0 引言
随着我国露天煤矿产量规模的不断增加，边坡稳定性问题愈来愈突出，尤其是在内蒙古锡林郭勒盟，其大多露天矿边坡岩性较软，因此一旦发生滑坡，滑坡的量大且难于防治，对人身安全与财产安全具有重大威胁[1-2]。对于这类软岩顺倾层状边坡，其稳定性受到顺倾弱层、地下水、地质断裂、工程扰动以及时间、空间等多因素作用，其变形破坏机理与稳定性等问题尤为复杂，是限制软岩露天煤矿边坡安全高效生产的重要科技难题，该问题也逐渐成为国内外众多学者研究的对象。谢承平[3]通过调查200多个道路软岩边坡并进行统计分析，研究出软岩边坡的主要外观特点并确定出影响边坡稳定性的5个主要因素:SMR值、边坡倾向与最不利结构面倾向夹角、岩石回弹比、边坡坡度、岩石回弹值；徐晓惠等[4]根据强度折减法并采用有限元软件ANSYS模拟了不同边坡角对应的稳定系数，以及不同平盘宽度和压脚高度所形成的等储备强度边坡的稳定系数，研究结果表明最下台阶开始形成等储备强度边坡的压脚是效果最为显著的；白润才等[5]对于相邻露天矿各自开采时存在的边帮压煤与边坡安全问题，提出相邻露天矿边帮压煤协调开采技术并在西二矿和乌矿通过实践证实此技术安全合理，可实现经济效益最大化；刘泽民等[6]针对平朔安家岭露天煤矿4煤的回采问题，以井工开采放顶煤开采技术为基础，提出了“煤墙支撑简易放顶煤”采煤法，此方法经济效益高，具有极大的推广应用价值；常治国等[7]针对露天矿端帮煤炭资源回采效率低的状况，提出了端帮采煤机连续开采技术，对黑岱沟和哈尔乌素露天矿相邻端帮5号煤的回采问题进行可行性分析，以期推动该工艺在我国露天矿端帮资源回收中的应用。但是对于含有断层、软弱夹层边坡稳定性问题的研究还较少，仍未得到很好的解决。如：黑山露天矿采场西帮受断层与弱层的影响，出现了大面积滑坡，导致西帮不能形成清扫平台，对矿山的安全生产有重大威胁。
综上所述，软岩露天矿存在的滑坡隐患问题给矿山安全与持续作业带来了严重威胁，但对于含有断层、软弱夹层等不良地质地质条件下的边坡稳定性问题研究还少之又少。基于此笔者以胜利东二露天矿南帮滑坡区为工程背景，对影响南帮边坡稳定性的因素进行探讨，采用刚体极限平衡法与数值模拟相结合的方法，从控制南帮滑坡区边坡稳定性的角度出发，合理设计了南帮最终边坡形态，研究成果对于胜利东二露天矿开采设计与安全实施具有重要的现实意义，同时为类似条件下滑坡区压煤回采提供了借鉴。
1 边坡工程地质特征及计算方法分析
1.1 边坡工程地质特征
胜利东二露天矿南帮边坡岩土体自上而下有：第四系、新近系上新统、中生界白垩系下统巴彦花群胜利组。第四系以砂质黏土为主，细砂、中砂次之，粗砂最少，属于松散岩层及软岩类。新近系岩层孔隙率、含水率普遍较高，岩石单轴抗压强度普遍较低，胜利东二露天矿内的含水层由上至下为第四系松散岩类孔隙潜水含水层，新近系孔隙、裂隙潜水含水层，4煤组基岩裂隙、孔隙承压含水岩组，5煤～6煤组裂隙、孔隙承压含水层和7煤～11煤组裂隙、孔隙承压含水层。矿区含水层间均发育有稳定的隔水层，即新近系上新统隔水层和基岩煤系地层间隔水层；境界内有大小断层9条，均为正断层，走向多为N60°E左右。在首采区拉沟位置附近有F61、F63、F65、F68和F8断层。本文选取第35、36剖面(图1)作为研究对象。各地层岩土体物理力学参数见表1。
图1 南帮边坡工程地质平、剖面图
Fig.1 Engineering geologic plan and profile of southern slope
表1 岩体物理力学指标
Table 1 Indexes of rock mass physical and mechanical
地层黏聚力/MPa内摩擦角/(°)岩体容重/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比第四系0.0128.020.51250.39新近系0.0721.018.54500.31泥岩0.0823.022.23000.34砂岩0.1131.022.26000.27煤0.6144.513.24750.29弱层0.0110.010.0100.45
