大南湖露天矿边坡变形破坏机理研究

陆卫国

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖二矿，新疆哈密 839000）

研究露天煤矿边坡变形破坏机理对减少滑坡事故造成的人员伤亡和财产损失有着重要的现实意义[1－2]，很多学者对此进行了研究。张艳博等[3]采用MSARMA法对边坡稳态影响因子敏感性进行分析，得到了影响边坡稳定的诱发因素和环境因素；曹兰柱等[4－5]从控制边坡稳定性角度出发，结合数值模拟提出了解决边帮压煤问题的开采方法，同时基于强度折减原理，利用FLAC3D模拟分析出断层变化下边坡的滑移模式及稳定性变化规律，阐明了边坡变形破坏机理；王东等[6－7]通过分析监测数据以及滑坡变形反分析，利用极限平衡法和数值模拟方法得到了不同压帮高度条件下边坡稳定性变化规律。近年来，FLAC3D数值模拟软件在边坡变形破坏分析、边坡参数优化和边坡稳定性分析等方面得到了广泛的应用[8－9]，为此，在这些研究基础上通过FLAC3D数值模拟软件，选取大南湖矿非工作（东北）帮边坡、东帮和南帮的各1个剖面，分别建立计算模型，在此基础上分析边坡岩土体位移、变形和应力情况。

1 工程概况

大南湖矿区西区位于国家大型煤炭基地新疆基地吐哈区东部，属大陆温带极干旱气候区，全年降水量不足50 mm，地层分布自下而上依次为：下侏罗统三工河组（J1s）、中侏罗统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）、古近系、新近系、第四系。矿田构造基本由1组北东向和近南北向的褶曲组成，伴有少量断层，未见岩浆岩影响。2019 年底大南湖二矿已降深至+335 m水平，露天矿平均垂深120 m，目前采场东北帮已形成12 个到界台阶、东帮已形成8 个到界台阶、南帮已形成4 个到界台阶，个别到界台阶形成时间已超过3 年，且目前距采场东北帮开采境界约50 m 处为高度约100 m 的陡坡、距东帮地表境界约250 m 处为设计排弃高度60 m 的外排土场、距采场南部边界约200 m 处为储量约5 000 万的烧变岩赋水区域，这些自然条件均对边坡稳定不利。随着开采深度、时间、产量规模的不断增加，边坡稳定性问题愈发突出，边坡稳定与否将直接影响露天矿生产的连续性，人员、设备与周边设施安全。

2 露天矿边坡破坏模式与特征

2.1 边坡变形破坏模式

露天矿坑周围边坡在剥离开采过程中会产生变形破坏，按其发生形态可分为剥落、崩落、滑动、沉降、流动等几种基本形态。

1）剥落破坏模式。是指台阶顶面附近存留的破碎，稳定性低的泥土和岩石，在风化、爆破作用和运输机械等振动作用下，这些破碎泥岩土破坏失稳并沿坡面滚落堆积在坡底附近。露天矿边坡破坏经常出现这种现象，尤其是在岩石强度比较低的矿山中更为常见。

2）崩落破坏模式。是指边坡上存在的各种形状的土体、岩块，当这些物质向下移动、坍塌和翻滚，引起彼此之间的相对位移，由于岩体内部存在一定倾角节理，层理等结构面，形成崩落现象。这种现象发展速度不一，大多数情况下比较突然。

3）滑动破坏模式。是指边坡岩体和土体沿其内部某一固定面、带或沿其基地面进行整体移动。一般来说，滑动破坏模式周期时间不一，短则几十分钟，长则几个月甚至几年时间。滑动初期岩体变化速度慢，直至解体至完全崩落。滑动破坏模式表现形式有平面滑动、楔体滑面、圆弧形滑面等，一般来说，露天矿边坡破坏形态由几种不同类型形态组合形成。

4）沉降破坏模式。是指边坡上原有松散土岩结构在其自重或者设备机械产生的压力及重力作用下产生的竖直方向的下沉变形破坏，沉降变形一般常出现于排土场边坡结构中。

5）流动破坏模式。是指饱水的松软土岩以4°～6°甚至更缓的坡角沿台阶表面、基岩面或地面沟谷呈流动移动，流动多发生在排土场。

2.2 边坡破坏的表现特征

1）边坡产生滑体现象，前端隆起突出，受上部滑体部分的挤压使得较软弱夹层产生流变性，滑体前端呈现波浪状凸出部分，随着凸出部分高度的增加，自凸出脊梁处开始产生破坏并逐渐增大，以致破坏区域向四周延展，突破铺着黄土的阻抗，整个滑面（带）被贯通，“空洞化”迅速形成，填完后物体，形成整体的滑坡。

