倾斜基底内排土场边坡稳定性分析

宋子岭 刘文坊 范军富 杨星辰 曹兰柱

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

露天矿在生产过程中为减少土地占用和缩短剥离运距会将剥离物直接排弃到露天采场的采空区内，形成内排土场。内排土场边坡高大且距离采剥工作面较近，其稳定性直接影响到露天矿能否安全生产。内排土场边坡的稳定性除了与排弃物料性质、基底岩土体性质、边坡形态等因素有关外，基底形态也是影响到其稳定性的主要因素。如果基底倾向与内排土场边坡倾向一致，内排土场边坡转变为顺倾边坡，高大边坡与顺倾边坡并存，必将对边坡安全造成重大隐患。因此对倾斜基底内排土场边坡稳定性进行分析，研究内排土场能否继续推进、采用何种形态推进是保障露天矿安全生产关键。

一直以来，对边坡稳定性的研究得到了国内外学者的高度重视，多种分析方法和数值模拟技术被相继提出和改进。1916年瑞典人彼得森最早提出了用极限平衡条分法来计算边坡稳定性。1996年，美国学者Clough与Woodward开始采用有限元法来分析边坡的潜在滑动模式和破坏结构，此后数值分析法在边坡问题中被广泛使用并不断完善[1]。我国学者陈祖煜、朱大勇、曹兰柱等[2-4]在边坡稳定性的理论计算与数值模拟方面也先后做出了很大贡献。针对顺倾基底边坡稳定性的研究方面，王胜以新疆哈密吉朗德露天矿为依托，开展了非工作帮顺倾层状边坡稳定性分析与优化设计[5]；张信等[6]将边坡失稳判据设定为摩尔-库伦准则，结合强度折减理论，对顺倾软弱基底边坡进行了稳定性分析；陈立云[7]以胜利西二号露天矿排土场为例，对倾斜基底排土场边坡稳定性进行了预测。

学者们虽对边坡稳定性分析做了一定量的研究，但针对倾斜基底对内排土场这种松散岩土边坡稳定性的影响研究较少，尤其是内排土场边坡受倾斜基底影响其稳定性的变化规律及其潜在滑坡模式尚未形成统一性认识。本文以安太堡露天矿内排土场边坡为研究对象，基于强度折减理论，应用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟，以期揭示倾斜基底对边坡稳定性的影响规律，确定其滑坡模式，并最终给出安太堡露天矿内排土场边坡合理的推进平盘宽度，保证露天矿安全生产的同时也为类似边坡工程提供借鉴。

1 工程地质条件及剖面的选取

1.1 内排土场边坡工程地质条件

安太堡露天矿坐落于平朔矿田中北部，一处背斜构造居于本矿田的中心，其西部同时存在向斜构造。目前，安太堡露天矿采场已全部进入芦子沟背斜构造的影响区域，而内排土场则推进到背斜轴的顶部(如图1所示)。芦子沟背斜构造区域宽度为1 200 m，走向为SE—NW方向。由于背斜构造的影响，煤层落差达到270 m，但地表和基岩面下降不到100 m，煤层由近水平煤层过渡为倾斜煤层，11煤底板倾斜角度大，导致内排土场边坡基底倾斜，稳定性受到极大影响。

图1 安太堡露天矿内排土场与背斜构造关系示意Fig.1 Relationship between inner dump of Antaibao Open-pit Coal Mine and the anticline

内排土场作为露天煤矿采场内剥离物的排弃场地，其主要成分包括排弃物本身和基底两个部分。其中，排弃物是土与岩石的松散混合物，而基底则为岩层，排弃物料的强度低于基底的强度。通过对安太堡露天矿岩土体试验成果进行搜集、汇总、分析，结合煤炭科学技术研究院在《井采塌陷对安太堡露天煤矿边坡稳定影响规律研究》和近3年《安太堡露天煤矿边坡稳定性年度评价》中推荐的岩土体物理力学参数，综合确定本次研究的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学指标Table 1 Rock mass physical and mechanical indexes

