露天煤矿并段高台阶边坡变形失稳机理及控制对策

郭占华，刘 鹏

（国能准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

随着露天煤矿开采规模不断扩大，为了增加企业效益，在矿区范围内采出更多的煤炭资源，矿方采用靠帮开采，致使矿山工作帮边坡台阶高度和边坡角度不断加大，边坡失稳破坏现象严重，安全问题日益凸显[1]。近年来，相关学者在分析评价以及保障露天开采过程中高并段台阶边坡的稳定性方面开展了一系列的研究。宋卫东等[2]采用相似材料模型实验和数值模拟计算相结合的方法，对深凹露天转地下开采高陡边坡的变形和破坏规律进行了系统研究；郭永兴等[3]以高陡边坡和危岩落石为研究对象，提出的监测新原理和方法以及研制的光纤光栅传感器应用于实际边坡工程现场和落石冲击试验现场；肖平等[4]、李惠发[5]、林国财等[6]、蔡美峰等[7]采用三维有限差分数值计算方法对露天高陡边坡的稳定性进行了固－流耦合研究。相关学者在总结西南地区大量工程实践的基础上，建立卸荷条件下岩石高边坡发育的动力过程及三阶段演化模式，提出了其时间和空间演化的基本序列，以及不同演化阶段岩石边坡变形破坏的发育特征及稳定性意义[8-10]。

某露天矿东帮边坡变形区域，若不及时采取适当地防治措施，势必给运输干道过往车辆及人员带来安全隐患。为此，以某露天矿东帮变形区域边坡为研究对象，对变形区域的边坡变形破坏机理及稳定性问题进行深入研究，并提出合理的边坡防治措施方案、措施。

1 工程地质特征及计算方法

研究区域的沉积层厚度较小，新生界地层覆盖了地表大部分区域，属于典型黄土丘陵地貌。在本区内的煤系地层主要是石炭系和二叠系地层，其中石炭系中统本溪组含薄煤1～2 层，厚度一般小于0.5 m，含煤地层主要是上统太原组，所含煤层7 层，主要可采煤层有4＃、9＃、11＃等，本组煤层平均厚度39.8 m，含煤系数42.5%，二叠系下统山西组共含有2～3层薄煤层，全部为不稳定煤层[11]。变形区域典型工程地质模型如图1，岩土体物理力学指标见表1[12]。

表1 岩土体物理力学性质指标值

图1 变形区域典型工程地质剖面图

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。在研究区域斜坡道区域布置研究剖面，对该区域边坡现状稳定性进行定量分析和评价；采用数值模拟理论（FlAC3D）和极限平衡分析（Geo－Slope）相结合的方法研究高并段台阶变形位移规律及破坏模式，同时运用极限平衡分析提出针对并段台阶边坡稳定性的治理措施，为矿山安全高效生产提供了参考[13]。

2 东帮边坡变形失稳分析

2.1 边坡变形失稳模拟

结合研究区域边坡变形和地貌特征，选取典型剖面构建分析模型。模型沿边坡倾向长度为746 m，垂直高度最大为350 m，模型的前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后边界以y 方向位移约束，模型左、右边界以x 方向位移约束，模型的底部边界以z方向位移约束，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。变形区域典型剖面云图如图2。

图2 变形区域典型剖面云图

由边坡剪切应变增量云图（图2（a））可知：，在标高1 247～1 265 m 水平平盘（松散层）以及标高1 185～1 232 m（砂泥岩互层）出现明显的变形，存在潜在滑动面；由水平位移云图（图2（b））和垂直位移云（图2（c））可以看出：变形集中区域在松散层和砂泥岩台阶，即标高1 247～1 270 m、1174～1240 m 范围内。由于松散层单台阶边坡角已达56°且受1 240 m 水平平盘作业车辆影响，加之附近爆破震动的影响，导致边坡上部黄土台阶和下部砂岩并段台阶坡脚处应力集中程度明显，同时爆破及作业车辆产生的扰动传递至上部边坡面，致使临空面土体片落；水平最大位移量为1.94×10－2m，竖向最大沉降量达1.57×10－2m，该剖面松散层台阶坡顶土体存在局部片帮的可能，这种扰动将进一步传递至平陶线路，进而影响路基稳定。

结合现场的实际工况，塑性区域破坏的范围主要集中在松散层及砂泥岩层（图2（d）），而松散层中塑性区域比较集中的主要原因是受1 240 m 水平平盘作业车辆以及爆破震动的影响，使其抗剪强度降低；结合变形矢量云图（图2（e）），该区域边坡松动滑动面呈圆弧形，正常情况下，东帮南段松散层边坡发生整体失稳的可能性较小，但临空面岩土体仍会发生小范围的片帮，边坡的变形破坏模式为单台阶或并段台阶沿不良结构面朝向临空面发生圆弧或楔形体滑动，滑动形式多表现为局部片帮、崩塌破坏。

