平莊礦壓煤邊坡陡幫開采三維穩(wěn)定性分析

張國鋒，解 毅，季毛偉 (1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 10008；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 10008；.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 10008)

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采選技術(shù)

平莊礦壓煤邊坡陡幫開采三維穩(wěn)定性分析

張國鋒1，2，解 毅1，2，季毛偉3
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

平莊西露天煤礦設(shè)計采用的到界邊坡角偏于保守，造成巖石剝離耗費過多，并且坡腳積壓大量優(yōu)質(zhì)煤層。本文應(yīng)用MADIS有限元程序，對西露天礦陡幫邊坡壓煤區(qū)不同開挖寬度的變形規(guī)律進行了分析，結(jié)果顯示開挖空間的最大位移隨開挖長度的增加呈現(xiàn)出先陡增、接著緩增、最后趨近水平的扁“S”型增長規(guī)律，并且存在一個臨界開挖寬度，使得該點可以界定為兩個變形差異明顯的變形階段。據(jù)此建立邊坡三維變形體力學(xué)與基于剛體極限平衡分析的MSRAMA法邊坡穩(wěn)態(tài)分析的關(guān)系式，提出陡幫開采下邊坡三維穩(wěn)定性系數(shù)計算方法，并得出陡幫開采下邊坡三維穩(wěn)定性隨壓煤分步開挖寬度的變化規(guī)律，優(yōu)化壓煤最佳開挖寬度。在平莊西露天煤礦Ι區(qū)坡腳壓煤開采時，利用三維變形效應(yīng)，采取分段開挖，跟進回填，反壓護坡等措施，維護了邊坡穩(wěn)定，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。

露天煤礦；邊坡工程；陡幫開采；三維變形效應(yīng)；穩(wěn)定系數(shù)

平莊煤田西露天煤礦是20世紀50年代就開始建成投產(chǎn)的煤礦項目，巖石臺階高12m，煤層臺階高6m，坑底標高+374m，工作幫最終邊坡角28°。目前西露天礦已經(jīng)達到其基本設(shè)計參數(shù)，按規(guī)劃要求應(yīng)當進行深井開采接續(xù)，但為了實現(xiàn)資源利用率的最大化，延長淺部露天開采期限，采用安全可靠的陡幫開采工藝成為該礦所面臨的一個突出問題。

陡幫開采的實現(xiàn)需要對現(xiàn)狀邊坡在各種外界因素同時作用下的穩(wěn)定性進行正確評價，以分析現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定系數(shù)儲備；同時采取何種開采工藝既能對坡腳壓煤區(qū)進行陡幫開采，既避免資源浪費，又能保證陡幫開采下邊坡穩(wěn)定，又如何評價陡幫開采下的邊坡穩(wěn)定性。本文提出利用邊坡變形三維穩(wěn)定效應(yīng)，通過最佳開挖寬度，實現(xiàn)陡幫開采，并建立邊坡三維變形體力學(xué)與基于剛體極限平衡分析的MSRAMA法邊坡穩(wěn)態(tài)分析的關(guān)系式，提出陡幫開采下邊坡三維穩(wěn)定性系數(shù)計算方法，從理論和實踐上為該類采礦問題提供有益的借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

平莊西露天煤礦位于平莊鎮(zhèn)西南4km處，交通十分便利。設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，露天與井工聯(lián)合開采。西露天煤礦位于平莊煤田中部，平面呈一個南寬北窄的三角形，南部以1700剖面與五家煤礦四井相鄰，北部有古山煤礦和六家煤礦，屬山坡凹陷相結(jié)合區(qū)域，坑底標高+374～+402m，走向長3.8km，傾向?qū)?.7～1.2km，煤層平均厚度38m，傾角12～27°，為傾斜煤層。工作幫現(xiàn)狀邊坡角：第三系不整合面以上巖體邊坡角17～23°，侏羅系上部巖體邊坡角29～32°，侏羅系中部巖體邊坡角35～42°。

