L115 机道安全距离确定与边坡稳定性研究

高明强

（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古 通辽 029100）

由于极限平衡法无法考虑边坡的应力应变问题，国内外专家学者将数值分析方法引入到边坡工程领域[1-3]。随着建模技术的逐步成熟，数值分析方法也广泛应用于工程实际中，主要分为3 大类：有限元法、离散元法、有限差分法。有限元法最为常用的软件为ANSYS、ABAQUS，离散元法最为常用的软件为UDEC、PFC，有限差分法最为常用的软件为FLAC[3-6]。曹兰柱等[7]以元宝山露天矿排土场为研究对象，应用FLAC3D软件分析了基底形态、地下水等因素对边坡失稳变形的影响，揭示了边坡的滑坡机理及滑坡模式；周伟等[8]以哈尔乌素露天煤矿北端帮边坡为研究对象，分析了内排压帮对边坡稳定性的影响规律，得出了内排宽度及高度与边坡稳定性系数的函数关系；宋子岭等[9]以倾斜基底排土场为研究对象，分析了排土场的变形失稳特征及滑坡机理。

上述研究对排土场变形及边坡稳定性进行了合理、有效工作，但对于在排土场影响范围内进行开挖工程的研究较少，为此，以扎哈淖尔露天矿排土场、L115 机道沟边坡为例，通过研究排土场变形范围，确定开挖机道沟对边坡稳定性的影响。

1 工程地质概况及潜在滑坡模式

1.1 工程地质概况

扎哈淖尔露天煤矿北排土场自2013 年排弃到界到2018 年7 月份排土场边坡变形，发生沉降并向南北两侧滑移，排土场顶部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土场南边坡坡角隆起严重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m，现阶段排土场隆起范围150～200 m 范围，地表境界距离排土场280 m，而依据轮斗移设方案，L114 工作帮带式输送机与采场西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 带式输送机平行地表境界线布设，若L115 机道沟按地表境界开挖，随着暴露时间的增加，排土场荷载和第四系潜水的综合影响，将会影响轮斗系统的平稳运行。

2018 年轮斗114 工作帮带式输送机将推进至地表境界拐点，轮斗连续系统2019 年需进行移设技改。经中煤科工沈阳设计院论证，采用其编制的《扎哈淖尔露天煤矿轮斗连续系统移设工程可行性研究报告》中方案三技改移设方案，即连续系统L114 工作帮带式输送机与采场西部地表境界采取垂直布置方式，使L115 带式输送机平行地表境界线布设。

因L115 机道位置北帮为第四系含水沙层，长期受北排土场荷载压力影响，较易发生片帮等灾害事故，同时根据本次轮斗-带式输送机布置方案，轮斗-带式输送机布置主要是在地表布置或是在端帮第2 个台阶布置，机道沟开挖边坡的稳定性对于轮斗系统正常剥离至关重要。因此需要分析轮斗布置边坡的稳定性，确定合理的边坡形态和边坡角度。且此区域目前水文地质、岩性参数尚不健全，此位置距离内排较远，在内排跟进到界之前，上部平盘可暂时按不到界工作帮进行设计，需要与采矿境界保留一定安全距离。因此，为保障机道、带式输送机安全以及系统的稳定运行，需要确定合理的安全距离。

掌握边坡工程地质条件是边坡稳定性评价、分析和变形破坏前提和基础[3-4]。确定排土场排弃物料及115 机道沟位置岩土体的物理力学参数，为潜在滑坡模式的初步判定及边坡稳定性分析提供基115础资料，排土场从上到下，各层岩土体物理力学指标见表1，典型计算模型如图1。

表1 岩土体物理力学指标

图1 典型计算模型图

1.2 边坡稳定性影响因素及潜在的滑坡模式

根据扎哈淖尔露天煤矿第四系、排土场现状和泥岩基底岩性考虑，第四系砂层岩性以浅黄色细砂为主，含少量小砾石，同时地下水位埋深一般2～10 m，为孔隙潜水，根据以往现场经验，现场端帮第2个台阶开挖后出现涌水的情况，机道沟开挖后要考虑地下水位对边坡稳定性的影响，判断其潜在的滑坡模式为典型圆弧型滑动。L115 机道沟和排土场边坡潜在的滑坡模式如图2。

