黑山露天矿边坡优化稳定性分析

马明康，缪海宾，马熹焱，赵 贺，张东旭

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

露天矿边坡稳定性是一个长期性课题，既要保证露天矿的安全开采，又要保证合理的经济剥采比，在安全生产与利润最大化之间达到均衡。露天矿的边坡研究作为一个复杂工程性问题，与其它工程诸如水利水电工程不同，露天矿采场边坡稳定性并不要求永久稳定，只要满足相应的采场服务期限内稳定。准许煤岩体较小范围的变形与碎裂，当小范围的变形与破碎不影响煤矿的安全生产时，也可认定这种形态下的边坡是符合要求的，对边坡的治理不仅要重视，而且要进行具体的分析，最重要的是断定边坡变形破坏模式及变形的发展变化趋势[1-3]。

1 矿山概况

矿区内发育的地层有古生代志留系等，露天矿区基底由这些地层组成。煤系地层走向约95°，南倾，倾角一般在13°～25°，走向上倾角变化不大。矿区采场已揭露以石炭系、侏罗系以及第四系等地层为主，主要为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、火烧蚀变岩及砂土砾石层。泥岩主要有深灰色泥岩、浅砖红色泥岩、灰色泥岩等，岩性硬度较脆弱，干燥、性脆、遇水后易裂开，呈松散状，岩性及破碎；砂岩主要灰白色砂岩、土黄色砂岩，接触胶结、胶结物为钙质，岩性胶结较好，较坚硬，轻击不易破碎，岩性赋存较好；砂土砾石层呈松散状，大孔隙，胶结性较差，透水性极强，主要由砾石约占70%，砂土约占30%，砾石主要由基性岩，石英，燧石，灰岩，砂岩，泥岩等组成，砂土砾石层与下覆地层为角度不整合接触。露天矿采场边坡面临的主要问题是由于岩层赋存条件一般，导致部分台阶出现不同程度的裂缝，对现场的采矿与剥离等工作造成了一定的影响。

2 边坡稳定性

2.1 物理力学参数及分析方法

对采场DB 剖面建模分析，DB 剖面采场边坡模型如图1。

图1 DB 剖面采场边坡模型

通过现场地质调查及室内试验，得到的不同地质层位的物理力学指标汇总见表1。

表1 边坡岩土物理力学指标

极限平衡法是目前应用最为广泛的分析方法，其原理是假设露天煤矿边坡存在潜在滑移面，并设定破坏区域土体为可脱离物体，对滑坡体进行分条块计算，对滑坡区域进行受力平衡简化计算，滑块体达到静力平衡时土体所需的阻力与破坏面实际提供的阻力比值，求得边坡安全系数，采用Janbu 法对所选剖面进行极限平衡的计算，Janbu 法（1957）又称普遍条分法，它主要应用于形状多变的滑动面[2]，因此Janbu 法能够有效而准确的分析边坡中存在非圆弧形破坏时的稳定性[4-5]，Janbu 法满足的平衡条件如下：①条块水平方向力平衡；②条块垂直方向力平衡；③力矩平衡保持在条块绕分块底滑面中点处。Janbu 法不仅可以计算复杂的多地层，还可以综合考虑地震及地下水的作用。

2.2 计算结果

DB 剖面Janbu 法计算结果如图2。

图2 DB 剖面Janbu 法计算结果

由图2 知，图中整体滑移面的稳定系数为1.310，剪出口位于煤层底板下方的泥岩处，此时稳定系数大于安全储备系数1.3；DB 剖面单台阶稳定性系数为0.921，远低于DB 剖面边坡的安全储备系数1.3，通过计算印证了单台阶的滑动模式与现场实际相符，单台阶垮落对现场生产造成不利影响，对于+2460 平盘道路的运输工作也带来不便，为不影响露天矿采场的正常生产与剥离物的运输,优化露天矿采场边坡轮廓，需要对DB 边坡进行削坡处理，保证DB 剖面的稳定性，削坡位置在+2460～+2490平盘，采用这种削坡方法既能保证边坡稳定性，又能保证平盘正常的作业能力。DB 剖面削坡后稳定性计算结果如图3。

