哈尔乌素露天煤矿端帮边坡角对边坡稳定性的影响研究

高富强，刘智超，陆 翔

（1.中国神化哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

露天煤矿边坡稳定性一直是矿山企业重视的首要安全问题。在边坡安全范围内适当提高边坡角度能够大大增加矿山企业的经济效益。露天煤矿开采中的靠帮开采是指在保证露天矿边坡安全和正常生产的情况下，通过加大端帮边坡角来提高煤炭回收量（生产过程）或者减少露天矿剥离量（设计过程减少补充扩帮量）的开采方式[1-2]。对生产过程实行的靠帮开采实际上是在开采过程中对露天矿开采境界的二次修正。靠帮开采虽然能够有效增加企业生产效益[3]，但是靠帮过程中伴随着边坡角度的增加，使边坡安全性逐渐降低，因此有必要对靠帮过程进行边坡稳定性分析[4-5]，明确端帮角度的提升对边坡稳定性的影响。

1 靠帮开采的可行性前提

目前在国内，靠帮开采技术还没能够成为露天煤矿开采的一个生产工艺，并形成完整的理论依据。但是，该方法已经逐渐在各个露天煤矿进行了实施，用以提高企业效益。靠帮开采技术常用于进行压帮内排前来提高资源回收率。在采用内排的露天矿山，端帮在开挖后，随着内排场的推进，端帮又被掩埋。掩埋后，端帮也就失去了自由滑动面。换句话说，端帮的服务时间是指从开挖到被掩埋的整个过程。其实，这也就是需要在端帮的服务时间内保持端帮的稳定。内排土场和采场的同时推进，使得端帮暴露的时间减少，为加大端帮帮坡角、实施靠帮开采提供了可能。同时端帮的边坡维护时间也相应的减少，降低了边坡治理的投入。但是由于在靠帮过程中对端帮的扰动作用大，所以靠帮开采首先需要解决的就是边坡的端帮稳定性问题。在衡量一个端帮是否可以进行靠帮开采时，应该具备的基本条件为：

1）可进行端帮靠帮开采的最基本前提是边坡安全性前提，因为边坡角度的增加必然会带来边坡安全性的降低。露天端帮帮坡角可以提高的原因是设计时帮坡角的稳定性系数取的比较大；内排土场的投入使用加快了端帮的掩埋，使得端帮边坡暴露面积大大减小，端帮存在时间变短[6]。

2）在确定端帮安全性后，就要计算陡帮位置的经济效益。陡帮的目的主要是将下部煤层的煤炭开采出来，剥离工作较少，陡帮过程中通常剥采比都要少于正常生产中的剥采比，所以经济效益都比较可观，但是也要做好煤层的勘探分析工作，合理确定可能地可采量[7]。

3）靠帮开采时对端帮进行开槽也要保证铲车和卡车的采掘、运输有足够的空间，各个工序之间不会产生干扰，以实现对端帮压煤的有效回收。因此必须保证生产的正常进行，运输通道的畅通，同时保证不影响工作帮和内排土场的正常作业。

2 数值分析过程

由于边坡稳定性系数的确定受多方面因素的影响，在工程实践中大多采用基于各种假定条件的简化计算方法进行安全系数的计算。FLAC/SLOPE是一款专门应用于解决岩土边坡工程问题的软件，在进行边坡应力、可靠性分析有着非常广泛的应用。由于在计算过程中采用显式算法对模型的运动方程，所以随着计算的进行，可以观察到边坡岩体的变形发育、渐进破坏和垮落的完整过程，并根据节点变形数据和单元应力值反映边坡整体的应力、应变速率等情况，因此在分析边坡的稳定性中非常实用。在露天煤矿边坡安全研究中，也可以对边坡的结构、力学参数等进行研究[8-9]。该软件可以在绘图面板直接建立地层，实现快速建模。具体来说，每项边坡分析都需要经历4个阶段，即建模阶段（建立线形、非线性、阶梯形和堤坝模型）→赋值阶段（指定分层、材料、弱面、荷载、含水层和加固结构）→计算阶段（可选择粗略计算，中等计算，精确计算或用户自定）和输出阶段（显示滑坡面并记录结果）。另外，工程中创建的所有模型及模拟结果都可以保存，工程文件可以方便的重建，其结果也可以快速输出。