1.2 边坡稳定性分析方法
经过多年的发展，边坡稳定性分析方法可归纳为：工程地质类比法、传统刚体极限平衡分析法、数值模拟计算法、可靠性分析法[9-11]。每一种方法都有其特点和适用范围，工程地质类比法经验性强，只有阅历丰富的地质学家才能掌控；传统刚体极限平衡分析法是目前应用范围最广且极为简单的一种计算边坡稳定性的方法；FLAC3D数值模拟分析法目前在全球范围内得到广泛应用，它采用混合离散法来模拟材料的破坏和流动并且采用显式差分法求解微分方程，能够避免应用大变形本构关系时所遇到的麻烦。它还是一种三维快速拉格朗日分析程序，利用其显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性[12-13]。该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形；可靠性分析法是基于现代数学方法研究出的一种边坡稳定性评价方法[14-15]。经过对上述分析方法的多方面对比，笔者采用基于CAD平台并根据简化Bishop法[16]和剩余推力法[17]这2种方法而自主研发的二维刚体极限平衡分析法软件和FLAC3D数值模拟分析法[18]，从控制软岩边坡稳定性问题出发对南帮边坡稳定性进行深入研究，以最大限度安全回收底部6煤组。
2 南帮滑坡区压煤回采边坡稳定性分析
对于胜利东二露天煤矿南帮边坡现状，压煤区存在2个正断层F68、F8，坡体内发育有多个顺倾软弱夹层由于断层与软弱夹层的存在对于露天矿的安全生产具有重大威胁。为了能够安全高效的将煤采出，须对南帮边坡空间形态进行设计，同时提出合理的边坡稳定性控制措施。胜利东二露天矿南帮滑坡区压煤回采采用横采内排的方式进行开采，因此南帮边坡暴露时间较短，属于临时边坡。根据上述分析，按照《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2005)中的规定，其安全储备系数宜为1.0～1.2。综合考虑到南帮边坡的重要程度及暴露时间，最终确定南帮断壁以下边坡的安全储备系数大于1.0即可。
针对南帮边坡工程地质条件，南帮第35、36剖面间采用横采内排压帮开采方式，考虑到边坡稳定性三维效应影响因素中开挖角度对边坡三维稳定性影响较小，最终确定第35、36剖面开挖角度为30°，分别计算了第35、36剖面将F8断层上盘煤全部采出及沿6煤底板留煤柱0、50、100 m和将F68上盘滑体清理50、100 m时南帮边坡的稳定性。计算结果见表2和如图2、图3所示。留不同煤柱长度边坡稳定性变化规律曲线如图4所示。
表2 不同留设煤柱长度边坡稳定性计算结果
Table 2 Slope stability calculation results of different lengths of coal pillar
剖面稳定系数留100m煤柱留50m煤柱留0m煤柱清理50m滑体清理100m滑体350.9790.9941.0311.071.103360.8370.9711.0271.061.096
由计算结果可知，由于6煤底板赋存有软弱夹层，造成南帮滑坡区35、36剖面留不同长度煤柱时边坡稳定性均小于1.0，且留煤柱越长边坡稳定性越小；南帮滑坡区第35、36剖面将F8断层上盘煤全部采出时稳定性系数分别为1.030、1.027，边坡处于极限状态，若清理F68断层上盘滑坡体50、100 m时稳定性变化较小，即清理滑坡体对提高边坡稳定性效果并不明显，考虑到滑坡区压煤回采采用横采内排的开采方式，南帮边坡暴露时间较短，属于临时边坡，因此最终确定采用将南帮滑坡区第35、36剖面F8断层上盘煤全部采出的方案。
图2 35剖面计算结果
Fig.2 No.35 profile calculation results
图3 36剖面计算结果
Fig.3 No.36 profile calculation results
