Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．５８２ Ｏｃｔｏｂｅｒ．２０１７ 现代矿业 ＭＯＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 总第５８２期 ２０１７年１０月第１０期 黑岱沟露天矿首采区南端帮失稳破坏模式分析 赵鑫璐 张忠超 艾 畅 李正胜 （１．神华准能集团有限责任公司；２．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院） 摘要基于黑岱沟露天矿边坡工程背景和工程地质现状，针对首采区端帮排弃物复合边坡 开挖卸荷问题，采用数值模拟和现场监测相结合的方法进行研究。数值模拟分析表明，开挖卸荷影 响区域集中在端帮局部区域，后缘排弃物料区域影响较小；端帮边坡形成高陡临空面，岩体破碎，破 坏模式以圆弧破坏为主。监测结果表明，后缘排弃物料边坡呈现自重沉降，端帮区域边坡呈现局部 抬升变形，验证了复合边坡圆弧滑动破坏模式。结果为露天矿首采区端帮边坡滑动破坏防治提供 了依据。 关键词 露天煤矿 复合边坡 开挖卸荷 数值模拟 ＧＰＳ监测 黑岱沟露天矿现生产能力达３４ Ｍｔ／ａ，是我国单 矿生产能力最大的露天煤矿。当前黑岱沟露天矿正 在进行首采区转二条区，首采区南端帮边坡的稳定 性直接关系到矿山的安全高效开采。与普通的开挖 边坡不同，因上部二次剥离台阶及部分岩石台阶已 经到界，下部部分岩石台阶和煤台阶也将陆续到界， 开挖边坡与其后方哈尔乌素露天矿内、外排土场边 坡形成复合边坡体系，导致边坡失稳机理与常规边 坡不同，对边坡稳定性的正确合理评价也变得困 难 ４。。而对边坡失稳破坏模式的正确认识是边坡 失稳机理研究的基础，因此，研究黑岱沟露天矿首采 区南端帮边坡的失稳破坏模式已成为矿山目前急需 解决的技术难题之一。 开挖是边坡最常见的稳定性影响因素之一＿５ Ｊ， 直以来受到了工程技术人员的高度重视，目前研 究主要集中在水利水电和交通行业。哈秋龄 结 合三峡船闸边坡工程研究了开挖情况下边坡岩体的 各向异性特性、强度理论、尺寸效应、流变性质及宏 观力学参数的数值模拟方法，建立了一整套卸荷岩 体力学研究方法；盛谦等 采用非线性有限元分 析、现场试验、仪器监测、反分析和岩体质量分级等 手段研究了开挖影响下三峡船闸高边坡的开挖扰动 区的分布范围，并将之划分为开挖损伤区、卸荷影响 区和轻微扰动区，分析了开挖扰动区内岩体力学参 数的弱化效应，并指出实测的开挖扰动区与非线性 一等 则研究了边坡开挖过程中边坡应力的重分布， 提出边坡二次应力的“驼峰应力分布规律”，分析了 高边坡卸荷带的形成机理，并结合三峡船闸高边坡 的开挖和监测实践讨论了卸荷带的工程地质意义及 其力学形状；肖世国等 通过考察开挖松动区的应 力场与位移场特征，将边坡开挖应力场分为应力释 放区、应力集中区和原岩应力区，将边坡开挖位移场 分为松动区、塑性变形区和弹性变形区，讨论了应力 场和位移场分析的一致性。 针对黑岱沟露天矿首采区南端靠帮开采边坡稳 定性问题，通过分析边坡工程地质条件和稳定性影 响因素，结合数值分析和位移监测数据，研究南端帮 边坡失稳破坏模式；结合已有监测数据，对潜在破坏 模式进行验证。 １ 工程概况 黑岱沟露天矿位于准格尔煤田中部偏北，鄂尔 多斯高原东北部，东临黄河，地表覆盖有厚层第四系 黄土，地理坐标位置为东经１１１。１１ 一１１１。２５ ，北纬 ３９。２５ ～３９。５９ ，矿区总面积为５Ｏ．３３ ｋｍ ，查明煤 炭资源储量为１４．１３亿ｔ。在首采区南端靠帮开采 过程中，开挖边坡与其后方的哈尔乌素露天矿内、外 排土场边坡形成复合边坡，总体高度达２５０ ｍ以上， 部分位置整体边坡角达２０。左右，局部达３５。左右。 黑岱沟露天矿上部二次剥离岩石台阶陆续到界，伴 随哈尔乌素露天矿开挖与排土场堆载，黑岱沟露天 矿首采区南端帮边坡除极少数地点为原状地貌外， 其余部分均为矿山排弃物料覆盖。地层由老至新依 次为奥陶系下统亮甲山组（Ｏ １）、石炭系中统本溪 组（Ｃ：ｂ）、石炭系上统太原组（Ｃ ｔ）、二迭系下统山 １７５ 有限元计算的塑性区总体上是非常相似的；黄润秋 赵鑫璐（１９８７一），男，助理工程师，０１７０００内蒙古自治区鄂尔多 斯市准格尔旗。 总第５８２期 ２０ｌ７年１０月第１０期 两绀（Ｐ。Ｓ）、下 俞ｆ纰（Ｐ ｘ）、二迭系 统卜石 仃２种：一是通过地太水转化为地卜水，进Ｉ（Ｉ 对边坡 乃场和岩土体力 参数产生影响，这种 响既能 子 （Ｐ２ｓ）、新近系Ｊ 新统（Ｎ ）、第ｌＪｕ系ｌ 新统 －ｂ 兰组（Ｏ ｎ ）和第叫系 新统（Ｏ ） 亡１‘采 南端帮 现状见图 图１ 黑岱沟露天矿首采区南端帮现状 黑岱沟露大矿亡ｊ‘录 南端帮边坡稳定 题Ｉ 分突出，一 边坡＿火，稳破坏，将严承威胁【 作而人员 嗣ｌ设备安全 及时掌握边坡稳定忡情 ，没汁许 建 地表ＧＩ Ｓ监洲系统进行边坡变形 测，共设 ３条测线，每条测线伽 ３个（ ＰＳ监测，一 、 ． ，Ａ…－＇￣ＩＪ ｌ 见 ２。 ４ ４（１３ ０００ ＩＬ 』 １． 一 。 。 。 一 。 、，、０ 毫 。…‘【Ｉ） ． ／－２ ３ ．１ 、，）４４【１ｉ ０００ 一 观礼台 ４ ４００ ００（） 、 ３７ ５ｌ ８ ０００ ３７ ５ｌ９ ０００ ３７ ５２０ ０００ ３７ ２１００００ 图２ 黑岱沟露天矿首采区南端帮监测点布置 ２稳定性影响因素分析 影响露天矿歼挖‘ｊ堆载复合边坡稳定性的 索 主要包括大气降雨、冻融循环、端 』｝：挖等 ’，ｆ１－－Ｊ￣ｌ 机制都在于破坏了具箭变形破坏 育条什的原坡体 的力学平衡 ２．１ 降雨 大气降雨足最常“｛观也是最 遍的－种边坡变 形破坏触发因素 。我 夫 露火煤矿 分布在黄 上崩原地区和西北内陆盆地，属 Ｍ－： ，少雨， Ｉ：１：ｉ鲢集中在夏季（６—９，Ｌｊ），大气降『：１：』址影响露人 矿排土场边坡稳定 的’Ｆ要 素之 － ｆ 沟露 矿阴湾排土场２０１３ ＨＩＪ建立边坡变形 洲系统，选 取ＹＷ２—２监测点，分忻其多年监测数 ，结合当地 月平均降雨量统汁资料（１９５４年ｌ０ 】一２（）（】８年ｌ０ Ｊｊ），发现降雨 ｊ边坡变肜具有极好的卞¨火性 降雨对站天矿堆裁 ｊ开挖复合边坡的影响主要 １ ７６ 他边坡发生渐进破坏，义Ｉｌｌ能使边坡发，卜灾发性破 坏……ｆｉｌ。ｌ是夏季 期， 着重加强边坡安个＝监测； ｊ・ 向，降雨会形成一定程度的地丧 流，易诱发 边坡ＪＩ 部破坏 ２．２冻融循环 融循 足一种 变化的具 肜』 ，能够通 过改变边坡 Ｉ 体的结构性进 影响边坡 七体的 物 学件质．．