礦區(qū)地層整體為一弧形單斜構(gòu)造，大型斷裂構(gòu)造多發(fā)育于工作幫深部，對邊坡不產(chǎn)生影響，丘陵山地地貌，西部高，東部低，南部1.5km有五條干河流過，但對礦區(qū)影響較小。礦區(qū)地層有侏羅系、第三系和第四系沉積地層，以及第三系侵入輝綠巖和噴出玄武巖，有工業(yè)價值的煤層位于元寶山含煤段中段，有1煤、2-1煤、2煤三個煤層，地層分布見圖1。根據(jù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)和俄羅斯國立礦山力學(xué)與測量研究院的研究資料，考慮巖體結(jié)構(gòu)面的影響，確定工作幫巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 凹型坡面2100地質(zhì)剖面圖/m

表1 平莊西露天礦工作幫巖體物理力學(xué)參數(shù)

巖組名稱巖樣厚度/m天然容重/(g/cm3)粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強度/Mpa抗拉強度/MPa泊松比彈性模量/GPa上侏羅系砂泥巖組中侏羅系砂泥巖組46.3149.32.212.270.71.621241.372.650.150.100.430.78煤層巖組71.01.870.14203.230.0330.350.53煤層底板砂巖組98.02.280.35203.620.150.430.65

2.2 陡幫開采邊坡角

根據(jù)西露天礦經(jīng)過大量研究工作[1-3]，認為工作幫破壞模式為：上部玄武巖、沙泥巖沿內(nèi)部裂隙剪切變形和下部弱層組成組合滑面；或者巖體沿圓弧滑面變形破壞。研究采用相似材料模擬實驗對2100剖面不同邊坡角下的邊坡穩(wěn)定性進行了模擬分析，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該剖面下的工作幫在開采進行到坡角43°時，▽488水平附近首先出現(xiàn)滑坡，緊接▽488水平以下巖體下滑，▽488水平以上巖體則穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場觀測資料顯示，綜合確定西露天礦出現(xiàn)滑坡的極限采礦邊坡角為42.4°。

西露天礦幫坡角由設(shè)計的28°增加到臨界滑坡交42.4°時，從已到界500平盤收口，幫坡角增加1°，則可增加煤量75萬t，剝離量增加105萬m3，按現(xiàn)剝離成本和商品煤價格計算，能夠取得8910萬元經(jīng)濟效益，陡幫開采極限坡角壓煤可釋放12.8億效益產(chǎn)能。

2.3 設(shè)計與陡幫邊坡角邊坡穩(wěn)定性

采用“邊坡工程穩(wěn)定性MSARMA 評價分析系統(tǒng)”對Ι區(qū)2100剖面邊坡進行計算，計算將邊坡巖土體內(nèi)分為3 種含水狀態(tài)，即飽水狀態(tài)( 排水率0%) 、一般狀態(tài)(排水率50%) 和干燥狀態(tài)(排水率100%)，并結(jié)合當?shù)氐牡卣鸹玖叶冗M行分析。MSARMA法計算力學(xué)模型見圖2。

表2顯示，在無地震及半干與干燥狀態(tài)下，2100剖面邊坡工程處于穩(wěn)定狀態(tài)；在無地震天然飽水狀態(tài)下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)均小于1.0，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。采用42.4°邊坡角進行開采，各種狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 MSARMA法計算力學(xué)模型

表2 Ι區(qū)2100剖面現(xiàn)狀及陡幫開采邊坡穩(wěn)定系數(shù)

3 陡幫開挖三維穩(wěn)定變形效應(yīng)

3.1 計算模型

以平莊礦西露天煤礦Ι區(qū)凹型坡2100地質(zhì)剖面為工程背景(圖1)，研究在一定坡高和邊坡角下、在分步開挖過程中，隨邊坡長度的變化而顯現(xiàn)出來的三維變形效應(yīng)，采用MADIS軟件構(gòu)建了如下的三維計算模型，采用M-C準則，模型限制兩側(cè)水平移動，底部固定，見圖3。

