此，未能在工程实际中得到较多的应用和推广。本文旨在通过分析不同条件下坡体内应力及位移分布特征的差异，研究确定露井联采逆倾边坡的破坏模式和稳定性计算方法，为正确评价该种条件下边坡稳定性，提出合理的滑坡防治措施提供依据。

1 逆倾边坡滑坡模式分析

当岩层倾角＞45°时，逆倾边坡易发生倾倒变形破坏，见图1（a）。当岩层缓倾斜、近水平赋存时，边坡稳定性较好，若受到开挖影响，作用在软弱层面上的垂直力与水平力都将发生变化，并伴随着岩体的变形。首先是水平应力释放，岩体松弛，出现水平位移。随着时间的延长，水平应力逐渐减小，垂直力在层面上的作用逐渐增强，在长期的重力荷载作用下，边坡将发生沿层面的剪切蠕变。如剪力超过层面的长期剪切强度时，边坡发生不稳定蠕变，即边坡经过初始衰减蠕变、等速蠕变，最后到达加速蠕变发生切层－顺层滑坡；当弱层效应不明显时，边坡发生圆弧滑动。逆倾边坡圆弧滑面滑动和组合滑面滑动如图1（b）所示。

图1 逆倾边坡破坏模式Fig.1 Failuremodesofcounter-tiltslope

2 地下开采覆岩变形破坏机理分析

岩石在地壳中处于自然应力状态，如果不受外力作用或扰动，在地壳中不同空间单元上的应力将基本保持不变。地下岩体工程开挖将改变其周边地壳中的原岩应力场分布，且不同的开挖量，其开挖效应的影响域大小不同；开挖结束后，在开挖影响域内的岩体应力状态已由原岩应力转变为。然而，在开挖影响域内的不同空间位置上，其应力变化量不等，即Δ≠常数。如图2（a）所示，即使两单元体i，j位于同一水平或同一层位上，由于它们与开挖区之间的相对空间位置不同，所受开挖效应的影响也不同，因此，将产生不同的应力变化量。正是由于这种变化量的不同，所以在采动影响域内形成了不同的应力变化空间，即形成所谓的拉伸域、压缩域。也正是由于这种应力重新分布的结果，导致了采动影响域内的应力场完全不同于原岩应力场。

地下开采引起应力的重新分布，造成采场上覆岩体的垮落、断裂、离层、移动、变形等特征，表现为开挖受力、变形和位移的整体全过程，最终由下向上发展至地表引起地表的移动，如图2（b）所示。其中滑移面即为岩层移动的边界，其倾角β称为边界移动角，滑移面以外的岩体基本不受采动影响。

图2 地下开采覆岩变形破坏机理Fig.2 Deformationandfailuremechanismof overburdenstratacausedbyundergroundmining

3 露井联采逆倾边坡变形机理研究

工程开挖造成的应力场的改变是造成边坡岩体变形的根本原因，因此，首先分析露井联采条件下边坡岩体的应力特征。假定边坡岩体某一点的原岩应力状态为，由露天开采引起的应力变化为，由地下开采引起的应力变化为；由于两种采动效应相互重叠，那么，在两者共同作用下，边坡岩体内的应力场变为：

就是说，由于露天、井工联合采动，边坡岩体内构成了一个应力叠加体系，并且，随着露天和井工的开挖呈动态变化。

应力变化的过程事实上是寻求新的平衡的过程，伴随着岩体的变形。从露井联采边坡岩体的变形特征来看，亦是一个叠加体系，即：

随着地下开采空间的增大，边坡岩体受破坏程度递增，边坡体的变形也愈加剧烈。但地下采动效应对边坡体的不同空间位置或不同区域的影响与边坡岩体本身变形所产生的叠加结果是不同的，如图3所示，A、B两点位移的合成矢量的方向不一致。

一般位于地下采区不同空间位置上，矢量具有三维特性。所以，上山方向一侧边坡体的合成矢量方向要视地下开采量大小及该点的空间位置而定，并不能肯定指向地下采区，也有可能指向坑内，这种变形机制是对边坡表层一定深度以上而言，但对于边坡体一定深度以下来说，由于露天采动影响逐渐减弱，并在某一深度以下露天采动没有影响，那么，在这些区域的岩体变形将表现为地下采动特性。