我Ｈ人 露大矿人多处Ｊ 零 性冰 冻Ｊ ，存零和＿｝Ｊ］冬仔 较Ｋ时间的冻融循环情况， 此，冻融循环对边坡 体力学参数的劣化足必须 芎虑的『人ｌ索之一 冻融循 引起边坡体内部水分辽移以及存 泺ｊＪＫ作川下十体 州 发生变化。。’ 季干¨ 冬，Ｉ 俸反复经』Ｊ 仪晚冻结、白大融 的过 ｔ ，使问土 内部水分向地表迁移．ｒＩ天又冈为外部 度高于边 坡怵『Ｊ、Ｊ部温度ｍｉ使得融化后的水分向边坡体内部迁 ｆｊ；、 Ｉ¨于水分辽移的２个过程速度并小十¨㈦，同时水 冻胀情况下增大Ｊ 边坡 体颗粒问的 离，因此， 冻融循环作用卜边坡ｔ 体力学 度降低 ２．３端帮开挖 边坡开挖是鳝人矿 遍的开采活动，做易，ｊｌ发 人扩边坡变形破坏近年来，露大矿边坡向高、陡 州发展，更是ＪＪＩＩ忡Ｊ Ｊ 这一『ｎＪ题 、刈‘丁 人矿开挖 Ｉｊ堆哉复合边坡，边坡 挖过程巾失稳破坏Ｉｔ Ｊ‘能受２ 个 影响：一足 汁参数的小合 ，【大ｌ为排ｔ场的 堆排，现状边坡与设汁Ｈ、Ｊ‘ 全小同，符按照没汁参数 Ｊｌ：挖撇易囚对地质条什ｆｌ】地层特性认识的／ｆ 址，造成 小 开挖，从 引发边坡失稳滑坡；二址矿山在未 个＝ 学：握边坡稳定性的情况下，为最大限度ｌＩＩｉ收资源 造成的边坡趟挖，最终 致边坡失稳滑坡… 。 此外，矿山７ｒ采的爆肢、运输等活动 会造成边 坡的变形乃至做坏，埘边坡稳定性造成小利影响 纳合首采区ｍ端 Ｉ 程地质特性，以 挖作为 数 ｆｊｌ拟研究 点，探讨『｛ｊ端帮边坡潜 火稳模式 ３首采区南端帮失稳模式分析 据首采区南端 ｒ程地质模 ，采Ｊ｝Ｊ ＦＬＡＣ ’ 数ｆｌＩ＿ｆ＝卡Ｉ！拟软件，选取 ‘采 ２ 端帮排土场复合剖面 （以卜简称５ＣＱ．２剖 ）进行分析模 沿边坡倾 阳Ｋ ｌ ２００ Ｉｌｌ，最大 高度为３３０ Ｉｌｌ，模 的前、 、 右边界为敝离边界，模型前、后以 方向位 移约 ，模删的左、 以 向化移约 ，模 的底部以ｚ力‘…化移约 。模型 符 Ｊ：层采用 弹塑悱模 术描述、ＳＣＱ一２剖 及 汁算模 赵鑫璐张忠超等：黑岱ｊ 墨 蔓采区南端帮失稳破坏模式分析 ———————～———’’ ‘ｆ ————— ２０ｌ ７年ＪＯ月第】０期 ｆ ３ １ ７７ 总第５８２期 现代矿业 ２。 ２０１７年１０月第ｌ０期 ｇ 吕 ｌ 。 碧 曲ｌ｝ 鑫枷 －６０ ｎ 卜 寸 ０ ∽ 卜 ＿一 ｉ ｉ 寸 ０ ｉ ０ ＿＿ ｉ ｉ ｏ。 ｉ Ｉ ０ 一 ０ Ｉ ＿＿ ＿－一 ● ●０ ｉ ｔ－ｑ ｔ＇－，ｉ …＿．ｆ ０ ｔ＂－－ 一 ０ ＿ ０ Ｉ ０ ＿０ ＿ ０ ｔ０ ＿ 一 ０ ｒ、 ０ 卜 ０ 卜 ０ 卜 ０ 卜 ０ 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｎ ０ 时间 时间 （ａ）水平向 ｆｂ）垂直向 部塑性区发育，呈现局部圆弧滑动破坏模式；监测结 果表明后缘排弃物料边坡以自重沉降为主，端帮边 坡区域呈现局部抬升变形，验证了局部边坡圆弧滑 岩体力学性质弱化程度研究［Ｊ］・岩石力学与工程学报，２００４， ００（ ）：１０７８－１０８１． ［ ］黄润秋，林峰，陈德基，等・岩质高边坡卸荷带形成及其工程 。 坡碎裂岩体可能导致的局部片帮风险望 篓 ． 