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分

3.2 分析方案

在自重場下處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的巖土體，隨著采礦活動而形成露天礦邊坡工程。為模擬邊坡在分步開挖過程中顯現(xiàn)出來的三維變形效應(yīng)及力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對邊坡自上而下分五步開挖，在42.4°陡幫下，按邊坡長度的不同(10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、800m、900m和100m)分別進行了十個方案的計算分析。

3.3 變形結(jié)果分析

在其他條件相同的情況下，圖4、圖5所示的邊坡的最大水平位移及最大垂直位移隨著邊坡長度的增加呈現(xiàn)出扁“S”形增長的變化規(guī)律，位移曲線呈現(xiàn)出先陡增、接著緩增、最后趨近水平的變化趨勢。此外，由圖5和圖6可見，如以邊坡開挖長度100m為界，可將其劃分為兩個增長速率明顯不同的階段：邊坡開挖長度小于100m，位移增長速率較陡；邊坡開挖長度大于100m，位移增長速率顯著減緩。即可將邊坡長度100m作為邊坡位移增長速率由陡增到緩增過渡的拐點。

圖4 槽中間最大水平位移隨開采條寬變化曲線

圖5 槽中間最大垂直位移隨開采條寬變化曲線

由于該計算模型中邊坡開挖長度100m恰為開挖邊坡的最大高度，因而，可以推知，當邊坡開挖長度小于邊坡最大坡高時，在邊坡開挖中由于受到兩側(cè)巖體較強的夾制作用，致使邊坡的三維變形效應(yīng)顯著；而當邊坡的開挖長度逐漸大于最大坡高時，兩側(cè)巖體對開挖邊坡的夾制約束作用趨于減弱，邊坡的三維變形效應(yīng)也將趨于不明顯。

基于上述計算結(jié)果，在邊坡工程實踐中，應(yīng)合理確定邊坡的開挖長度，充分利用邊坡工程在分步開挖過程中顯現(xiàn)出來的三維變形效應(yīng)，以減小邊坡的有害變形。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)三維陡幫開采數(shù)值計算結(jié)果中的邊坡變形分布圖(圖6)及前述分析，得到隨著開采條寬的增加，邊坡變形逐漸增大，兩側(cè)巖體對陡幫邊坡的夾制約束作用也逐漸減弱，三維效應(yīng)相應(yīng)隨之減小。在80m時存在拐點，邊坡增長的斜率發(fā)生突變，這一點看作三維效應(yīng)失去作用的點，也就是邊坡完全變?yōu)?2.4°邊坡的點。在該拐點以前，由于三維效應(yīng)的存在，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)處于F28°與F42.4°之間。根據(jù)安太堡試驗及室內(nèi)相似材料模擬試驗研究，發(fā)現(xiàn)三維陡幫開采邊坡穩(wěn)定系數(shù)與開采條帶寬度近似成線性關(guān)系變化。

圖6 三維邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算分析圖

據(jù)此建立了如式(1)、式(2)所示關(guān)系式。

F=F28°+AL

(1)

(2)

式中：F為三維邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；F28°為邊坡角28°的平面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；F42.4°為邊坡角42.4°的平面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；L為三維邊坡的開挖長度m。

例如，無地震作用時飽和狀態(tài)下，平莊礦西露天煤礦Ι區(qū)凹型坡2100剖面，原有邊坡設(shè)計(28°)和實行陡幫開采設(shè)計(42.4°) 邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.9773和0.4957，即F28°= 0.9773，F(xiàn)42.4°= 0.4957，L= 80m，則飽和狀態(tài)下三維陡幫開采邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式：F=1.2084-0.00488L。

從表4看出在排水率達到75%以后，給定一個三維陡幫開采邊坡穩(wěn)定系數(shù)，其開采條寬變化不大，趨于一個定值。圖7給出了三維開采邊坡下設(shè)計安全系數(shù)為1.0、1.05、1.1、1.15下，在不同排水率下對應(yīng)的開采條寬變化曲線，我們可以結(jié)合現(xiàn)場的排水條件，確定排水率，然后確定三維陡幫開采邊坡的設(shè)計穩(wěn)定系數(shù)，進而從圖中得到對應(yīng)的開采條寬。

