0 引 言
边坡工程一直为露天采矿工程界的核心问题，也是工程界与学术界急需解决的工程难题。而边坡稳定性分析与评价是露天矿边坡工程中需要首要解决问题，也是解决边坡工程问题的前提与基础[1]。目前，数值分析方法中的有限差分强度折减法受到一些国内外知名学者及岩土专家较大关注，该方法在分析边坡稳定程度时，不需要假定滑动面的形状和位置，并且能够模拟边坡的渐进破坏过程，同时提供应力状态、应变关系和临界失稳位移等应力与变形破坏的全部信息[2-5]。曹兰柱等[6]以强度折减法(SRM)法为基础，应用FLAC3D软件模拟了含多条弱层的地质条件下复合边坡的失稳破坏的特点及其对稳定性的影响，并提出边坡治理措施；张信等[7]将边坡失稳判据设定为摩尔-库仑准则，结合强度折减理论，以FLAC3D数值模拟为研究手段，对顺倾软弱基底内排土场进行了稳定性分析，确定了边坡的破坏模式，展现了滑坡机理；周元辅等[8]提出了以贯通率增量和折减系数曲线上的突变点来判别边坡稳定性，优化了强度折减法的三维边坡失稳判据；王东等[9]应用FLAC3D软件分析了优化后到界边坡滑坡模式及稳定性变化规律；唐春安等[10]将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程分析RFPA方法中，建立RFPA-SRM岩土工程稳定性强度折减分析方法。
综上所述，以有限差分强度折减法为理论基础，运用FLAC3D构建数值模型进行精准、高效对边坡稳定性进行模拟并进行合理设计是一种科学、有效的分析方法。但对于含有弱层等复杂工程地质条件下的采、排复合边坡稳定性、破坏模式、力学机制、滑坡机理问题研究还甚少[11-15]。基于此，笔者以白音华一、二号露天煤矿相邻端帮压煤区实施协调开采后形成采、排场复合边坡为工程背景，采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型深入研究含有顺倾弱层复合边坡稳定性，提出合理的边坡设计及稳定性控制方案，确定最优的边坡空间形态，可最大限度地提高煤炭资源回收量。
1 工程概况
白音华一号露天矿首采区东帮与二号露天矿首采区西帮相邻如图1所示。
图1 白音华一、二号矿首采区相邻端帮压煤情况
Fig.1 Situation of coal under adjacent end slope of No.1 coal mine and No.2 coal mine in Bai Yinhua
两矿采矿权间隔按国家批复距离为200 m，按设计的两矿端帮最终边坡角核算，两矿相邻东、西端帮压煤为1.41亿t，端帮压煤为一梯形状，压煤量大。同时，两矿相邻端帮存在滑坡和煤炭自燃隐患，随着后期开采深度的加大，必然导致边坡稳定程度下降，存在严重安全隐患。
2 复合边坡工程地质特征分析
根据复合边坡岩性、结构类型、弱层赋存条件及稳定性等工程地质特征，将复合边坡岩组上下分为3个工程地质分带：以地表为界，以上排弃物构成上部工程地质分带，由于不受弱层影响，其自身稳定性较好；以新近系底砾岩为界，以上为中部工程地质分带；从新近系底板以下煤系地层为下部工程地质分带。南边坡工程地质分带及其稳定性特征见表1。
表1 南帮边坡工程地质分带及稳定性特征
Table 1 Engineering geological zoning and stability characteristics of south slope
分带岩性弱层赋存特征岩体结构类型水文条件分带稳定性特征上分带剥离物类均质松散体结构— 本身稳定性较好,主要取决于基底岩性中分带第四系松散砂及新近系黏土新近系顶底板赋存近水平弱层松散体结构第四系孔隙潜水含水层,新近系隔水层 稳定性较差,易坍塌,但较下分带好下分带煤系地层泥岩、砂岩及煤各煤层顶底板赋存顺倾弱层层状结构3煤组含水层,夹泥岩隔水层 稳定性极差,易沿弱层发生滑移
复合边坡地层自上而下分别为排弃物、第四系粉细砂、新近系黏土、白垩系泥岩、3煤与泥岩及煤底板弱岩构成。即边坡内部在3-3煤层底板赋存弱层，岩土体物理力学指标见表2。