要篓 意端帮高陡边 。 等 ．三三 罨 ； ： ３；：３ ８ ’２■～…… … ’。 一～…一’ ’一‘ 与监测分析［Ｊ］・煤矿安全，２０１７，４８（３）：２３５－２３８． 方 ． ｉ参考 文 献 ［１ｏ］姚爱军，薛延河．复杂边坡稳定性评价方法与工程实践［Ｍ］． ［１ 竺麓 京兰下’沿帮排土场边坡稳定性研究［Ｄ 北 ［１１］ 煤炭科学研究总院，２０１７． …：， 伟，三俊，等．黄土基底排土场边坡位移分解 ’［２］ 孙世国，等．典型排土场边坡稳定性控制技术［Ｍ］．北京： 台金 工业出版社．２０１１． ［３］李崇，才庆祥，袁迎菊，等．露天煤矿端帮‘‘呆滞煤’’回采技术 ［１２］ 王旭春，管晓明，杜明庆，等・安太堡露天矿滑动机理与稳定 性分析［Ｊ］・煤炭学报，２０１３，３８（ｓ２）：３１２－３１８・ 经济评价［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１１，２８（２）：２６３－２６６， ［４］ 孙玉科，杨志法，丁宝恩，等．中国露天矿边坡稳定性研究 ［Ｍ］・北京：中国科学技术出版社，１９９９・ ［５］ 王恭先，徐峻龄，刘光代，等．滑坡学与滑坡防治技术［Ｍ］．北 京：中国铁道出版社，２００７。 ［１３］ 姜屏．基于位移实时监测的季节性冰冻区土质边坡稳定性 ［１４］ 胡英国，卢文波，陈 明，等．不同开挖方式下岩石高边坡损 伤演化过程比较［Ｊ］．岩石力学与工程学报２０１３，３２（６）： １１７６１１８４． ，．［１５］ 胡建华，雷涛，罗先伟，等．矿山采动卸荷岩体力学参数劣 ［６ 竺 研究｛Ｊ］久 兰，高边坡各 性卸荷岩体力学 岩石力学与工程学报，２００１，２０（５）：６０３－６１８． ．［７］ 周火明，盛谦，李维树，等．三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及 化规律研究［Ｊ］．岩土力学，２０１２，３３（４）：１１２３．１１２８ ． ’’ （收稿日期２０１７－０７－２８） （上接第１７４页）民采老采空区对采场上部台阶生 产的安全威胁，取得了较好的经济效益和社会效益， 达到预期目的。 参考文献 张书荣．盗采空区残矿回收及治理［Ｊ］．工程技术：全文版， ２０１７（２０）：２７９． ４结语 由于本矿民采空区数量众多，随着深部开采，对 露天采空区的治理研究将会越来越深入。今后应加 强采空区资料收集后分析，准确把握采空区空间位 置关系，为露天生产过程中采空区的监测及治理提 王金石．露天开采中安全生产影响因素及管理措施［Ｊ］．工程 技术：文摘版，２０１６（１９）：３０５． 李力，孙张峰，吕 强．空场嗣后充填采矿法在国内矿山的 应用［Ｊ］．工业Ｂ，２０１６（５）：２７７． 李地元，李夕兵，赵国彦．露天开采下地下采空区顶板安全厚 供依据。应用台阶爆破处理采空区方法是安全可 靠、经济可行的，该方法可以有效协调采空区处理与 露天生产组织，创造良好的经济效益和社会效益，保 证矿山安全高效发展。 ｌ７８ 度的确定［Ｊ］．露天采矿技术，２ｏ０５（５）：１７－２０． 祁锐，杨跃文，陈先豪，等．微差控制爆破为主多种开挖方式 结合的城镇控制爆破工程实践［Ｊ］．工程技术：文摘版，２０１６ （８）：８６． （收稿日期２０１７－０６－２７）