图2 L115 机道沟和排土场边坡潜在的滑坡模式

2 边坡潜在滑坡模式数值模拟分析

结合L115 机道沟、排土场潜在滑坡模式，考虑到排土场潜在变形区破坏位置确定的复杂性，拟用采用SIGMA/W 有限元软件数值模拟的方法对排土场的稳定性进行分析，通过有限元法应力－应变位移云图来判断变形区的发展过程进而确定最危险的变形破坏区[5-6]。

2.1 模型建立

根据机道设计位置选择、排土场的排土现状和基底形态等高线等地层信息建立的数值模拟模型如图3，模型排土场高度为70 m、砂层厚度45 m，基底厚度46 m，南北长为1 050 m，各地层从上至下分别为：排弃物料，第四系砂层和泥岩基底。

图3 数值模拟模型

2.2 机道沟安全距离

L115 机道沟与排土场安全距离的确定对安全、高效开采有着极其重要的意义。如果L115 机道沟离排土场边坡太近，可能给机道沟边坡带来安全隐患。反之，如果太远的话，将会影响剥离、煤炭采出计划。通过SIGMA/W 有限元软件数值模拟，通过分析L115 机道沟与排土场不同安全距离下的变形情况，确定合理的L115 机道沟边坡形态和边坡角，同时获得不同工况下的边坡失稳机理。不同安全距离下x方向变形云图如图4。

图4 不同安全距离下x 方向变形云图

受第四系、软弱基底影响，排弃物料在自身自重的影响变形以沉降、滑为主。其安全距离为350 m时，排土场变形影响L115 开挖位置边坡稳定，L115机道开挖后边坡变形量为0.5～1 m，排土场最大变形为4～4.5 m，同时L115 机道开挖后边坡与排土坡边坡变形区域明显连通；安全距离为400 m 时，排土场变形也影响L115 开挖位置边坡稳定，L115 机道开挖后边坡变形量为0.5～1 m，排土场最大变形为3.5～4.0 m，同时L115 机道开挖后边坡与排土坡边坡变形区域未连通，说明安全距离增加，有利于控制L115 机道开挖后边坡变形量，L115 机道开挖位置限制排土场变形的增加；安全距离为450 m 时，排土场变形未影响L115 开挖位置边坡稳定，L115 机道开挖后边坡变形量为0.2～0.4 m，排土场最大变形为3.0～3.2 m，其变形量主要受自身开挖位置影响，与排土场变形无明显关系；安全距离为500 m 时，排土场变形未影响L115 开挖位置边坡稳定，L115 机道开挖后边坡变形量为0.2～0.4 m，排土场最大变形为2.0～2.2 m，其变形量主要受自身开挖位置影响，与排土场变形无明显关系，排土场变形明显减少。

通过模拟计算，当L115 开挖位置与排土场距离为350、400、450、500 m 时，L115 开挖位置与排土场在不同安全距离的变形量为0.5～1 m、0.5～1 m、0.2～0.4 m、0.2～0.4 m，当L115 开挖位置与排土场安全距离450 m 时，排土场沉降、滑移的变形量未影响到其开挖位置的边坡变形情况，据此确定L115 机道沟开挖位置与排土场安全距离450 m，与采场地表境界150 m 为最佳。

2.3 定L115 机道沟边坡稳定性

L115 开挖位置边坡稳定性计算结果图如图5。

图5 L115 开挖位置边坡稳定性计算结果图

前面分析可知，L115 开挖位置与排土场安全距离450 m，确定安全距离后，由于开挖位置主要由第四系细砂构成，需要结合现场实际情况确定开挖后变形形态及边坡角度，通过SIGMA/W 有限元软件边坡稳定性计算结果可知，设计台阶坡面角为50°，台阶高度为12 m，平盘宽度为50 m，L115 机道沟开挖位置边坡角17°时，通过计算得到边坡的稳定系数为1.224，处于稳定状态，满足安全储备系数1.2要求，滑坡模式为圆弧形型滑动。

3 结语

1）通过有限元法应力－应变计算可知，随着L115机道沟开挖位置与排土场安全距离增加，排土场变形量和开挖位置变形明显减少。

2）通过有限元法应力－应变模拟可知，确定L115机道沟开挖位置与排土场安全距离450 m，与采场地表境界距离为150 m。

3）通过有限元法极限平衡计算可知，确定L115机道沟开挖位置边坡形态，边坡角为17°时处于稳定状态，满足安全储备系数1.2 要求，滑坡模式典型圆弧型滑动。