交叉断层影响下工作帮边坡顶底部境界位置优化研究

史景山，朱凯平，张祖虎，李 明，马明康

（1.伊吾广汇矿业有限公司，新疆 哈密 839303；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

近几年，露天矿发展迅速，在煤炭开采过程中，工作帮参数在一定程度上决定了生产计划、生产安全及经济效益。安家金等[1]研究了含断层边坡在渗流作用下稳定性问题，以伊敏露天矿三采区端帮边坡为研究对象，建立相似材料模型并结合数值模拟，确定了开挖断层和渗流耦合作用下滑移面失稳的具体原因；曾继鹏[2]等以云南省某露天矿山的东帮边坡工程为例，选取断层宽度和断层倾角2 个主要因素，运用Geostudio 计算2 个不同因素组合水平下的边坡安全系数，将计算结果导入数值分析软件SPSS进行双因素方差数值分析，研究2 个因素对边坡稳定性的影响；郭夏飞等[3]发现断层位于坡体中部时，边坡剪应力较大，此时断层对边坡稳定性影响最大，随开挖推进坡体逐渐前移，断层附近变形及应力值逐渐减小，断层对边坡影响逐渐减小，开挖不同阶段边坡稳定性主要影响因素不同。白石湖露天煤矿一条区南部南帮受DF16与DF17断层影响，今年5 月份发生局部垮塌现象，影响了现场的正常生产，后期对现场垮塌区域进行清理，放缓了边坡角度，但部分台阶仍存在未过断层开采现象，对资源开采造成了不利条件，基于以上问题，亟需对现场边坡进行参数优化[4-6]，提升边坡整体稳定性，开采断层北部煤炭资源。

1 工程地质条件

1.1 研究背景

白石湖露天煤矿条区分布如图1。白石湖露天煤矿共分为1 个首采区和2 个条区，首采区一条区南部东西长约3 400 m，南北宽约1 460 m，采深约185 m，岩层整体走向东西，倾向南北。南帮为工作帮，目前处于收帮阶段，单台阶高度12 m，整体帮坡角26°。北帮为内排土场，单台阶高度为24 m，整体帮坡角为17°。随着排土高度的增加，顶部台阶出现沉降裂缝，沉降高度2～3.5 m，坑底发生底鼓，隆起高度0.5～3.5 m，底鼓范围东西向总长度约为455 m，南北向距离约为31 m。首采区一条区南部外排土场位于采场南侧，共形成6 个排土台阶，与南帮构成复合边坡。东帮为端帮，单台阶高度12 m，整体帮坡角为29°，局部最大帮坡角为37°，距离东帮地表界150 m 处设有南北向的带式输送机走廊。

图1 白石湖露天煤矿条区分布平面图

1.2 工程地质条件

白石湖露天煤矿区位于伊吾县北约105 km，淖毛湖矿区西北部，露天矿区东西长约12.63 km，南北宽约2.93 km，面积33.0 857 km2。伊吾县位于新疆维吾尔自治区东北部，天山东段北麓，东经93°35′～96°23′，北纬42°54′～44°29′，东北部与蒙古国交界，西部与巴里坤哈萨克自治县相邻，南部与哈密市伊州区隔山相望（东天山）。

矿区地表为第四系广泛覆盖，基岩仅零星出露。北部含煤地层与石炭纪地层为不整合接触关系。矿区总体为一南倾的单斜构造，倾角3°～30°，沿走向和倾向有次级褶曲发育，构造类型确定为中等类构造。根据以往二维地震资料和以往三维地震资料，矿区内共发现断层17 条。其中可靠断层10 条，较可靠断层6 条，不可靠断层1 条。本区17 条断层中，正断层12 条，逆断层5 条。其中影响南帮边坡稳定性的2 条断层为DF16与DF17。①DF17断层：逆断层，位于白石湖勘查区46 线与L52 线之间，区内延伸长3 700 m，走向东西，倾向南西南，倾角13°左右，落差0～30 m。断层查明，属可靠断层；②DF16断层：正断层，位于白石湖勘查区55 线与56 线之间，区内延伸长900 m，走向东西，倾向北，倾角31°左右，落差0～17 m。断层查明，属可靠断层。

1.3 研究区域现状

2021 年5 月份，首采区一条区南部南帮边坡整体帮坡角为26°，单台阶高度为12 m，边坡整体高度155 m，从下往上形成了168 m 水平平盘～312 m 水平平盘共计13 个平盘。受DF17断层和DF16断层的叠加影响，南帮边坡于今年5 月份发生布局垮塌、沉降变形，其变形位置主要发生在南帮鸣阳一队与鸣阳三队交界处。其中300 m 水平平盘产生裂缝坐落后宽度9.6 m，沉降变形3 m，312 m 水平平盘裂缝区域裂缝长度297 m，裂缝破坏变形后宽度3.3 m，沉降变形2.1 m，240 m 水平平盘裂缝区域沉降变形1.7 m；228 m 水平平盘裂缝区域沉降变形2.3 m，裂缝挤压破坏区主要发生在228 m 水平平盘，2021 年10 月，矿方保证现场安全施工，将南帮向南继续推进，截至10 月底，南帮边坡整体帮坡角为16°～18°。