2.2 边坡稳定性

本次边坡稳定性验算选取1 个研究剖面，经过综合分析，东帮并段台阶区域边坡稳定评价结果见表2。

表2 东帮并段台阶区域边坡稳定评价结果

在现有资料基础上，通过研究分析，得到了以下结果：①究剖面整体边坡稳定性系数为1.29，符合规范的要求，边坡整体稳定；②研究剖面整体坡面角分别为13.87°，正常情况下发生整体失稳的可能较小；但考虑到雨季降水、岩体自身结构特性以及爆破震动的影响，存在局部滑塌或垮塌的可能；③研究剖面中标高1 251 m 水平（松散层台阶）边坡稳定性系数为1.03，存在一定风险，标高1 125 m、标高1 143 m 以及标高1 195～1 240 m 水平（砂质泥岩层台阶）边坡稳定性系数分别为1.18、1.16、1.12，处于基本稳定状态。安全系数偏小的主要原因为：单台阶即标高1 251 m 处松散层台阶坡面角55.98°（单台阶高度9.00 m），而标高1 125 m 水平、标 高1 143 m 水平以及标高1 195～1 240 m 水平处的砂质泥岩台阶由于台阶坡面角偏大（73.95°），且单台阶高度为18 m，同时受上部松散层前期不断片落的影响，坡体外缘处受自身重力和爆破震动的作用有沿临空面滑动的趋势，建议检查、巡视及维护台阶下部挡土墙，防止大块物料滚落。

3 方案优化选择

针对并段区域上部松散层边坡出现较多裂缝以及并段台阶坡体外缘处片落所引起的边坡变形，对此区域边坡稳定性问题提出以下2 种具有针对性的边坡治理方案。

1）采取削坡减载的处理方案。通过对并段台阶，即标高1 185～1 240 m 水平段采取削坡处理，达到降低边坡单台阶坡面角和减载的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，从而抑制坡体下滑，逐渐减小对1 185 m 水平路面运输设备及人员的影响。通过放缓边坡消除剪出口的不平衡推力，使该滑坡的抗滑力与下滑力的比值，即该边坡的安全稳定系数大于安全储备系数，从而使其在设计工况下处于稳定状态。并段区域边坡优化方案简化模型如图3。

图3 并段区域边坡优化方案简化模型

2）刷坡＋压脚相结合的处理方案。对标高1 260 m 水平和1 270 m 水平平盘所在坡面，进行刷坡处理，使现状坡体角度达到或小于设计坡面角；为了抑制坡体滑移，在坡脚处排土压脚，使得边坡下部区域土体自重增加，提高滑坡区域的整体抗滑力；同时，排土压脚可以消除潜在滑体剪出口处的自由面，在一定程度上起到了抑制潜在滑体沿原始滑裂面剪出口移动的效果。方案既解决了1 260～1 270 m 水平所在平盘空间不足问题，也保护了道路路基。

4 治理措施

1）在标高1 247 m 坡脚处进行压脚处理，回填高度为6 m，即在原有标高1 251 m 水平平盘坡脚处增高至标高1 257 m 水平平盘，平盘宽度14 m，压脚回填物料益选取采场剥离出的松散岩土体，并对平盘表面充分碾压夯实。

2）需对并段台阶区域边坡进行优化，在保证安全前提下，使效益最大化。即在标高1 195～1 240 m段形成三级台阶，单台阶高度15 m，平盘宽度10 m，单台阶坡面角70°；在1 185～1 195 m 段单台阶高度10 m，平盘宽度12 m，单台阶坡面角63°。削坡方量计算如下：

式中：V 为剥离量，m3；S 为剥离区域，m2，可通过CAD 求解；L 为边坡的走向长度，m。

经现场实地勘测边坡的走向长度L 取值150 m；通过CAD 计算求解S 取值305 m2，经计算得V ＝3.2×104m3。

该方案即是在1 251 m 水平平盘坡脚处将排土高度排至6 m，优化后的松散层整体边坡角23.25°，优化后松散层台阶即标高1 251 m 处边坡稳定系数为1.20、标高1 232 m 以及标高1 215 m 处边坡稳定系数分别为1.22 和1.21，处于稳定状态，并段台阶即标高1 185～1 240 m 边坡稳定性系数为1.21。方案中典型位置处边坡稳定性评价计算结果如图4。

图4 方案中典型位置处边坡稳定性评价计算结果

4 结语

1）基于并段台阶区域边坡工程地质与现场条件，建立工程地质模型，采用数值模拟分析的方法研究了片帮区域边坡的变形失稳机理，探明边坡变形模式。

2）提出针对松散层的刷坡＋压脚治理方案、针对并段台阶的削坡治理方案。即在标高1 247 m 坡脚处进行压脚处理，回填高度为6 m，即在原有标高1 251 m 平盘坡脚处增高至标高1 257 m 平盘，平盘宽度14 m；在标高1 195～1 240 m 段形成三级台阶，单台阶高度15 m，平盘宽度10 m，单台阶坡面角70°；在1 185～1 195 m 段单台阶高度10 m，平盘宽度12 m，单台阶坡面角63°，该方案中所清理削坡方量共计约为3.2 万m3。