露天矿含断层与顺倾弱层群边坡形态分段优化研究

李芳玮，王 东，尹 立

(1.应急管理部信息研究院，北京 100029；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

露天矿含断层与顺倾弱层群边坡的破坏机制与稳定性问题极为复杂，尤其是同时受到多个断层与顺倾弱层影响，如处理不当，易造成较大的安全问题与经济损失。平庄西露天矿西北帮受F3断层切割，形成三维滑体，严重威胁矿山安全生产[1]；黑山露天煤矿采场边坡曾在断层破碎带作用下，发生过大规模滑坡，对露天矿安全生产造成一定的影响[2]。

近年来，国内外一些学者围绕断层边坡稳定性的影响开展了一系列的研究。侯志鹰等[3]采用有限元三维数值模拟，对含相邻顺倾弱层的露天矿采场边坡进行稳定分析，得到了露天矿开采过程中边坡岩体应力状态和边坡变形运动趋势；李瑞青等[4]采用有限元三维数值模拟，研究了爆破震动作用下不同断层厚度、断层充填介质参数及断层产状等对边坡稳定性的影响规律；李连崇等[5]利用RFPA-slope软件，模拟分析了节理密度、位置、倾角等因素对岩质边坡的稳定性及滑坡模式的影响，证明了节理是导致边坡破坏的关键因素；王鑫禹等[6]应用FLAC3D数值模拟，分析获得了边坡的表面岩体、断层破碎带中的充填物以及边坡中断层邻近岩体塑性流动区、塑性卸荷区以及拉伸破碎区的发育和演变规律；杨继红等[7]对某一水电工程坝址区的二级结构面进行了分析，指出了对边坡稳定性及变形起控制作用的是断层；曹兰柱等[8]等运用3Dslope分析了斜交断层作用下的逆倾边坡的破坏模式与空间形态；李文秀等[9]以陇南厂坝露天矿北帮为工程背景，基于Drucker-Prager屈服条件，应用有限元法三维数值模拟无断层存在及有断层情况下爆破震动对边坡稳定性的影响；张均峰等[10]以某水电站坝址为工程背景，应用有限元三维数值模拟，研究了强震作用下含断层边坡的局部损伤软化及破坏区的演化规律，揭示了滑坡机理；刘立岩[11]应用有限元三维数值模拟，分析平庄西露天矿西北帮F3断层破碎带的变形破坏机理，提出了合理的边坡整治措施；陆卫国[12]以准东露天矿为工程背景，采用二维极限平衡法分析评价了边坡的稳定性，制定了边坡综合治理方案；王珍等[13]以元宝山露天矿东帮边坡为工程背景，建立边坡三维地质模型，基于数值模拟分析结果从边坡滑移模式的角度阐明断层影响下边坡稳定性变化规律；王凯等[14]应用FLAC3D数值模拟软件对露天矿含断层边坡两种开挖进行模拟研究，总结出边坡开挖时边坡上观测点的位移变形的规律以及开挖对断层所造成的影响；李瑞青等[15]借助LS-DYNA 数值模拟软件研究了断层厚度、产状、断距等地质特征对边坡稳定性的影响；陈凤阳等[16]采用力学理论分析的方式阐明断层倾角变化对边坡稳定性的影响规律。

总体上看，以往关于含断层与弱层边坡稳定性研究，大多是针对某一工程实际进行的，尚未形成统一的认识；设计露天矿边坡形态时，通常基于单一的二维或三维方法对整体稳定性分析结果，将边坡设计成断面直线型，对于深部存在三维效应、多个顺倾弱层控制的露天矿边坡并不适用。为此，以典型矿山为工程背景，本文将二维与三维分析结合相结合，对露天矿含断层与顺倾弱层群边坡形态进行优化研究，为类似条件下边坡稳定性分析与控制提供指导与借鉴。

1 工程背景及边坡工程地质条件分析

胜利东二号露天矿首采区南帮为典型的含断层与顺倾弱层群边坡，自下而上发育地层为：第四系松散砂质粘土、第三系松散红黏土，中生系以泥岩、煤层为主的含煤地层；主采两层煤，其中6煤全区可采，5煤局部可采。经勘探与现场地质写实，南帮附近有F69、F68和F8断层，且内部发育多个岩性以泥岩和炭质泥岩为主的顺倾弱层，稳定性较差，持续发生大变形并曾发生过两次大规模滑坡。为最大限度安全回收资源，将采用横采内排追踪压帮的方式对南帮边坡压煤进行回采，为此，须综合考虑断层与弱层群对边坡稳定性的影响，兼顾深部边坡稳定性的三维效应，对其空间形态进行优化。边坡工程地质条件如图1所示，岩土体物理力学参数见表1。

