复合煤层露天矿软岩边坡参数逐阶段优化方法研究

顺倾层状边坡是指地层倾向临空面的层状结构边坡，易沿顺倾层面发生滑坡，是边坡工程领域研究的重要类型之一。近年来，我国露天煤矿的规模不断增大、数量不断增加，其中大部分为复合煤层露天矿，其非工作帮顺倾层状边坡的变形破坏、模式受到各煤层顶、底板弱层的控制，稳定性问题越来越受到露天开采领域工程技术人员的广泛关注。

露天矿采场空间形态问题既是安全问题，又是经济问题。复合边坡稳定性分析作为安全工程重要的研究领域，学者们对其的研究历史悠久。近年来，国内外一些学者针对常规形态下复合边坡稳定性分析展开了一系列的研究。曹兰柱等基于强度折减理论，以宝日希勒露天煤矿二采区西帮边坡为工程背景，应用刚体极限平衡理论定量分析了二采区西帮采场边坡及内排土场边坡的潜在滑坡模式，对北帮复合边坡稳定性进行了数值模拟，揭示了二采区西帮土-岩复合边坡的变形破坏机理及其稳定性；王东等[2]针对不同空间形态下露天矿顺倾软岩边坡稳定性进行数值模拟研究，得出边坡稳定性随着追踪距离增大而逐渐降低的结论，并在现场实施中取得效果显著；张莲花等[3]在详细分析了复合边坡工程地质情况下，以搜索滑面法确定了复合边坡上部松散土体的圆弧滑裂面，认为下部岩体发生组合滑动，应用传递系数法计算分析了边坡整体稳定性；林杭等[4]采用数值模拟手段对层状边坡进行分析，探究了其变形模式，分析了岩体内部所含有的结构面对边坡稳定性的影响，得出了结构面倾角变化时边坡的变形破坏方式也会变化、顺倾边坡稳定性系数明显低于逆倾边坡的结论。宋子岭等[5]通过2D/3D有限差分强度折减法计算，探究了二维和三维稳定性系数与软弱夹层倾角及厚度之间的变化关系，揭示了二维和三维计算结果显示的变形范围不同的原因是边坡的三维约束效应。在以往的工程中，广泛采用较为成熟的二维极限平衡法对露天采场边坡形态进行设计，该种方法通常只考虑整体边坡的整体稳定性满足一定的安全储备系数，对于稳定性受含多个顺倾弱层控制的复合煤层露天矿高大采场边坡，无法考虑不同埋深地层的岩性条件和各弱层在发育形态上的差异，无法实现对该类边坡形态的优化设计，往往造成未降深至坑底时就沿浅部弱层发生滑坡，给露天矿安全生产造成了较大威胁[6-8]；有时也会造成局部边坡设计偏于保守，影响露天矿经济效益。因此，需要提出一种新的复合煤层露天矿采场边坡形态的优化方法，为优化设计该种条件下能够同时满足安全、经济要求的采场边坡形态提供科学手段[9-11]。

1 顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法原理

假设坡体内共有n个弱层，自上而下编号为1、2、…、i、…n，弱层1上部边坡为阶段1，弱层1和弱层2之间的边坡为阶段2，弱层i-1和弱层i之间的边坡为阶段i，边坡自上而下共划分为n个阶段。优化设计露天矿边坡形态时，台阶高度及坡面角往往是已知的，边坡形态仅与各台阶的平盘宽度相关，因此从边坡的稳定性出发，逐阶段确定各个台阶的平盘宽度即可实现对整体边坡形态的优化。复合煤层露天矿顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法原理如图1所示。

令某阶段边坡平盘宽度为B，煤层底板留设宽度为D，Fs为边坡局部的稳定系数，F′s为边坡整体的稳定系数，K为综合考虑边坡类型、服务年限、重要程度等因素，参照《煤炭工业露天矿设计规范》确定的边坡安全储备系数，a并作如下假设：

自上而下逐阶段进行边坡稳定性计算，对于给定的台阶平盘宽度，若稳定系数Fs小于安全储备系数K，则逐步增大平盘宽度；若稳定系数Fs大于安全储备系数K，则逐步减小平盘宽度，直至|Fs-K|≤0.01。此时对应的平盘宽度为优化设计的平盘宽度。

2 工程背景

2.1 边坡工程地质条件

白音华一号露天矿地层自下而上由白垩系、新近系、第四系地层组成。其中，白垩系地层以泥岩、泥质砂岩为主，为层状结构；新近系地层以红黏土为主，半固结状态；第四系以细砂、中砂为主，结构松散。从勘探钻孔岩心揭露、现场写实等表明，白音华一号露天煤矿边坡岩体内赋存有多个软弱层(面)。在1煤的底板以下17 m、2煤顶板以下2 m、3-1煤底板、3-2煤底板，软弱夹层的存在会大大削弱岩体的力学性质及其稳定性、各地层岩体的物理力学指标见表1。

