黑山露天矿边坡失稳模式及破坏机制研究

郭海建

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室 辽宁 抚顺 113122）

边坡稳定性一直是露天矿开采领域研究的热点，不同露天矿的地质条件状况对于各自边坡稳定性的影响范围及程度也有所不同，边坡失稳与破坏问题已经成为影响或制约露天开采的重要难点。如何针对复杂工程地质条件下边坡的失稳模式与破坏机制问题进行研究，是目前露天开采领域迫切需要解决的难题。多年来国内外学者对于露天矿边坡失稳及破坏机制问题的研究取得了长足的进步[1-7]。虽然众多学者对于边坡失稳模式及破坏机制问题进行了分析，但大多专注于常规的边坡形态，这种理想的设定一定程度上忽略了煤柱留设对边坡稳定性的影响。而事实上，煤柱留设方式对边坡失稳及破坏有至关重要的影响，为此，以实际工程为基础，研究了影响边坡稳定性的控制因素，揭示了不同煤柱留设方案下边坡的失稳模式及破坏机理。

1 矿区地质特征

1）地层岩性特征。黑山露天煤矿矿区为高山地形，边坡自下而上由侏罗系和第四系地层及局部分布的烧变岩组成。侏罗系地层主要由泥岩、炭质泥岩、煤及砂岩组成，其中砂岩所占比重大，泥岩及炭质泥岩含量较少。总体上该段岩体完整性差，质量极劣。但其中作为基岩的砂岩胶结表现相对较好，其在饱和状态下岩石试件的抗压强度平均值为24.3 MPa，大于14 MPa，属于较为坚硬的岩类。四系组成岩体结构松散破碎、其总体上完整性很差，但四系岩体分布位置与厚度均有限，对露天开采影响不大。根据地质勘察结果，边坡的组成岩体强度不均一，岩性复杂，存在软岩硬岩相互交叠的现象。虽硬岩含量较高，但除砂岩外的各类岩体的完整性均较差，且质劣。

2）弱层赋存特征。根据已揭露的地层，结合钻孔取样信息，13#煤层中含有力学性质软弱的炭质泥岩，厚度约为0.6～4.45 cm，软弱层以泥质胶结为主，含炭质，软塑状，其抗剪强度较低，黏聚力为10 kPa，内摩擦角为12°，易构成滑坡体的底滑面。

2 边坡数值模拟

2.1 岩土体物理力学指标

以不同煤柱留设方案为典型剖面，根据以往地质资料及试验成果，综合确定了边坡岩土体的物理力学指标。不留设煤柱边坡设计方案剖面如图1，留设煤柱边坡设计方案剖面如图2。用于计算边坡稳定性的力学指标见表1，其中黏聚力、内摩擦角和密度用于极限平衡计算。

图1 不留设煤柱边坡设计方案剖面图

图2 留设煤柱边坡设计方案剖面图

2.2 FlAC3D 计算原理

严格意义上讲，滑坡是否产生应当归纳入空间力学问题范畴内，在分析边坡失稳模式或破坏机制应站在三维的视角来看待。然而三维分析方法的模型生成往往复杂繁琐，运算过程费时，不利于在工程设计上大范围的应用。同比，二维分析方法则具有运算结论精度良好与计算便捷的优点。故而，工程设计上常以二维分析方法取得一定成果后再引入三维分析方法论证[8-10]。此举既可以缩短求解费时的过程，又可对比两类方法取得的结果，提高设计与工程实际的贴合度。FLAC3D软件基于快速拉格朗日差分法在弹、黏弹、塑、黏塑性等材料领域问题的求解上表现出色，其对于任何几何形状的几何体均可进行线性或非线性分析。同时，该软件还能一定程度上考虑边坡岩体的非均质性与不连续性，规避了类似极限平衡分析法中将滑体简单定义为刚体的缺陷。同时避免了工程中人为因素的影响，将不同支护效果及材料本身特效纳入计算中考量。因此，拟采用大型岩土工程分析软件FLAC3D对露天煤矿边坡失稳模式及破坏机制进行分析。FLAC3D数值模拟分析边坡稳定性，主要根据边坡临界失稳时岩土体强度折减特性进行分析，其强度折减系数Ks即为边坡安全系数。其抗剪强度折减公式如下：