图3 露井联采逆倾边坡变形机理示意图Fig.3 Deformationandfailuremechanismof counter-tiltslopeundercombinedsurface andundergroundmining

4 地下开采对边坡破坏模式及稳定性的影响研究

现今对于地下开采如何对露天矿边坡稳定性起到何种影响及影响程度未有统一的认识，但对于两种开挖效应的叠加则基本达成一致。露天开采造成边坡沿一定的滑面（带）产生滑移破坏，而地下开采造成上覆岩层按一定的边界产生塌陷破坏，因此，按潜在滑面是否进入地下开采形成的地表塌陷范围及其进入的长度，可将露井联采条件下边坡的破坏模式分为3种类型：

（1）滑移型破坏

若地下开采造成的岩层移动与破坏未波及到边坡最危险滑动面，此时边坡稳定性不受到任何影响，如图4（a）所示，露天采空区一侧边坡此时仍以滑移破坏为主。此时，可采用条分法计算边坡的稳定系数Fs：

式中：li——任一条块i的底滑面长度；

Wi——条块i的重量；

αi——条块i的底滑面倾角；

C、φ——分别为岩体的粘聚力和内摩擦角。

（2）滑移－塌陷复合型破坏

若部分潜在滑面处在塌陷范围以内时，则发生滑移－塌陷复合型破坏，如图4（b）所示。此时边坡的稳定性下降，影响程度应根据潜在滑面进入地下开采影响范围和受塌陷影响后岩体的强度指标而定，其稳定系数Fs为：

式中：lj、lk——分别为塌陷范围以外和进入塌陷范围的任一条块底滑面长度；

Wj、Wk——分别为塌陷范围以外条块 j和进入塌陷范围内条块k的重量；

αj、αk——分别为塌陷范围以外条块 j和进入塌陷范围内条块 k的底滑面倾角；

C'、φ'——分别为岩体受到塌陷影响后的粘聚力和内摩擦角。

假设潜在滑面不发生变化，即：

∑li=∑lj+∑lk

则以上受到塌陷影响前后的下滑力是相等的，而部分岩体的抗剪强度参数由原来的C、φ弱化为C'、φ'，即抗滑力相对减小，因此，边坡的稳定性下降，其程度受进入塌陷范围的潜在滑面长度lk和岩体强度参数弱化程度控制，因此，地下开采的空间位置对边坡的稳定性及破坏模式影响显著。

（3）塌陷型破坏

若整个潜在滑面大范围处在地下开采形成的塌陷盆地以内，则边坡发生塌陷破坏，如图4（c）所示。此时，不能再按传统的边坡稳定性计算方法计算岩体稳定性。

5 实例分析

为了证明以上的论述，应用东北大学研发的RFPA强度折减法分析软件RFPA-SRM，结合平庄西露天矿顶帮边坡实际条件，分别对单一露天开采和露井联采2种条件下逆倾边坡的破坏模式及稳定性进行了数值模拟，图5所示为不同条件下边坡破坏后的位移等值线云图。模拟结果表明，不同开采方式作用下的边坡破坏模式不同，单一露天开采时边坡发生滑移型破坏（即不受地下采动影响时边坡发生滑移型破坏），而露井联采条件下边坡发生了滑移－塌陷复合型破坏，且相对于单一露天开采，露井联采条件下边坡的稳定性下降。

图4 露井联采逆倾边坡破坏模式Fig.4 Failuremodelofcounter-tiltslopeundercombinedsurfaceandundergroundmining

6 结论

（1）露井联采条件下，按边坡潜在滑面进入地下开采塌陷范围内的程度，将边坡的破坏模式划分为3种类型：当潜在滑面未进入地下开采塌陷范围内时，边坡发生滑移型破坏；全部进入时，发生塌陷型破坏；部分进入时，发生滑移－塌陷复合型破坏。

（2）地下开采的空间位置对边坡的破坏模式及稳定性有显著影响，其影响程度受进入塌陷范围内的边坡潜在滑面长度和岩体强度参数弱化程度的控制，据此提出了计算露井联采边坡稳定性的极限平衡法。

图5 逆倾边坡破坏模式数值模拟结果Fig.5 Simulatingresultsoffailure modeofcounter-tiltslope

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