2.2 安全储备系数的选取

依据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》中对边坡安全系数的规定。评价标准为：采场非工作帮边坡服务年限10年以下Fs宜采用1.1～1.2；考虑到北帮边坡暴露时间小于10 a，计算可知，北帮边坡安全储备系数选取范围在1.1～1.3。

边坡的暴露时间t为

式中：H为各阶段边坡高度，4个关键性弱层赋存位置不同，H则不同；L为横采内排时的追踪距离，50 m；V为工作帮与非工作帮的年推进度，100～200 m/a；α为工作帮帮坡角，12°～18°；β为非工作帮坡角，12°～18°。

2.3 计算剖面的选取

白音华一号露天矿北帮为非工作帮，将边坡自上而下划分为4个阶段，弱层 1(1煤b底板以下17 m)以上边坡为阶段1，安全储备系数为K1；弱层1和弱层2(2煤顶板下2 m)之间的边坡为阶段 2，安全储备系数为K2，弱层2和弱层3(3-1煤底板弱层以上)之间的边坡为阶段3，安全储备系数为 K3，弱层3和弱层4(3-2煤底板弱层以上)之间的边坡为阶段4，安全储备系数为K4；最终确定白音华1号露天煤矿北帮安全储备系数K1、K2、K3、K4分别为1.20、1.18、1.11、1.10。边坡形态优化设计时，保留原设计组合台阶形式，台阶高度 13.5 m，台阶坡面角65°，运输平盘留设宽度为25 m，清扫平盘留设宽度为12.5 m；当各阶段整体边坡稳定性小于安全储备系数时，通过调整煤层底板平盘宽度使整体边坡达到安全要求；当各阶段局部边坡稳定性小于安全储备系数时，须加大各阶段等分平盘宽度使局部边坡达到安全要求，典型工程地质剖面如图2所示。

2.3 北帮边坡稳定性计算及形态优化

以北帮边坡局部及整体稳定性均等于安全储备系数作为边坡最优形态设计的阀值，承继非线性的坡面形态优化原则，以煤层底板作为分阶段节点进行外凸坡面边坡形态设计。当运输平盘或清扫平盘布置于各煤层时，运输平盘留设宽度为25.0 m，清扫平盘留设宽度为12.5 m；当各阶段整体边坡稳定性小于安全储备系数时，通过调整煤层底板平盘宽度使整体边坡达到安全要求；当各阶段局部边坡稳定性小于安全储备系数时，须加大各阶段等分平盘宽度使局部边坡达到安全要求。基于边坡断面形态分阶段优化方法理论，将煤层底板段边坡分段点进行外凸坡面边坡形态设计。采用边坡局部加陡或者减缓的方法进行分区段设计，但该局部区段稳定性必然受到影响，故而边坡断面形态设计中不仅对整体边坡稳定性有一定的掌控而且必须重点考量局部区段边坡稳定性，即保证整体及局部边坡均满足安全储备系数要求。除此之外，在边坡断面形态设计过程中应保证主煤层最大程度开采。边坡设计形态及稳定性系数如图3所示，边坡设计形态参数见表2。

图3和表2给出了能够满足安全要求的3种不同边坡位置与形态方案。由于露天矿边坡设计还受经济与矿权界限制，应用面积比法，计算获得了方案Ⅰ与Ⅱ、方案Ⅱ与Ⅲ之间的平均剥采比，分别为2.76 m3/t和3.20 m3/t，均满足规范对褐煤露天矿经济合理剥采比的要求。为此，方案Ⅰ所示的边坡位置与形态为对最优方案。

3 边坡稳定数值模拟

白音华一号露天煤矿北帮边坡为典型的顺倾层状边坡，并且岩土体材料内部结构较为松散。故而本文拟用Mohr-Coulumb本构模型对北帮边坡(方案Ⅱ)进行数值模拟研究[12-13]，基于强度折减理论,对岩土体物理力学指标进行循环折减,计算终了时折减系数为1.112,边坡处于临界失稳状态,因此确定其边坡稳定系数为1.112。FLAC3D软件程序将计算边坡划分为若干集合体单元,这些单元在给定的边界条件下应用有限差分法计算求解场微分计算公式,并应用了混合单元离散模型概念,非常适用于分析边坡变形和失稳过程[14-15]。该软件在进行岩土体工程的数值模拟分析时,用户建立的模型被视为多个四面体组成的集合体,比较精准地模拟岩土体受力时的屈服应变、塑性流动等物理变化,其变形特征随材料划分的网格也会随之变化。根据北帮边坡各地层岩性及弱层特征构建边坡模型，通过数值模拟手段分别得到边坡临界破坏状态时的水平应力云图、垂直应力云图、最大位移云图以及剪切应变增量云图，如图4所示。研究其变形破坏规律，揭示其滑坡机理，验证二维刚体极限平衡计算结果，为未来实施滑坡治理工程提供技术支持[2，16]。

