受井采影响排土场边坡失稳破坏机理数值模拟研究

王韬

（神华准能集团黑岱沟露天煤矿，内蒙古准格尔010300）

受井采影响排土场边坡失稳破坏机理数值模拟研究

王韬

（神华准能集团黑岱沟露天煤矿，内蒙古准格尔010300）

针对受井采影响露天矿排土场边坡稳定性问题，基于数值模拟方法，以黑岱沟露天矿阴湾排土场为例,在对边坡工程环境充分掌握的基础上，深入分析了边坡失稳破坏机理。

井采；排土场边坡；失稳破坏机理；数值模拟

0 引言

近年来，为充分回收煤炭资源，露井联（协）采模式在我国各大露天矿区逐渐发展起来。露井联（协）采兼具露天开采与井工开采的特征，特别是井采影响范围内以排土场边坡为代表的露天矿边坡的稳定性成为边坡工程部门急需解决的重要课题[1-3]。

边坡失稳破坏机理的研究是边坡稳定性研究的基础。对于受井采影响露天矿边坡的稳定性问题已开展了大量工作，如王振伟[4]在理论与实际相结合的基础上对井采影响下黄土基底排土场边坡变形机制和滑坡机理进行了研究；王振伟等[5]井采影响下黄土基底排土场边坡变形演化规律进行了研究；李伟等[6-7]采用变形监测方法研究了井采因下下排土场边坡的变形特征和规律。但是采用数值模拟对井采影响排土场边坡失稳破坏机理的相关研究仍然较少，而数值模拟作为一种科学合理的研究方法，有必要开展相关研究，以对井采影响下排土场边坡安全管理提供科学指导。

以黑岱沟露天矿阴湾排土场为例，采用数值模拟方法研究受井采影响区域边坡失稳机理。相关研究可以作为阴湾排土场边坡稳定性分析的依据，也可以为条件类似矿山提供参考。

1 工程概况

阴湾排土场是黑岱沟露天矿外排土场，位于首采区西南部，紧邻大准铁路南坪支线。长期以来，阴湾排土场表面受雨水冲刷严重，坡面冲沟发育。受力量煤业排矸、排水作业以及大气降水明显增加和不及时疏排等多种因素综合影响，阴湾排土场南部原水坑区域水位上升，目前已经超过1 140 m标高，淹没阴湾排土场南部最下层的1 132～1 140 m水平的台阶。同时，受力量煤业大饭铺煤矿井工开采影响，阴湾排土场已经出现大范围地表裂缝，边坡表面出现大幅度不均匀沉降（沉降量级达10 m）及朝向临空面的3 m以上矢量位移的大变形，并伴随有西北部坡底的严重底鼓挤断输水管线等不利现象。目前正在进行6112接续工作面推进，塌陷影响显现。随着力量煤业井采工作面继续向南发展，将直接影响阴湾排土场原滑坡影响区的稳定。有必要对边坡失稳破坏机理开展相关研究，并在此基础上分析边坡稳定性。阴湾排土场井采影响区示意图如图1所示。

图1 阴湾排土场井采影响区示意图

2 边坡工程环境分析

2.1 工程地质条件分析

场地地层从上至下主要由排弃物、冲积物及新近系粘土岩和下伏二叠系砂岩、粉砂岩、砂质泥岩组成。

第1层：排弃物，褐黄色，以粉砂岩废弃物为主，稍有湿润，松散-略微致密状态。

第2层：粉土（Q4），为冲洪积、残坡积和坡积物，岩性以灰黄色、灰褐色细沙、粉沙、亚沙土和亚黏土为主，含少量腐植土，含氧化物和云母等。稍有湿润，因受大好赖沟冲刷影响，厚度不均。

第3层：黏土和粉质黏土（Q3），浅黄色、黄褐色，成分以亚砂、亚黏土为主，夹黏土层，具垂直节理，含层状钙质结核及少量铁质。该层与下伏隔水层接触，稍有湿润，在该排土场中东北处尖灭。

第4层：泥岩和泥质粉砂岩（P），黄褐色-紫色，斜层理发育，胶结中等，较稳定。矿物成分以长石和石英为主，局部有氧化铝矿物。与上覆黄土层呈角度不整合接触。

第5层：砂岩（P），深灰色～紫红色，中等风化，块状结构。成分以细砂岩、泥岩、砂泥岩为主，矿物以长石、石英为主。表面粗糙，岩层厚度较大。该层节理裂隙较为发育，总体呈北倾产状。