图4 留不同煤柱长度边坡稳定性变化规律
Fig.4 Stability law of slope stability with different pillars
3 稳定性分析数值模拟
由于传统的刚体极限平衡理论没有考虑岩土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，因此，当边坡破坏机制复杂或边坡分析需要考虑应力变形时，宜采用FLAC3D分别对各典型剖面边坡的稳定性进行分析，研究其变形破坏特征，分析滑坡机理[19-20]。对于横采条件下，南帮边坡稳定性除受弱层暴露时间与断面形态影响外，还受到横采工作帮与内排土场的双重支挡作用，为提高计算结果的可靠性，有必要采用三维数值模拟手段对合理设计后边坡稳定性进行分析。
为尽可能反映南帮边坡的稳定性，依据现场实际情况及对南帮边坡的初步分析，选择具有代表性的36剖面作为本次数值模拟的基础，考虑到实际剥采工程发展过程中采运设备布置空间需要，仅对追踪距离10、50 m条件下横采工作帮留1、2个工作平盘时南帮边坡进行稳定性验算，方案如下：Ⅰ(内排距10 m、1个工作平盘)、Ⅱ(内排距10 m、2个工作平盘)、Ⅲ(内排距50 m、1个工作平盘)、Ⅳ(内排距50 m、2个工作平盘)。根据建立的模型和实际条件确定边界条件为模型(图5)左右及前后边界施加水平约束，即模型的边界水平位移为零；模型的底部边界固定，即底部边界水平、铅直位移为零；模型顶部及坡面部位为自由边界，模拟结果如图6—图8所示，计算结果见表3。
图5 横采内排模型
Fig.5 Cross exploitation and inner dumping mining model
通过分析模拟得出的位移云图、剪应变增量图，可获得不同内排跟踪距离与横采工作帮坡角条件下边坡临界失稳时的变形破坏特征各方案Ⅰ—方案Ⅳ计算得到稳定系数Fs分别为：1.423、1.396、1.283、1.209。显然，当内排追踪距离小于50 m，横采工作帮无论留1个或2个工作平盘，大型滑坡区均位于南帮断壁以上边坡，且随着弱层暴露长度的增加，最大位移量也逐渐增加；根据最大位移、剪应变增量可以清晰的看出，由于边坡体内存在弱层，其抗剪强度比较低，极易沿弱层发生剪切破坏，形成剪切圆弧-顺层滑移；断壁附近变形相对较大，且越靠近坡脚，位移越明显，出现应力集中现象。
图6 横采内排模型总位移
Fig.6 Total displacement of cross exploitation and inner dumping mining model
图7 沿Y方向切面总位移
Fig.7 Displacement of Direction Y
图8 沿Y方向切面剪切应变增量
Fig.8 Shear strain increment of Direction Y
综上分析，最终确定胜利东二露天矿南帮横采内排跟踪距离为10 m、横采工作帮留1个工作平盘；采用横采内排跟进的开采方式，控制南帮边坡开口尺寸，可保障南帮边坡的稳定，安全采出35—36号勘探线间F8断层上盘的滑坡区压煤100万t，全部为6煤，清理滑坡体270万m3，平均剥采比为2.7 m3/t，经济效益非常显著。
4 结论
1)滑坡区F8断层上盘留不同长度煤柱时的边坡稳定性均小于1.0，且留煤柱越长边坡稳定性越小；当清理F68断层上盘滑坡体小于100 m时南帮边坡稳定性变化较小，即清理滑坡体对提高边坡稳定性效果并不明显；压煤回采最终确定采用将滑坡区F8断层上盘煤全部采出的方案。
2)滑坡区压煤回采最终确定采用将滑坡区F8断层上盘煤全部采出的方案，南帮35、36剖面局部帮坡角为30°，台阶高度15 m，台阶坡面角65°。
3)根据实际剥采工程发展过程中采运设备布置空间需要及安全问题，最终确定横采内排跟踪距离为10 m、横采工作帮留1个工作平盘。
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