图1 典型工程地质剖面

表1 岩土体物理力学参数

2 边坡形态分段优化

2.1 边坡在垂直方向上的区段划分及安全储备系数选取

在横采内排开采方式下，南帮边坡不同层位的裸露时间不同，为此，兼顾断层、弱层与边坡间的相对位置，将边坡在垂直方向上划分为3个区段；参照《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2015)中关于边坡安全储备系数的规定[17]，分别考虑边坡类型、重要性、服务年限、地质条件与力学参数的可靠性、潜在滑坡危害程度，确定边坡在垂直方向上的区段划分及安全储备系数选取结果见表2。

2.2 浅部边坡分区段稳定性分析与形态优化

受顺倾弱层与断层影响，胜利东二号露天煤矿南帮的潜在滑坡模式为以圆弧(或断层)为侧界面、以弱层为底界面的切层-顺层滑动(或鼓胀破坏)；另外，浅部边坡走向长度大，采用二维极限平衡法，以现状边坡为基础，分别针对不同开挖形态，分析不同滑坡模式条件下的边坡稳定性，进而分区段对其形态进行优化。阶段I优化过程中的边坡稳定性计算结果及对应的滑面形态、位置如图2所示，阶段I边坡稳定性分析与形态设计结果见表3。当912水平留设40m宽平盘、降深至900水平时，最危险滑坡模式为F68断层下盘1-2号弱层与F68断层上盘6煤底板弱层，此时的稳定系数为1.05，刚好满足安全储备系数要求，该形态即为阶段I的优化结果，对应的局部边坡角12°、局部边坡高度121.7m。同理，对浅部边坡阶段II形态优化及稳定性进行分析，此时的局部边坡角16°、局部边坡高度58m。

图2 阶段Ⅰ边坡形态优化过程与稳定性计算结果

表3 阶段Ⅰ边坡稳定性分析与形态设计结果

2.3 深部边坡稳定性分析与形态优化

由于采用横采内排追踪压帮开采方式，深部边坡受到横采工作帮与内排土场的双重支挡，其稳定性具有较显著的三维效应。为此，本小节应用FLAC3D数值模拟，基于强度折减理论，在探讨深部边坡稳定性三维效应的基础上，对胜利东二号露天煤矿南帮深部边坡形态进一步优化。

根据以往的研究可知[18]，在横采内排条件下，影响顺倾层状边坡深部稳定性的最主要因素是内排追踪距离，当追踪距离较小时，深部边坡角对边坡稳定性影响较小。为此，本研究仅对不同追踪距离(50m、100m、200m、400m、700m)条件下的边坡稳定性进行探讨；为避免稳定性最差的边坡阶段I发生滑动造成计算终止，从而无法获得深部边坡稳定性变化规律，建模时剔除了该阶段的弱层，数值模拟模型如图3所示。。考虑到需要在南帮需要留设剥离物内排通道，应在相应标高留设40m宽的运输平台，保安平台宽度为15m。

图3 数值模拟模型示意图

模拟获得的不同追踪距离条件下的边坡三维位移云图与稳定系数变化规律如图4与图5所示。可以看出，随着追踪距离的增大，边坡的破坏模式由浅部大范围破坏逐步过渡为深部破坏；当追踪距离小于100m时，深部边坡稳定性比浅部边坡稳定性好；当追踪距离为200m时，深部边坡稳定性与浅部边坡稳定性接近；当追踪距离大于400m时，深部边坡稳定性比浅部边坡稳定性差。

图4 不同追踪条件下边坡三维位移云图

图5 不同追踪距离条件下边坡稳定性变化规律

显然，在横采内排条件下，追踪距离越小，越有利于边坡稳定性和缩短剥离运距，结合《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2015)中关于采场、内排土场追踪距离的规定[17]，可确定追踪距离应为50m；断面形态(图6)可描述如下：阶段Ⅰ边坡角12°、边坡高度121.7m；阶段Ⅱ边坡角16°、边坡高度58m；阶段Ⅲ以40m运输平台、15m保安平安进行降深，边坡角19°、边坡高度115.8m。

图6 典型剖面到界边坡形态设计

3 结 论

1)横采内排追踪压帮开采条件下，露天矿层状边坡垂直方向上的地层岩性、工程发展过程中的服务时间以及要求的稳定程度存在较大差别，而且深部边坡稳定性具有一定的三维效应，在设计时应予以考虑。

2)胜利东二号露天煤矿边坡稳定性主要受坡体内一系列顺倾弱层控制，断层亦可能作为滑体的边界，其潜在滑坡模式为以圆弧或断层为侧界面、以弱层为底界面的切层-顺层滑动或切层-顺层-鼓胀破坏。

3)随着追踪距离-的增大，边坡深部稳定性逐渐减弱，破坏模式由浅部大范围破坏逐步过渡为深部破坏。

4)在横采工作帮与内排土场双重支档作用下，胜利东二号露天煤矿边坡应划分为三个阶段：阶段I边坡高度121.7m、边坡角12°，阶段II边坡高度58m、边坡角16°，阶段III边坡高度115.8m、边坡角19°，整体边坡角14°；横采工作帮与内排土场追踪距离应为50m。