南帮边坡出现的失稳破坏问题主要为工作帮开采靠近断层的过程中，DF16正断层为边坡破坏提供了极为不利的高角度顺倾的软弱地质结构面，形成滑体后缘，同时受DF17断层影响，局部边坡岩体由逆倾变为顺倾，降低了下部岩体的抗滑效果。

2 边坡岩土物理力学参数

岩土体物理力学性质是边坡稳定计算与防治措施研究的主要基础资料，要搞清岩土体的物理力学性质必须进行大量土工试验。在白石湖露天矿的建设及生产过程中，科研院所及勘查单位结合各自研究项目的具体需要，对各类岩土体的物理力学性质进行过多次试验研究，积累了丰富的资料[7-8]。基于以上特点，本项目岩土体物理力学性质研究工作采用如下研究方法：

1）岩土体工程地质性质类比法。对以往各项目的岩土体试验研究成果进行收集、归纳、分析，以供本项目研究之用。

2）滑坡参数反分析。岩土体物理实验对确定边坡参数尤为重要，但在实验的过程中，没有考虑到岩体的不均性和各向异性，从而造成计算的数值有所偏差。而滑坡参数反分析方法，是基于滑坡相当于大型岩体的剪切试验，如果对滑坡原因、滑坡几何形态等掌握准确，则通过滑动反分析得到的参数将是最可靠的[9-10]。

通过以上研究方法确定了本次岩土物理力学计算推荐指标，岩石力学参数表见表1。

表1 岩石力学参数表

3 边坡变形破坏机理

采用FLAC3D软件对剖面进行数值模拟，以野外工程地质勘察为基础，同时结合研究区域边坡的工程地质特征、边坡的可能失稳模式、滑坡类型等，确定选取首采区一条区南部的NB21－2 剖面进行数值模拟分析，并建立剖面计算模型，边坡计算模型及计算结果如图2。

由图2 中水平位移云图可以看出，水平位移集中在边坡下部，该区域位移主要受DF16断层的影响且指向临空面，总位移集中在边坡下部，指向临空面；由剪切应变增量云图可以看出，受到DF16断层影响，边坡砂砾岩、泥岩与粉砂岩区域出现较明显拉应力与剪应力集中现象，主要表现为拉应力破坏；由应力云图可以看出，边坡沿断层破碎带出现了剪应力集中现象，随边坡深度增加垂直应力数值增长态势超过水平应力；由位移矢量云图可以看出，边坡下部岩体主要表现为沉降变形，砂砾岩、泥岩与粉砂岩区域以水平位移为主，边坡位移总体指向临空面。故该模式下边坡变形主要呈现为“坐落滑移式”。

图2 边坡计算模型及计算结果

4 边坡稳定性计算及参数优化

根据工程地质简化模型，通过Geostudio 软件建立了计算模型，得出该剖面稳定系数为1.26，但目前南帮角度较缓（18°），部分台阶仍存在未过断层开采现象[10-14]，因此，在保证边坡安全的前提下，提升整体帮坡角，开采底部煤炭资源，确定最终压帮位置，并给出合理的顶部及底部境界位置[15]。

首采区一条区南部南帮优化方案如图3。方案1：南帮整体边坡角度30°；方案2：南帮整体边坡角度29°；方案3：南帮整体边坡角度28°；方案4：南帮整体边坡角度27°。

图3 首采区一条区南部南帮优化方案

1）临时到界边坡整体边坡角。方案1：南帮整体边坡角度30°时，稳定性系数1.129；方案2：南帮整体边坡角度29°时，稳定性系数1.174；方案3：南帮整体边坡角度28°时，稳定性系数1.211；方案4：南帮整体边坡角度27°时，稳定性系数1.256。通过以上计算结果可知，方案3 南帮整体边坡角度28°时，稳定性系数1.211 满足安全储备系数（1.20）的要求，故南帮边坡参数优化方案选取方案3 整体边坡角28°。

2）临时到界边坡坡底位置及地表界。南帮上部台阶与下部台阶应协调向南继续推进，采净断层北侧煤炭资源。内排土场排至1＃煤层顶板的位置，作为临时到界边坡的底部位置，向上反推28°确定临时到界边坡的地表界，优化后地表境界为原地表境界向南推进10～30 m，优化后底部境界位置为煤层顶板。

5 结语

通过数值模拟，结合现场生产情况，确定了一条区南部南帮滑坡破坏机理为坐落滑移式破坏。在保证采矿生产安全的前提下，对南帮边坡进行了参数优化，将其整体帮坡角由原来的18°提升至28°，过断层开采后边坡整体稳定系数满足1.20 的要求，同时，提升了经济效益，给出了最终压帮位置及南帮顶、底部境界位置