表1 岩土体物理力学指标

式中：c、φ 为折减前的黏聚力和内摩擦角；c′、φ′为折减后的强度参数；Ks为强度折减系数。

2.3 数值模拟方案

为了研究不同煤柱留设方案下边坡的变形破坏规律，利用CAD 软件简易的三维造型工具构建模型的基本框架，将生成的点、线数据导入ANSYS 软件生成模型的面、体形态并进行相应的网格划分，提取的节点、单元信息最终导入FLAC3D软件生成模型。然后，利用Fish 语言编辑相应的强度折减命令流，将不同岩层对应赋值，边界约束条件为：水平两侧约束为0，底部水平及垂直方向约束为0。在垂直方向上为重力加载，设置计算精度为9.8×10-5。

1）不留煤柱设计方案边坡稳定性数值模拟。不留设煤柱方案计算模型图如图3，煤柱方案1#～3#监测点水平方向监测曲线如图4，中1#～3#水平位移监测点分别位于水平标高＋2 550 m 坡肩、＋2 505 m 坡肩、＋2 465 m 坡脚。

图3 不留设煤柱方案计算模型图

图4 不留设煤柱方案1#～3#监测点水平方向监测曲线

2）留煤柱设计方案边坡稳定性数值模拟。留设煤柱方案边坡计算模型图如图5，留设煤柱方案1#～6#监测点水平方向监测曲线如图6，1#～6#水平位移监测点分别位于水平标高＋2 610 m 坡肩、＋2 565 m坡肩、＋2 505 m 坡肩、＋2 430 m 坡肩、＋2 420 m 坡脚。

图5 留设煤柱方案计算模型图

图6 留设煤柱方案1#～6#监测点水平方向监测曲线

3 模拟结果与分析

不留设煤柱方案边坡稳定性数值模拟云图如图7，留设煤柱方案边坡稳定性数值模拟云图如图8。

图7 不留设煤柱方案边坡稳定性数值模拟云图

由图7 得出，2#和3#监测点位移较大，边坡位移云图中位移最大区域为边坡中下部，二者现象相符，说明边坡破坏主要由下部岩体牵引边坡整体沿弱层位置发生滑动；由边坡应力云图可知垂直方向的应力在空间上分布匀称且随着埋深的提高渐变增长；由边坡临空面向坡体内部水的平应力大小亦呈增长态势，水平方向的应力在空间上的分布也变现出一定的层状特性，但在坡肩与坡面转折位置分布不连续，同时坡脚处也表现有应力集中的现象，这是边坡模型形变产生的主要原因之一。

图8 留设煤柱方案边坡稳定性数值模拟云图

由图8 可知，1#～4#监测点水平位移较大，5#、6#监测点位移较小，而边坡位移云图中，位移最大区域为边坡中上部，下部较小，说明边坡破坏主要由边坡上部岩体推动下部岩体沿弱层发生滑动；由边坡应力云图可知边坡模型产生形变较大的区域均分布在坡肩与坡面转折位置，而坡脚处形变量则相对较小。可见在模拟运算过程中，边坡模型上部岩体首先失去平衡产生形变并挤压推动下部岩体使模型发生进一步破坏，其力学机制符合推动式滑坡的定义。

结合边坡数值模拟位移云图、应力云图计算结果，并通过对比分析图4、图6 的监测点水平方向曲线，不同煤柱留设方案下边坡水平方向位移特征主要体现在2 个方面：煤柱留设方案中边坡下部位移特征较为明显，越靠近边坡下部，变形位移量越大，不利于边坡的稳定。煤柱留设方案中边坡下部变形移动特征不明显，且变形范围较小，坡脚应力集中较弱，有利于边坡的稳定。综上所述可知，边坡的失稳模式为边坡岩土体在自身重力的作用发生以圆弧为侧界面、以弱层为底界面的组合式滑动。

4 结语

1）边坡的失稳模式为以圆弧为侧界面、以弱层为底界面的组合式滑动，弱层是影响边坡稳定性的主要因素。

2）留设煤柱边坡模型变形破坏的力学机理符合牵引式滑坡的定义，不留设煤柱边坡模型变形破坏的力学机理符合推动式滑坡的定义，靠近临空面的水平应力分布不连续与应力集中现象是边坡形变产生的内在原因。