通过以上地质特征分析可知，弱层是控制南边坡的控制性因素，考虑弱层的倾向及产状，所以选择该剖面垂直于边坡走向，基本与弱层倾向平行，图2、图3分别为边坡计算剖面位置平面图及典型工程地质剖面图。同时，在距南帮境界100～300 m处已形成高度为60～100 m南排土场，与采场边坡构成了采、排场高陡复合边坡，使形成南边坡稳定程度更低，由于排土场距离采场南边坡的距离越小，南边坡稳定程度越低，为了研究排土场对采场南边坡的影响，因此选取安全距离最小的区段进行研究。
表2 岩土体物理力学指标
Table 2 Physical and mechanical index of rock and soil
地层岩体容重γ/(kN·m-3)黏聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)弹性模量/GPa泊松比排弃物17.825.3817.491.480.25第四系砂土17.5023.980.030.32新近系黏土19.385.0024.000.860.26炭质泥岩18.330.0014.220.640.29煤13.958.0026.320.420.28弱层20.27.3.008.000.200.26泥岩基地20.126.0021.851.330.29
图2 边坡计算剖面位置
Fig.2 Calculation profile position of slope
图3 典型工程地质剖面
Fig.3 Typical engineering geological profile
3 压煤区复合边坡稳定性三维分析
二维极限平衡法通过改进已日臻完善，能够全面、准确的适用于各种类型二维边坡稳定性分析计算[16-18]。但是，二维极限平衡法将边坡计算模型简化为平面问题，无法考虑边坡滑体的三维效应，而边坡滑坡破坏往往表现为三维的几何形态[19-20]。而强度折减法运用在FLAC3D三维建模软件中，不仅可以分析三维边坡稳定性，而且还能计算复杂的边坡问题[21]。
3.1 强度折减法的计算原理
强度折减理论被广泛应用在岩土工程数值模拟计算领域中，通过大量的实践证明了其理论的可靠性、全面性、真实性，并得到专家和工程技术人员的认可，该理论原理应用简单可靠的摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)作本构模型，将岩、土材料的抗剪力学强度参数黏聚力 、摩擦角同时除以一个折减的系数 ，得到一组新的抗剪强度参数黏聚力 、摩擦角，将其作为新的物理力学参数输入模拟软件(有限差分或有限元)进行反复的试算，当边坡岩体达到给定的临界失稳状态判定条件时，所对应的折减系数 被称为边坡的最小稳定系数。
3.2 三维数值模型建立
三维边坡计算模型应尽力贴近实际工程情况，使计算模型及结果更有说明力。结合类似工程实际，为确保协调开采区复合边坡稳定性，实施内排追踪压帮开采方式，确定最低内排压帮高度3-1煤层底板，倾向压帮长度150 m，内排土场工作帮坡角12°，采场工作帮坡角14 °，因为计算模型很多，现已深部开挖坡角20 °，弱层暴露长度100 m，模型加载方式为重力加载如图4所示，其他不同深部开挖角度及不同弱层暴露长度模型于此类似。此模型划分节点数26 173个，划分单元数135 513个，为避免边界效应对计算结果的影响，模型的尺寸应满足Goodman建议要求；模型的底部设置X、Y、Z方向约束，侧界面分别设置X和Y方向约束，即模型四周与底部分别采用水平和垂直位移约束，即水平、垂直位移为0，模型的临空坡面、横采工作帮坡面与内排土场坡面为自由面。
图4 三维数值模拟模型
Fig.4 Three - dimensional numerical simulation model
3.3 复合边坡三维数值模拟分析