图4a中的数值模型，分别划分了23 857个单元和8 534个节点。依据白音华一号露天煤矿北帮工程地质条件，建立的边坡模型自上到下分别为第四系、新近系、煤层、泥岩、弱层、粉砂。图4b为临界破坏状态下的最大位移云图，边坡位移最大的区域为边坡的中下部，上部位移较小，说明边坡在破坏时由下部滑体牵引着上部滑体产生移动，按力学成因为牵引式滑坡，同时滑体的潜在运动方向呈圆弧滑动趋势，坡体内以近似圆弧为剪切破坏带的底滑面贯通，破坏面一旦形成，滑体将在自身重力作用下沿煤层底板弱层面剪出，形成切层-顺层式破坏；图4c为临界状态下剪切应变增量图，边坡破坏的主要原因是由剪切应力集中造成的，图中非常明显的展现了边坡变形破坏面，在边坡的坡脚处剪切应变增量明显，边坡沿坡脚发生剪切破坏，为切层-顺层式破坏；图4d为水平应力云图，图中显示水平应力在边坡表面较低，向坡体内部逐渐增大，这是受泊松效应的影响，同时，在坡脚处形成了一定程度的应力集中，这对边坡稳定非常不利[17-19]。

4 结论

1)提出一种新的复合煤层软岩露天矿顺倾层状边坡参数逐阶段形态优化方法，能够克服以往工程界将露天采场边坡整体设计成一个边坡角存在的不足，用于同时从安全与经济2个方面优化设计复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态。

2)逐水平优化后，1煤底板弱层以上台阶边坡角12°，阶段1边坡平台宽度25 m；2煤顶板弱层以上台阶边坡角22°，阶段2边坡平盘宽度30 m；3-1煤底板弱层以上台阶边坡角15°，阶段3边坡平盘宽度54 m；3-2煤底板弱层以上台阶边坡角14°，阶段4边坡平盘宽度25 m。

3)通过对其逐阶段空间形态优化，北帮最终设计边坡角由13°提高至15°，2煤多采出 443万t，多剥离岩量167万m3，剥采比为0.376 m3/t。

4)经模拟验证，北帮边坡设计合理，滑面位置与简化Bishop法计算结果相吻合。

[1] 曹兰柱,王珍,王东,等.露天煤矿端帮逆倾软岩边坡稳定性研究[J].煤炭科学技术,2017,45(3):1-6.

CAO Lanzhu,WANG Zhen,WANG Dong,et al.Study on the stability of the soft rock slope at the end slope of open pit coal mine[J].Coal Science and Technology,2017,45 (3):1-6.

[2] 王东,赵明明,贾宏君.露天矿顺倾软岩边坡稳定性三维效应及其应用[J].中国地质灾害与防治学报,2017,28(4):53-58.

WANG Dong,ZHAO Mingming,JIA Hongjun.Three-dimensional stability effect and its application of inclined soft rock slope in open pit mine[J].Chinese Journal of Geological Hazards and Control,2017,28(4):53-58.

[3] 曹兰柱,李广贺,王东.露天矿土-岩复合逆倾边坡空间形态优化[J].金属矿山,2016,45(9):49-52.

CAO Lanzhu,LI Guanghe,WANG Dong.Spatial shape optimization of soil-rock composite anti-dip slope in open pit mine[J].Metal Mine,2016,45 (9):49-52.

[4] 王东,张禹,曹兰柱,等.露天矿边坡稳定性的断面形态效应研究[J].中国安全科学学报,2018,28(1):105-111.

WANG Dong,ZHANG Yu,CAO Lanzhu,et al.Effect of section shape on slope stability of open pit mine[J].China Safety Science Journal,2018 ,28(1):105-111.

[5] 宋子岭,高猛,赵立春,等.含顺倾弱层土岩复杂边坡的二维和三维计算结果分析[J].世界科技研究与发展,2015,37(6):697-700.