2）根据滑体内部位移向量的变化特征，可根据其特征，从上到下将其分为3 个不同的区间：上部主动段、中部过渡段、前缘隆起期。

3）滑坡变化过程，根据其发育变化特征将其发育变化过程整体压缩阶段、裂隙生成阶段、挤压阶段、滑移阶段、剧滑阶段和固结阶段6 个不同的发育阶段。

3 露天矿边坡破坏数值计算结果

结合该矿实际情况和露天矿边坡破坏模式与特征分析，有针对性的选取了非工作（东北）帮边坡、东帮和南帮各1 个剖面，使用FLAC3D分别建立计算模型模拟分析边坡岩土体位移、变形和应力情况。

3.1 非工作帮（东北帮）边坡破坏模式

非工作（东北）帮现状边坡数值模拟云图如图1，非工作（东北）帮2019 年底设计边坡数值模拟云图如图2。

非工作（东北）帮的变形主要在原风化形成的边坡区域，以水平方向变形为主，沿岩土分界层发生滑动。在非工作帮边坡开挖区域形成边坡，沿坡面出现剪应力集中区域，当未形成明显的位移变形区域。而2019 年底设计开挖后，在速度云图（图2（g））中在开挖区域形成速度变形区域，而总位移（图2（a））及水平位移（图2（b））中边坡未见该区域的变形，通过2019 年底设计边坡位移减去现状边坡位移量后，在开挖区域出现采动引起的位移变形如（图2（h）），开挖引起应力释放，形成位移变形，当对边坡变形影响较小。因此，非工作（东北）帮滑动危险区域为，原地表边坡，滑动模式为沿基底岩层滑动。

3.2 工作帮（东帮）边坡破坏模式

东帮现状边坡数值模拟云图如图3，东帮2019年底设计边坡数值模拟云图如图4。

图1 非工作（东北）帮现状边坡数值模拟云图

图2 非工作（东北）帮2019 年底设计边坡数值模拟云图

图3 东帮现状边坡数值模拟云图

图4 东帮2019 年底设计边坡数值模拟云图

东帮的变形主要在剥离形成的岩石边坡区域，主要以水平方向变形为主，指向边坡临空面。剪应力在边坡坡脚有出露趋势，但未形成明显的集中现象。在现状边坡与2019 年设计边坡中未形成整体滑动变形。而2019 年底设计开挖后，在速度云图略中在形成大范围的速度变形区域，而总位移（图4（a））及水平位移（图4（b））中仅在边坡坡脚出现大变形；通过2019 年底设计边坡位移减去现状边坡位移量后，在开挖区域出现采动引起的位移变形图略，与总位移和水平位移出现区域吻合，因此，东帮变形区域主要为开挖引起的位移变形；但边坡速度云图中，岩层出现变形区域大于位移变形区域。

3.3 工作帮（南帮）边坡破坏模式分析

南帮现状边坡数值模拟云图如图5 与南帮2019 年底设计边坡数值模拟云图如图6。

图6 南帮现状边坡数值模拟云图

图6 南帮2019 年底设计边坡数值模拟云图

南帮的变形主要在剥离形成的岩石边坡区域，主要以竖直方向变形为主，边坡向临空面有局部水平位移，在现状边坡与2019 年设计边坡中未形成整体滑动变形。而2019 年底设计开挖后，在速度云图（图6（f））和水平位移（图6（b））中在形成大范围的速度变形区域，而总位移（图6（a））在边坡坡脚开挖区域形成竖直向的位移变形；通过2019 年底设计边坡位移减去现状边坡位移量后，在开挖区域出现采动引起的位移变形见（图6（g））所示，与水平位移和速度云图出现区域吻合。因此，南帮变形区域主要为开挖引起的位移变形。

4 结论

根据矿区2019 年对非工作（东北）帮、东帮和南帮边坡数值模拟可知，矿区主要变形为剥离开采引起应力释放造成的位移变形，边坡均为形成明显的滑动模式。①非工作（东北）帮的变形主要在原始地表风化形成的边坡区域，以水平方向变形为主，非工作（东北）帮滑动模式为沿基底岩层滑动；②东帮的变形主要在剥离形成的岩石边坡区域，以水平方向变形为主，指向边坡临空面，现状边坡与2019 年设计边坡中未形成整体滑动变形趋势；③南帮的变形主要在剥离形成的岩石边坡区域，以竖直方向变形为主，边坡向临空面有局部水平位移，在现状边坡与2019 年设计边坡中未形成整体滑动变形趋势。