在实施协调开采贯通采场过程中，必然形成一个含多顺倾弱层的由采、排场构成高陡复合南边坡。由于3-3煤层底板赋存弱层，对边坡稳定性极为不利，压煤区南边坡存在安全隐患，所以在开采3煤过程中，必须采用横采内排开采方式来控制坡体内弱层的暴露长度与深部开挖坡角来研究协调开采压煤区南边坡稳定性。为了分析弱层暴露长度及深部开挖坡角对复合边坡空间形态稳定性的影响，以工程地质典型剖面为基础，分别建立了开挖3-3煤层底板弱层暴露长度分别为50、100、200、300、400、500 m，深部开挖坡角分别为15°、20°、25°、30°、35°，共计30个复合边坡的三维模型。其中，所构建模型边坡岩体上方有覆盖层，边坡后方有排土场。通过FLAC3D计算模拟不同弱层暴露长度及不同开挖坡角三维模型，得到复合边坡弱层暴露长度及深部开挖坡角与稳定性系数规律如图5、图6所示，以此来确定复合边坡空间形态。同时，考虑到3煤开采程序由纵采向横采过渡，具备了内排压帮的条件，按照GB 50197—2005 《煤炭工业露天矿设计规范》要求，因缩短了采、排场复合边坡服务年限，所以确定其安全系数为1.1。
图5 3-3弱层暴露长度与边坡稳定系数的关系
Fig.5 Relationship between exposure length of No.3-3 weak layer and coefficient of slope stability
图6 深部开挖坡角与边坡稳定系数的关系
Fig.6 Relationship between slope angle of deep excavation and coefficient of slope stability
由图5、图6可知，在开挖坡角一定时，弱层暴露长度不大于100 m，边坡稳定系数随着弱层暴露长度的增加呈直线型降低；弱层暴露长度100～400 m，边坡稳定系数随着弱层暴露长度的增加呈单双曲线型降低；弱层暴露长度大于400 m，边坡稳定系数随着弱层暴露长度的增加趋于定值。开挖坡角小于20°，3-3弱层暴露长度为300 m，南边坡的稳定系数刚好达到安全系数1.1；开挖坡角25°，弱层暴露长度为200 m，南边坡的稳定系数刚好达到安全系数1.1；开挖坡角30°～35°，3-3弱层弱层暴露长度为100 m，南边坡的稳定系数满足安全系数1.1要求，通过强度折减法计算三维边坡模型可知，满足安全系数1.1时最大弱层暴露长度和深部开挖坡角都有确定的值与之对应。
4 南边坡安全系数的优化
根据上述三维数值模拟的结果，满足安全系数为1.1时最大弱层暴露长度和深部开挖坡角都有确定的值与之对应。结合横采内排工作帮和内排土场的参数，最终可确定采、排场复合边坡的空间形态如图7所示，开挖角度为定值时，可确定一个弱层暴露长度的值使其满足边坡安全系数1.1要求。弱层暴露长度为定值时，可确定开挖坡角的值使其满足边坡安全系数1.1要求。但是为了最大限度开采煤炭资源，同时确保南边坡的稳定性，应尽量增大开挖角度，同时缩短弱层暴露长度来控制南边坡稳定。当深部开挖坡角小于25°，弱层暴露长度为300 m，可最大限度采出煤炭资源421.5万t；当深部开挖坡角等于25°，弱层暴露长度为200 m，可最大限度采出煤炭资源612.1万t；当深部开挖坡角大于25°，弱层暴露长度为100 m，可最大限度采出煤炭资源537.2万t；以煤炭开采最大化为原则，基于强度折减法优化后，可确定深部开挖坡角25°，压煤区复合边坡角可提高至14°，弱层暴露长度200 m，可使煤炭开采效益最大化可最多开采612.1万t。
图7 复合边坡空间形态与参数
Fig.7 Spatial form and parameters of composite slope
5 结 论
1)复合边坡临界失稳时边坡变形破坏主要受弱层面控制，失稳模式为排土场与开挖后的临空面与3-3弱层为底界面的切层-顺层组合滑动。
2)通过弱层暴露长度与深部开挖坡角同三维边坡稳定系数的关系曲线，开挖坡角对边坡稳定性影响相对平缓，弱层暴露长度对边坡稳定性影响相对明显。
3)开挖角度为定值时，可确定一个弱层暴露长度的值使其满足边坡安全系数1.1要求；弱层暴露长度为定值时，可确定开挖坡角的值使其满足边坡安全系数1.1要求。
4)基于强度折减法优化后，可确定深部开挖坡角25°，压煤区复合边坡角可提高至16°，弱层暴露长度200 m，可使煤炭开采效益最大化。
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