2.2 水文地质条件分析

阴湾排土场位于鄂尔多斯高原东北部，东临黄河，表层覆盖厚层黄土。因该地区气候干旱，植被稀少，雨水集中，导致大量水土流失，树枝状冲沟较为发育，这种具沟谷地形的地貌有利于地表径流，降雨可迅速被排泄掉。

区域内发育有数10条树枝状冲沟，主沟为大好赖沟，在排土场西侧中部，由南延伸。经过现场踏勘，主沟和支沟基本无水，局部地区有少量地下水渗出。但是，由于排土场物料的堆积，破坏了地表径流条件，在雨季或暴雨过后，大好赖沟汇水无法疏排。

该区域底层主要有排弃物、粉土、粉质黏土。其中粉土和排弃物均为透水层，强风化泥质粉砂岩和上伏粉质黏土为相对隔水层。由于该地区3月初开始春融，在蒸发作用下，冻土现象逐渐消失。该区域粉质黏土层渗透率很低，以至于支持毛细水不能很快渗透到地面，无法蒸发，导致该土层在很长一段时间内出现过饱和的情况。

地下水补给来源为大气降水、冻土融化，由于地表流径的破坏，大量降水渗入地下土层。在隔水层上部土层含水较高。

2.3 稳定性影响因素分析

1）边坡作用力发生变化。在边坡的顶部建造建筑物或堆叠材料使坡顶受荷，或因车辆行驶、爆破、打桩等引起振动而使原来平衡状态发生变化。

2）土体抗剪强度降低。雨雪天气会使土体中孔隙水压力或含水量增加，降低有效应力，导致土体抗剪强度降低。

3）水压力的作用。地面或雨水流入排土场中的竖向裂缝，边坡侧向压力增加，导致边坡滑动。因此黏性边坡的裂缝会导致边坡不稳定，导致滑坡。

4）井工开采影响。井工开采引起覆岩破坏，导致边坡失稳。

此外，还有边坡岩土体的地质构造及岩石力学性质，边坡的坡度与坡体形状，以及边坡中地下水渗流所产生的渗流力等，都是边坡失稳的重要因素。

3 边坡失稳破坏机理研究

3.1 露天矿边坡失稳破坏机理分析

露天煤矿滑坡破坏模式主要有曲线型滑坡破坏模式和组合滑动破坏模式2种，前者主要存在于第四系土层和采场岩质无明显弱层的边坡，后者主要存在于岩质且含有明显软弱夹层的边坡。

3.1.1 曲线型滑坡破坏模式分析

该类型滑坡其滑坡破坏模式分析采用非线性大变形有限差分软件FLAC，计算结果曲线型滑坡位移矢量场图如图2及曲线型滑坡最大剪应变场图如图3。该类型边坡主要呈现为坐落式曲线型滑动，在滑动边坡顶部出现明显的张拉裂缝，待滑动面上锁固段临界值被剪断后，表现为沿坡脚剪出破坏形式。

图2 曲线型滑坡位移矢量场图

图3 曲线型滑坡最大剪应变场图

3.1.2 组合滑动破坏模式分析

对岩质边坡内软弱夹层发生滑动破坏的边坡地质模型进行概化分析，构建数值计算模型。计算结果组合滑动型滑坡位移矢量场图如图4及组合滑动型滑坡沿软弱滑动接触面的剪切应力分布图如图5。该类型边坡滑坡破坏呈现为上部圆弧滑动，下部沿软弱接触面（夹层）滑移，而后导致整体沉陷滑移破坏。

图4 组合滑动型滑坡位移矢量场图

图5 组合滑动型滑坡沿软弱滑动接触面剪切应力分布

由以上分析可知，对于基底无弱层的排弃物料型边坡，边坡破坏模式主要以曲线型破坏模式为主。而对于有基底水存在的情况，基底岩土体易演变形成潜在弱层，边坡破坏模式主要以组合滑动型破坏模式为主。

3.2 阴湾排土场现状边坡破坏模式分析

3.2.1 分析模型

根据阴湾排土场工程地质模型，本次选取YW-1剖面进行数值分析。YW-1计算模型沿边坡倾向长度为1 100 m，边坡最大垂直高488 m。模型中排弃物料和砂岩、泥岩、6#煤均采用理想的弹塑性模型来描述，参数取值见表1。