图3 DB 剖面削坡后稳定性计算结果

通过削坡后的计算结果可知，削坡后2 个台阶的整体边坡角平均减少了20°，单台阶稳定性系数由0.921 提高到1.325，整体滑移面的稳定系数由1.310 提升到1.351，均满足安全储备系数1.3，达到现场实际边坡稳定性要求，对现场的采矿作业、运输作业起到了保证。

由图2、图3 可知，削坡前后DB 剖面都存在的单台阶滑坡，滑坡体沿泥岩滑出，而边坡的整体滑移，滑坡体主要沿着煤层底板的泥岩滑出。

3 数值模拟

3.1 数值模拟方法和模型

有限元方法是一种数值计算的近似方法，采用有限元研究方法的主要目的在于模拟出削坡前边坡轮廓的位移云图、速度矢量图和塑性应变云图，为极限平衡理论地分析起到辅助分析的作用，同时，借助数值模拟最大可能地还原和验证平盘发生地质灾害的具体位置，查看边坡塑形变形区是否完全贯穿整个边坡[6-8]。

由以上分析可确定，在验证露天矿边坡的稳定与否是必要的，也是科学的，采用有限元分析既能完美贴合实际边坡的物理力学参数、直观对比削坡前后的模型差异，又能精确计算出x、y 方向的位移数值，确定塑性变形最大值区域，为露天煤矿边坡的治理提供方向。

模型的建立主要涉及物理力学参数和网格的划分，物理力学参数见表1，岩体体积膨胀的大小用膨胀角来表示，在此处，默认DB 剖面的岩土为压实颗粒，输入膨胀角为0，同时，为了精确模拟DB 剖面的实际情况，将坡面处网格进行2 倍密度划分，边坡下方单元网格密度设置为8，划分时统一采用四边形网格进行划分，提高数值模拟计算的精度，对左右两侧进行x 方向的约束，对下侧进行xy 方向的约束，对边坡整体施加重力约束，重力加速度这里取值为9.8 m/s2。

3.2 计算结果

DB 剖面削坡前的数值模拟结果如图4。

图4 DB 剖面削坡前数值模拟计算结果

从模拟结果可知，水平最大位移发生在+2460-+2490 平盘之间，最大塑性应变发生在+2460-+2475平盘之间，塑性应变未贯穿到坡顶，边坡此时未遭到破坏，但边坡前缘部分应力集中；边坡的速度矢量最大位置位于边坡中间标高+2445 m 和+2490 m 全段，即速度矢量最大位置已经远离原滑带位置处，DB 剖面后缘下部位移矢量速率比较小，是由于原潜在滑面在上覆荷载下发生滑动，牵引着DB 剖面发生单台阶楔体滑动变形，反应了坡体滑动的趋势[9-10]。

数值模拟最终的结果云图，与削坡前的极限平衡分析基本对应，边坡潜在的滑坡模式为单台阶滑坡与整体滑坡，同时塑形变形区未贯穿整个边坡，此时边坡虽有裂缝等不良地质特征，却未遭到整体破坏，及时进行削坡处理，对露天矿的安全生产、边坡稳定具有正向作用。

4 结论

1）削坡前，DB 剖面的+2465 等平盘均出现不同程度的地裂缝，甚至片帮现象，这些不良地质因素对露天矿采场的采煤工作有较大影响，长期以往，可能会对露天矿边坡的稳定性造成不利影响，通过对比削坡前后的边坡角，削坡后2 个台阶的整体边坡角平均减少了20°，单台阶稳定性系数由0.921 提高到1.325，整体滑移面的稳定系数由1.310 提升到1.351，均大于安全储备系数1.3，达到了安全储备系数的要求。

2）通过数值模拟软件对结果进行分析可知，塑性应变未贯穿到坡顶，边坡未遭到破坏，但边坡前缘部分应力集中；边坡的速度矢量最大位置位于边坡中间标高+2 445 m 和+2 490 m 全段，即速度矢量最大位置已经远离原滑带位置处，DB 剖面后缘下部位移矢量速率比较小，是由于原潜在滑面在上覆荷载下发生滑动。

3）通过削坡前后稳定系数对比分析，结合数值模拟理论，得到削坡后的边坡处于稳定状态，满足黑山露天矿的生产作业、运输作业，能够正常保证采煤进行。