1.2 计算剖面的选取

为尽可能反映安太堡露天矿内排土场边坡的稳定性，需要选择最具有代表性的剖面作为本次计算分析的基础。结合安太堡露天矿内排土场边坡的工程实际及工程地质勘探结果，在研究区选取了垂直于边坡走向的1702剖面作为计算剖面。在对选取的1702剖面进行边坡稳定性计算和数值模拟的过程中，依据安太堡露天矿内排土场边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害等因素，将其安全储备系数确定为1.2。其中选取的1702剖面地层岩性、地质构造、边坡现状等条件见图2所示。

图2 典型工程地质剖面图Fig.2 Typical engineering geological section map

2 内排土场边坡稳定性分析

2.1 极限平衡分析法

在大量的边坡工程分析和研究中，极限平衡法[8-9]是目前普遍使用的一种定量分析方法。此方法是将滑坡体视为理想条件下的不变形体，将坡体在失稳滑面上发生位移作为坡体破坏的标志。假定滑坡面给定，其规格可以是直面、圆弧面、组合面或其他不规则面，把潜在滑动面以上的坡体用小块体去填充，通过分析临近破坏状态下边坡岩土体在外力与内部强度所提供抗力之间的平衡，计算边坡岩土体在自身与外载荷的单一或共同影响下的稳定程度，大多描述为边坡稳定系数。其中Bishop法适用于典型的圆弧滑动，而剩余推力法适用于任意不规则曲面滑动。本研究所用软件基于简化Bishop法和剩余推力法，会在构建的边坡模型中自动搜索到最危险的滑坡面，并得到该危险滑面的稳定性系数。

2.2 边坡稳定性计算结果与分析

安太堡露天矿内排土场向东推进过程中受到芦子沟背斜地质构造的影响，内排土场没能及时向东推进，加上外排土场没有足够的排土空间，只能采用在芦子沟背斜轴西侧加高、加陡排弃的方式。在1 420 m排弃标高的条件下，对于选取的1702剖面，分别计算内排土场以60、70、80 m平盘宽度沿11煤底板以200 m步距推进时倾斜基底的内排土场边坡的稳定性情况，最终计算结果见表2。为了更直观地了解基底倾斜的条件下，内排土场边坡稳定性与平盘宽度及工程位置的关系，将边坡稳定性结果绘制成折线统计图见图3。

表2 边坡稳定性结果Table 2 Result of slope stability

根据以上1702剖面边坡稳定性计算结果，在倾斜基底的影响下安太堡露天矿内排土场边坡稳定性的变化规律分析如下：

(1)边坡稳定系数随内排土场平盘宽度的增加呈近线性增长，说明随着平盘宽度增加，边坡稳定性得到提升，并且当平盘宽度达到80 m时，内排土场边坡在1702剖面上的各工程位置均满足安全储备系数为1.2的要求。

(a)稳定系数与平盘宽度关系◆—工程位置200 m；■—工程位置400 m；▲—工程位置600 m； ▼—工程位置800 m；△—工程位置1 000 m；●—工程位置1 200 m；

(b)稳定系数与工程位置关系◆—平盘宽度60 m；■—平盘宽度70 m；▲—平盘宽度80 m 图3 边坡稳定性计算结果折线图Fig.3 Broken line chart of slope stability in calculation

(2)平盘宽度为60 m和70 m时，内排土场边坡稳定系数随内排土场工程位置的东移整体呈现出下降趋势，说明边坡稳定性受芦子沟背斜影响，在基底转变为倾斜后，整体稳定性下降。而平盘宽度80 m时，内排土场边坡稳定系数随内排土场的东移呈现出先减小再增大之后趋于稳定的趋势，主要是由于后期排土场底部推进至煤层底部近水平之后，抗滑力逐步增大，使边坡的稳定性得到改善，并在边坡推进到2 200 m工程位置后，倾斜基底对边坡的影响逐渐减弱。

(3)安太堡露天矿内排土场以60 m平盘宽度向东推进时，1702剖面满足安全储备系数1.2要求的临界工程位置为600 m；以70 m平盘宽度向东推进时，1702剖面满足安全储备系数1.2要求的临界工程位置为1 200 m；以80 m平盘宽度向东推进时，1702剖面在工程位置为1 800 m时，稳定系数最小，但满足安全储备系数1.2的要求。所以，排弃标高为1 420 m时内排土场能够通过背斜区域的平盘宽度为80 m。

