东明矿西帮复合边坡破坏模式及变形控制研究

郭海棣，王振伟，李元浩，黄科伟，林令鑫，弓启祥

（1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100041；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）

我国作为矿产资源丰富的大国，随着国民经济的高速发展，矿山资源的开采、开发和利用的速度也迅速增加，形成的露天矿边坡数量越来越多。而露天矿随着开采深度和排土量的增加，外排土场－采场型的复合型边坡其稳定性受到了越来越多岩土领域学者们的重视。这种复合边坡直接关系到露天矿的安全生产和持续发展，也对作业生产人员的安全构成了直接的威胁。因此，对露天矿复合边坡破坏模式和变形控制技术进行研究，是对矿山安全生产的重要保证。

对于露天矿复合边坡破坏模式及变形控制技术的研究，国内外许多学者进行了探索，并且取得了丰富的成果。厉美杰等[1]利用FLAC3D数值软件进行模拟，对提出的4 种设计规划的横向位移以及实时监测点的位移数据进行讨论，最终表明，伴着外排土场的高度不断变大，外排土场距离着西边坡的距离变大，坡体的横向位移朝着坡体里侧运动，监测点的位移伴着时间的变化有所波动；陈毓[2]利Midas 数值模拟软件，发挥其快速建模的特点，建立数值模型，导入FLAC3D数值模拟软件进行计算，研究边帮和外排土场的空间关系，通过数值计算，分析出安全系数及位移场应力场的变化趋势，得出边帮与外排土场的安全距离为90 m；白润才等[3]利用Midas 数值模拟软件，发挥其快速建模的特点，建立数值模型，导入FLAC3D数值模拟软件进行计算，研究露天矿复合边坡的稳定性问题，利用白音华二号采场－外排土场复合边坡为研究背景，采用三维仿真技术反向计算不同堆载高度和不同堆载距离对采场－外排土场复合边坡稳定性的影响，验证分阶段分局部控制反向计算采场－外排土场复合边坡稳定性方法的可信；曹兰柱等[4]对于露天矿在生产的过程中边坡含有断层，复合边坡含排土场，下部含有矿坑边坡的复杂问题，以乌兰图嘎露天矿一采区西帮边坡的工程实际为背景，基于强度折减法，研究了断层的空间位置对坡体稳定性的影响。

综上，以东明露天矿西帮边坡为背景，对复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究，分析其位移场以及剪切应变的演化规律，为露天矿复合边坡的建设提供依据。

1 工程概况

东明露天煤矿位于大兴安岭西坡的海拉尔河北岸，此区域是存在一定坡度的高部平原地区，在其北部以及东北方向和较为矮的丘陵连接，海拔高度605～630 m，区域内部地貌较为平缓，没有大型的河流和湖泊，在其南部7 km 有海拉尔河，西北约15 km有莫勒格尔河。东明露天矿在交通运输上较为方便。该地区是亚寒带大陆性气候，在冬季比较寒冷，且冬季漫长，夏季比较炎热且短暂，春季及秋季风较大。

东明露天矿西帮赋存的岩土层主要由排弃物、第四系松散层、泥岩、煤层、基岩5 个部分组成。排弃物主要由采场的挖掘物土、砂岩、泥岩、砂泥岩等混合物构成，粒径各不相同，组合杂乱，组织松散。就地基来说，该层排弃物是构建复合边坡的一种特殊方式与形状的高压载荷。第四系松散层由砂土、黏土、砂砾石组成。泥岩分布在煤层的上下两侧，基岩分布在最底端。

2 理论基础及模拟模型

2.1 有限元强度折减法和莫尔-库伦本构模型

有限元强度折减法是将边坡稳定性计算中的抗剪强度参数C、φ 的值逐渐减小，直至边坡达到失稳状态，最终折减系数F 为边坡的安全系数FS[5-6]。

式中：CF为折减后的黏聚力；C 为黏聚力；φ 为内摩擦角；φF为折减后的内摩擦角。

莫尔－库伦本构模型是相对的弹塑性模型，最重要的是把胡克定律和库伦破坏准则有机结合在一起。莫尔－库伦本构模型主要有5 个力参数：其中弹性模量和泊松比是控制弹性行为的参数，黏聚力、内摩擦和剪胀角是控制塑性行为的参数。莫尔－库伦本构模型的假定对于大多数非线性的分析是可靠的，所以莫尔－库伦本构模型可以用于大部分岩土材料。