根據(jù)表3、圖7可知，為了保證三維陡幫開采邊坡的安全性，在排水率75%的情況下，Ι區(qū)凹型邊坡三維陡幫開采的最佳寬度為60m，即應(yīng)用一次采長60m，回填壓腳護坡后再采60m的控制開采技術(shù)，使邊坡的最大變形量控制在安全范圍，采用新開采工藝，多采煤炭增產(chǎn)值達5.69億元。

5 結(jié) 論

1) 邊坡開挖過程中，邊坡向臨空區(qū)最大位移及最大水平位移隨著開挖長度的增加呈現(xiàn)出扁“S”形增長的變化規(guī)律，即位移曲線呈現(xiàn)出先陡增、接著緩增、最后趨近水平的變化趨勢。邊坡位移增長速率由陡增到緩增存在一個過渡的拐點，該拐點可視為邊坡三維效應(yīng)失去的臨界點。

2)由于陡邊坡的夾制約束，在開挖寬度小于邊坡高度時，變形顯著，當開挖寬度大于邊坡高度時，變形逐漸趨于平緩。

表3 給定三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)下不同排水率下開采條寬

圖7 給定三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)下不同排水率下開采條寬

3)采用基于邊坡三維變形體力學(xué)與基于剛體極限平衡分析的MSRAMA法邊坡穩(wěn)態(tài)分析的關(guān)系式，提出的陡幫開采下邊坡三維穩(wěn)定性系數(shù)計算方法，可以得出陡幫開采下邊坡三維穩(wěn)定性隨壓煤分步開挖寬度的變化規(guī)律，給出不同含水率下壓煤邊坡的最佳開挖寬度。采用該方法既維護了邊坡穩(wěn)定，又取得顯著經(jīng)濟效益。

[1] 煤炭科學(xué)研究總院撫順分院.平莊礦務(wù)局西露天礦工作幫邊坡工程地質(zhì)條件研究報告[R].1989.

[2] 國立礦山力學(xué)與測量研究院(俄).平莊礦務(wù)局西露天礦邊坡

穩(wěn)定性評價與提高穩(wěn)定性措施研究報告[R].1994.

[3] 遼寧工程技術(shù)大學(xué).平莊西露天礦邊坡穩(wěn)定性評價及南區(qū)最終邊坡研究報告[R].2005.

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Three-dimensional stability analysis of pingzhuang opencast coal steep slope mining

ZHANG Guo-feng1，2，Xie Yi1，2，JI Mao-wei3

(1.Institute of Geotechnical engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.Civil & Environment Engineering school，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

The boundary of slope angle incline to conservative in Pingzhuang West opencast mine design，resulting in peeling take too much rock and slope toe large backlog of high-quality coal.In this paper，MADIS finite element program was applied for the analysis of west surface mine of steep slope coal area deformation regularity of different excavation width.The results show that the maximum displacement of excavation space along with the increase of excavation length shows first increased sharply，then slowly increasing，then finally reaching the level of flat “S” type growth law，and there is a critical excavation width，so that the point can be defined as two deformation difference obvious deformation stage.Accordingly establishing three-dimensional slope deformation mechanics and based on the limit equilibrium analysis of MSRAMA law of slope stability analysis relationship，the paper puts forward under the mining of steep slope three-dimensional slope stability coefficient calculation method，and draws steep slope mining excavation by steps the law of three-dimensional stability variation and the optimum of excavation width.This new computational method was successfully applied to the slope in Pingzhuang west opencast mine，obtaining a technical，economic，and social benefit.

opencast mine；slope engineering；steep slope mining；3D deformation effect；the stability factor

2015-01-17

教育部高校博士點基金項目資助(編號：20130023120011)；中央高?；究蒲谢痦椖抠Y助(編號：2012800015DQ)

張國鋒(1982-)，男，河南靈寶人，博士后，1982年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)，講師，碩導(dǎo)，主要從事軟巖巷道與無煤柱開采方面的教學(xué)研究工作。E-mail：zhanggf1982@163.com。

TD85

A

1004-4051(2015)09-0088-05