表1 阴湾排土场边坡岩体强度取值

3.2.2 数值模拟结果分析

由于阴湾排土场下方存在井采区，6#煤回采钱，边坡的位移矢量速率分布如图6所示，边坡的位移矢量几乎沿排土台阶坡面方向，边坡剪应变率云图如图7所示，边坡呈圆弧形滑动破坏模式。

图6 YW-1剖面位移速率云图

6#煤回采后，其应力场发生了改变，边坡剪应变情况如图8所示，坡体内应变进一步增加，对边坡稳定不利。

边坡塑性区发展如图9所示，由于6#煤回采，6#煤上方覆岩产生垮落，造成明显的应力集中；而排土场边坡位置位于井采的岩移影响范围内，造成了边坡中塑性区的贯通，边坡有失稳风险。虽然排土场已停止排弃，但后期仍应注重巡查，避免滑坡事件的发生造成大的损失。

图7 YW－1剖面剪应变率云图

图8 6#煤回采后YW－1剖面剪应变率云图

图9 6#煤回采后YW－1剖面塑性区

3.3 边坡稳定性研究

在井工开采过程中，6#煤以上岩层及排弃物将发生沉降，覆岩破坏，导致排土场边坡表面出现裂缝及塌陷。根据力量煤业井采工作面的初设资料查得：井工开采区域表土层岩移角取45°；基岩层岩移角取70°。采用M－P法、Bishop法2种计算方法对边坡在自然状态下局部、整体稳定性及可能存在的圆弧滑动及圆弧－直线组合滑动模式分别进行了计算分析；考虑井采工作面和岩移角共同影响下，计算过程中对阴湾研究区域剖面参数进行相应的弱化。计算结果见表2所示。

表2 阴湾排土场现状边坡稳定性分析结果

阴湾现状边坡大多符合永久边坡Fs＞1.20的要求。YW－1剖面台阶4计算所得安全系数为1.01，安全系数较小的原因是单台阶坡面角较大48°，该台阶存在片帮风险，需加强巡查或采取放坡措施。同时由于井采塌陷的影响，阴湾排土场区域随着工作面的顶板垮塌，地表将出现裂缝和沉降，应定期巡查，及时对地表裂缝进行充填处理。

4 结论

在分析边坡工程环境的基础上，采用数值模拟方法对边坡变形破坏机理进行了研究，得出以下结论：

1）阴湾排土场受到力量煤业井采的影响，边坡内部应力集中加剧，塑性区面积增加，有失稳风险；

2）基底水是否存在对失稳破坏模式有重要影响；

3）考虑可能的2种失稳破坏模式，采用极限平衡法对边坡稳定性进行了分析，表明数值分析结果可靠。

［1］吕俊伟，杨天鸿.井采条件下安家岭排土场边坡稳定性分析［J］.露天采矿技术，2007（5）：13－16.

［2］王振伟，王来贵，王建国.井采影响下边坡岩体变形破坏规律研究［J］.矿业研究与开发，2009，29（2）：13－15.

［3］秦建民，宋子岭，尚文凯.安家岭露天矿井采影响下北帮边坡变形规律研究［J］.露天采矿技术，2011（2）：22－24.

［4］王振伟.井采影响下黄土基底排土场边坡稳定性研究［D］.抚顺：煤炭科学研究总院，2006.

［5］王振伟，王建国，于永江.露井联采条件下黄土基底排土场变形演化规律［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008，27（2）：165-167.

［6］李伟.露天煤矿排土场边坡稳定性分析与治理技术［J］.煤炭科学技术，2014，42（10）：37-40.

［7］李伟，张忠超，马明.井采扰动排土场边坡监测与变形特征研究［J］.露天采矿技术，2016，31（9）：30-33.

【责任编辑：解连江】

Study on slope instability mechanism numerical simulation under the influence of underground mining

WANG Tao
(Heidaigou Open-pit Mine,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

According to slope stability problem under the influence of underground mining in open-pit dump,based on numerical simulation method,the article takes Yinwan Dump in Heidaigou Open-pit Mine as an example,deeply analyzes the slope instability mechanism on the basis of fully mastering the slope engineering conditions.

underground mining;dump slope;instability mechanism;numerical simulation

TD824.7

B

1671－9816（2017）08－0010－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.003

王韬.受井采影响排土场边坡失稳破坏机理数值模拟研究［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：10-13.

2017-03-09

王韬（1989—），男，内蒙古鄂尔多斯人，助理工程师，2012年毕业于辽宁工程技术大学，现任神华准能集团黑岱沟露天煤矿生产技术部边坡主管。