3 边坡稳定性数值模拟

数值模拟相对于极限平衡分析法考虑了边坡体在变形过程中应力与应变的关系，能较为真实地反映出边坡体的动态力学行为。本次模拟使用的是有限差分软件FLAC3D，采用Mohr-Coulomb准则，以位移不收敛作为滑坡判据，基于强度折减理论计算边坡的稳定性系数[10]。通过对安太堡露天矿稳定系数满足1.2的临界工程位置的内排土场边坡进行数值模拟，揭示芦子沟背斜区域的内排土场边坡滑坡机理，并确定其潜在滑坡模式。

3.1 模型的构建

考虑到安太堡露天矿内排土场边坡工程地质条件的复杂性以及FLAC3D内嵌建模时冗杂的工作量，模拟采用在CAD中提取点数据，然后将数据传给具有强大前处理功能的有限分析软件ANSYS，在ANSYS中建立模型并划分网格，应用ANSYS-FLAC软件将建立的模型转化成FLAC3D可以应用的文件格式,在FLAC3D中进行材料属性赋值，形成最终的模拟模型[11]。为尽可能真实地反应倾斜基底对边坡稳定性的影响，按1∶1的比例构建模型，在模型的两侧侧界面分别施加X和Y水平约束，限制水平面位移为零；在底部设置X、Y、Z方向约束，限制底部边界的水平与竖直位移均为零；模型的顶部界面和边坡坡面为自由边界面；以重力加载方式为模型加载。最后建立的内排土场边坡1702剖面分别以60、70、80 m的平盘宽度向东推进过程中稳定系数满足1.2的临界工程位置的具体模型如图4所示。

图4 1702剖面临界工程位置数值模型Fig.4 Numerical simulation model of critical project position of 1702 profile

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 最大位移变形特征分析

内排土场边坡体内的位移变形和破坏是相互依存密不可分的整体，通常情况岩土体产生变形过程是破坏的先决条件。边坡的破坏、滑动常常是位移变形由量变到质变的结果，通过FLAC3D数值模拟，可得出各模型的临界失稳最大位移云图如图5。

图5 1702剖面临界失稳最大位移云图Fig.5 Maximum displacement cloud of the critical buckling slope of 1702 profile

由图5可知：排土场上部旧排弃物在自身重力和新排弃物压力的共同作用下发生一定沉降，不影响滑坡模式的判断；边坡体内最大位移分布在圆弧侧界面及基底底界面处，说明内排土场的滑坡模式为芦子沟背斜作用下的以松散体圆弧为侧界面、以基底(11煤底板)为底界面的切层—顺层的组合滑动，芦子沟背斜导致的倾斜基底是影响边坡稳定性的主要因素。

3.2.2 剪切应变增量特征分析

边坡的失稳判据明确表示，破坏面上出现突变的应变或位移是边坡发生滑坡破坏的特征。通过剪切应变增量云图与最大位移云图相结合，能更准确分析边坡的滑坡模式。排弃标高1 420 m时1702剖面不同平盘宽度与工程位置的剪切应变增量云图如图6。

由图6可知：最大剪切应变增量主要分布在基底底界面处及松散体危险圆弧侧界面处，剪切应变增量的分布和量值不同；各个平盘宽度的剪切破坏分布和最大位移变形特征一致，更能充分说明芦子沟背斜导致的基底倾斜(11煤底板)是边坡失稳的主要因素。临界失稳最大位移云图及剪切应变增量云图的一致性，进一步证明了内排土场边坡滑坡时滑面形状及滑坡模式。

4 结 论

(1)在背斜区域内，平盘宽度为80 m向东推进到各工程位置时均满足安全系数1.2的要求，安全通过背斜区域的内排土场边坡的平盘宽度应为80 m。

图6 1702剖面临界工程位置剪切应变增量云图Fig.6 Shear strain increment cloud of critical project position of 1702 profile

(2)受到芦子沟背斜构造影响的安太堡露天矿内排土场边坡，其稳定性系数随平盘宽度的增加呈现出近线性增长趋势，随工程位置东移整体呈现出先减小再增大之后趋于稳定的规律。

(3)FLAC3D数值模拟计算结果显示，内排土场上部在自身重力及后续排弃物的压力下产生一定的沉降；确定了内排土场边坡滑坡模式为以松散体为圆弧侧界面、以基底(11煤底板)为底界面的切层—顺层滑动，芦子沟背斜构造导致的倾斜基底是边坡失稳的控制性因素。

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