由于FLAC的计算结果主要为岩体的变形破坏情况，所以该模拟结果更侧重于对岩土体破坏机理的分析，为了能够直观的反映边坡是否破坏的指标稳定系数，从而在数值模拟的基础上引入了强度折减法来融合了这2方面的优点。上述将强度指标的储备作为安全系数定义的方法是被工程界广泛承认的一种做法。在分析边坡的稳定问题时，大多采用安全系数来衡量滑坡体的稳定性，并根据安全系数采取相应的边坡治理措施，如削坡减载、各种挡土墙、抗滑桩、预应力锚索等。

3 端帮边坡稳定性分析

3.1 地质概况

通过地质条件调查发现，该地区的含水地层为寒武系、奥陶系的石灰岩地层，但是在矿区的煤田内并未发现，所以基本不存在大量涌水的问题，矿区内的水文地质条件整体上属于简单型。矿区内所有地层中可能会受到水影响的地层为表面的第四系黄土层以及上新统地层，水源为大气降水。

煤系地层内只有4#～9#号煤层之间部分砂岩层为含水层，而且含水层的厚度和范围均较小。煤层的顶底板为渗透性差的泥岩层和砂质泥岩层，隔水性能好，使得其它岩层几乎处于无水状态，仅在裂隙中少量含水。

第四系土层中，主要为黄土层，此种土壤对工程建设极为不利，在正常压力下遇水则会产生较大的变形，强度急剧降低。第三系上新统为棕－深红色黏土和亚黏土互层，此层厚度不大，在矿区内零星分布，是遇水极易产生变形和强度降低的软弱层。

3.2 FLAC/SLOPE边坡数值分析

由于上部两地层的力学强度最差，在进行边坡稳定性计算的过程中，通常都是最易发生滑坡失稳的1层，所以在实际过程中设计端帮边坡角度时，将表面的第四系黄土层边坡角单独设置为30°，同时为了避免黄土层在降雨时流向下部工作平盘，在上新统地层预留了宽度为30 m左右的保护台阶。所以从整体上来看，整个端帮构成了一个组合台阶。

在模拟分析过程中，对模型的力学参数、模型高度均不进行改变，唯一研究对象为边坡角度。模型的约束条件为底部在x、y方向全约束，右侧设置为x方向约束，模拟采用Morl－Columb屈服准则。模型内的岩层由上至下依次为第四系黄土层、第三系上新统、二叠系石盒子组、二叠系山西组、1＃煤层、夹层、2＃煤层、夹层、3＃煤层以及底部砂岩。

模型分析时，下部边坡角的变化从35°开始，一直到55°，其中部分角度的模拟结果如图1。

图1 不同边坡角度下的端帮位移矢量图

图1（a）～图1（h）仅是选取了模型验算结果中的几幅图形，由端帮位移矢量结果图中可以看出，当边坡角增大后，出现位移的单元块体持续增加，位移矢量越来越密集，最大剪应变迅速增大，而且剪切破坏区域随着边坡角度的增加逐渐形成贯通区域，稳定系数则迅速下降，边坡失稳的概率进一步增加。

不同边坡角端帮边坡稳定系数如图2。根据安全系数计算结果以及边坡的位移矢量云图，可以发现，当仅对端帮模型的坡面角进行调整时，端帮边坡角的增加会使边坡的稳定性变差。当边坡角度达到46°时，边坡安全系数首次出现了小于1的状态，所以边坡角度达到46°时的端帮可能会立即发生滑坡失稳，因此确定哈尔乌素露天煤矿端帮临界设计角度为46°。当端帮边坡角度超过47°后，安全系数的下降趋势开始变得急剧，平均每增加1°，安全系数下降0.05～0.07。但是根据云图的分布可以观察到滑坡的范围随着边坡角度的增加有了减小的趋势。

图2 不同边坡角端帮边坡稳定系数

4 结论

通过使用FLAC／SLOPE软件对哈尔乌素露天煤矿南端帮进行了靠帮过程中的边坡稳定性分析，建立了不同角度的端帮边坡模型，使用强度折减法详细地研究了边坡角从35°～55°每个角度对应的安全状态以及安全系数。研究发现，在靠帮的过程中，端帮边坡角越大，边坡岩体的位移量越大，剪切破坏区域逐渐形成了贯通区域，稳定系数则迅速下降，边坡失稳的概率进一步增加。当边坡角度达到46°时，已经不再允许继续靠帮开采。