SONG Ziling,GAO Meng,ZHAO Lichun,et al.Two-dimensional and three-dimensional computational results analysis of complex slopes with progressive weak beds[J].World Science and Technology Research and Development,2015,37(6):697-700.

[6] 王林峰,唐红梅,唐芬,等.复杂结构面缓倾层状岩体边坡破坏机制[J].岩土工程学报,2017,39(12):2253-2260.

WANG Linfeng,TANG Hongmei,TANG Fen,et al.Failure mechanism of gently inclined layered rock mass slope with complex structural plane[J].Journal of Geotechnical Engineering,2017,39 (12):2253-2260.

[7] GARMONDYU E.CRUSOE JR(克鲁索).露天矿复合边坡形成和变形失稳机理及关键因素优化研究[D].徐州：中国矿业大学,2017.

[8] 闫俊,韩文喜,齐得旭.基于离散元的西南某露天矿岩质高边坡稳定性分析[J].资源环境与工程,2018,32(4):624-628.

YAN Jun,HAN Wenxi,QI Dexu.Stability analysis of high rock slope of an open pit mine in southwest China based on discrete element method[J].Resources,Environment and Engineering,2018,32 (4):624-628.

[9] 曹兰柱,刘帅,高峰,等.露天煤矿复合煤层边坡空间形态优化[J].煤炭科学技术,2017,45(6):131-136.

CAO Lanzhu,LIU Shuai,GAO Feng,et al.Spatial shape optimization of composite coal seam slope in open pit coal mine[J].Coal Science and Technology,2017,45 (6):131-136.

[10] 陈祖煜,徐昱,孙平.考虑岩体抗剪强度各向异性特征的边坡稳定分析方法[J].兰州大学学报：自然科学版,2015,51(6):759-767.

CHEN Zuyu,XU Yu,SUN Ping.Slope stability analysis method considering anisotropic shear strength of rock mass[J].Journal of Lanzhou University：Natural Science Edition,2015,51 (6):759-767.

[11] 白润才,白文政,刘光伟,等.含弱层的复合边坡稳定性研究及应用[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2018,37(1):61-65.

BAI Runcai,BAI Wenzheng,LIU Guangwei,et al.Study and application of composite slope stability with weak layer[J].Journal of Liaoning University of Engineering and Technology:Natural Science Edition,2018,37(1):61-65.

[12] 宋子岭,高猛,赵立春,等.含顺倾弱层土岩复杂边坡的二维和三维计算结果分析[J].世界科技研究与发展,2015,37(6):697-700.

SONG Ziling,GAO Meng,ZHAO Lichun,et al.Two-dimensional and three-dimensional computational results analysis of complex slopes with consequently inclined weak layers[J].World Science and Technology Research and Development,2015,37 (6):697-700.

[13] 刘闯,白润才,刘光伟,等.复合煤层露天矿下部煤层开采境界优化[J].煤炭学报,2015,40(9):2 085-2 090.

LIU Chuang,BAI Runcai,LIU Guangwei,et al.Optimization of mining limits of deep-seated coal seams in multi-seams surface coal mine[J].Journal of China Coal Society,2015,40(9):2085-2090.

[14] 杜俊.尖山磷矿层状边坡变形失稳模式研究[D].昆明：昆明理工大学,2014.

[15] 曹兰柱,孙成亮,王东,等.FLAC3D的露天矿边坡变形破坏数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2016,35(7):679-682.

CAO Lanzhu,SUN Chengliang,WANG Dong,et al.FLAC3D numerical simulation analysis of slope deformation and failure in open pit mines[J].Journal of Liaoning University of Engineering and Technology:Natural Science Edition,2016,35 (7):679-682.

[16] 曹兰柱,黄浩轩,王东,等.露天矿土-岩复合边坡形态优化设计[J].安全与环境学报,2018,18(3):957-962.

CAO Lanzhu,HUAN GHaoxuan,WANG Dong,et al.Optimum design of soil-rock composite slope morphology in open pit mine[J].Journal of Safety and Environment,2018,18(3):957-962.

[17] 王珍.断层对顺倾层状边坡滑移模式与稳定性的影响研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2015.

[18] 沈金瑞,林杭.多组节理边坡稳定性FLAC3D数值分析[J].中国安全科学学报,2007,17(1):29-33.

SHEN Jinrui,LIN Hang.Multiple sets of joints and slope stability FLAC3Dnumerical analysis[J].China Safety Science Journal,2007,17(1):29-33.

[19] 杨光.基于FLAC3D的边坡稳定性研究[J].计算机与数字工程,2013,41(3):72-74

YANG Guang.Slope stability research based on FLAC3D[J].Computer and Digital Engineering,2013,41(3):72-74