每种材料都有着各自对应的物理力学参数，它们又对应着剪切强度方程。和另一些材料不一样，土是不容易抗拉的，发生剪切的破坏是特别容易的。在坡体的自身重立的条件下，剪应力会在边坡上产生，伴着剪应力的不断演化，应变也跟随着持续变化，向特定的面发生剪切破坏。剪切应力引起的抗剪行为和抗剪极限叫做剪切强度。土的抗剪强度包括黏聚力和内摩擦角[7-9]。

2.2 模拟模型

利用有限元数值模拟软件Midas GTS NX 对模型进行建立及计算。按照真实的坡体形状岩土体的结构特点和力学参数，利用典型剖面进行稳定性分析。模型剖面如图1。

图1 模型剖面

利用Midas GTS NX 数值模拟软件强度折减法，去分析坡体位移场的变化，以及最大剪应力等等的变化，对露天煤复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究。该坡体的剖面高度为170 m，长度为581 m，坡体的模型剖面主要划分为5 个土层：排弃物、第四系、泥岩、煤层、基岩。

边坡钻孔8 个。针对80 个样本，进行了物理力学试验，其各岩层的物理力学指标见表1。

表1 物理力学指标

由真实得到的物理力学参数赋予模型中土体的属性。模型采用莫尔－库伦本构模型，在容易滑移的地带进行网格的加密，针对边坡进行网格的划分，对该模型纵轴方向给予重力方向的效果，以及对模型进行固定的约束，添加水位线。

3 边坡破坏模式

在变形控制前，原始边坡水平位移云图如图2。原始边坡竖向位移云图如图3，原始边坡的最大剪应变云图如图4。

图2 控制前水平位移云图

图3 原始边坡竖向位移云图

图4 控制前最大剪应变云图

由图2 可知：边坡的水平位移最大值为600 mm，且主要水平位移发生在复合边坡下部矿坑边坡沿泥岩顺层至坡脚处。

由图3 可知：边坡的竖向位移最大值为365 mm，且主要发生在坡顶位置，与现场实际情况相符。

由图4 可以看到：煤层和两侧泥岩带，以及复合边坡上部排土场的坡脚处和下部矿坑边坡坡脚处发生剪切破坏且易发生贯通。

上部排土场容易发生圆弧状滑坡，下部矿坑边坡容易发生坐落滑移状滑坡，分析其原因，主要因为煤层及两侧泥岩过于软弱，在上部排土场的堆载作用下，经过挤压作用，使得中部形成较大的塑性应变，加速了下部煤层和泥岩软弱带的滑出。同时上部排土场的不规范堆载也导致了排土场坡

4 变形控制技术

在对边坡进行压脚变形控制后，复合边坡的水平位移云图如图5。复合边坡竖向位移云图如图6，压脚变形控制之后边坡的最大剪应变云图如图7。

图5 复合边坡水平位移云图

图6 复合边坡竖向位移云图

图7 控制后最大剪切应变云图

由图5 可知：边坡的水平位移最大值为418 mm，且主要水平位移发生在复合边坡上部排土场的坡脚处，以及复合边坡下部矿坑边坡沿泥岩顺层至坡脚处。对比压脚变形控制前的边坡，控制后边坡的水平位移大幅度减小。

由图6 可知：边坡的竖向位移最大值为253 mm，且主要发生在坡顶位置。对比压脚变形控制前的边坡，控制后边坡的竖向位移变化幅度不大。说明压脚的边坡变形控制技术对水平位移影响较大，效果比较明显。

由图7 可知：经过压脚控制措施之后，边坡下部坡脚处无明显剪切破坏。坡体经过变形控制措施后，稳定性显著提高。

5 结语

1）以东明露天煤矿为项目背景，采用Midas GTS NX 有限元软件对复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究。在变形控制之前，原始复合边坡上部主要发生圆弧状滑坡，下部矿坑边坡主要发生坐落滑移式滑坡。上部发生圆弧状滑坡主要因为排期物堆载方式导致，下部发生坐落滑移式滑坡主要由于上部排弃物的堆载作用，增大了坡体后缘的载荷，对中下部软弱带进行了挤压。从而导致后缘竖向位移较大，中下部水平位移较大。

2）在对复合边坡进行压脚变形控制措施之后，原始复合边坡的上部滑移发生明显改善，下部矿坑边坡在压脚的作用下，水平位移大幅度减小。由此可看出，影响复合边坡发生变形的主要因素是位于中下部的软弱带，对软弱带进行控制是对边坡整体变形有效的控制，使得边坡处于一个相对稳定的状态。