露天礦區(qū)滑坡壓煤后減少二次剝離的回采方法

韓 猛，紀(jì)玉石，王孝亮(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

露天礦區(qū)滑坡壓煤后減少二次剝離的回采方法

韓 猛，紀(jì)玉石，王孝亮
(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

露天采場(chǎng)的邊幫滑坡是最常見的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，作者以呼倫貝爾某煤礦為例，針對(duì)露天礦坑邊幫滑坡壓煤?jiǎn)栴}，提出了一種預(yù)留煤柱、正常開采、條帶清理、條帶開采、內(nèi)排回填壓腳、開采推進(jìn)的分步開采方法。該法不僅保障了生產(chǎn)安全，還大大節(jié)省了滑坡處理工作量。該方法簡(jiǎn)單、實(shí)效、可行。本文具有很好的參考和借鑒價(jià)值。

滑坡；安全性；煤柱；條帶開采

0 引言

露天煤礦邊坡出現(xiàn)滑坡后，大都會(huì)造成滑體壓煤現(xiàn)象。對(duì)于傾斜煤層而言，采煤工作面大都沿煤層傾向分臺(tái)階布置，即滑體一般覆蓋于傾斜面之上，進(jìn)而造成滑體長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法達(dá)到應(yīng)力平衡，伴隨持續(xù)下滑趨勢(shì)[1-3]。對(duì)于上述問(wèn)題的解決，傳統(tǒng)的治理方法為待滑體趨于穩(wěn)定后，從上到下分層剝離、待壓煤露出后將壓煤全部或部分回采。上述做法的弊端為：邊坡從出現(xiàn)滑動(dòng)到完全穩(wěn)定一般要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，這給采煤工作面的重新布置及開采計(jì)劃帶來(lái)嚴(yán)重影響；滑體在持續(xù)下滑過(guò)程中會(huì)造成壓煤量的不斷增大，因此在滑體穩(wěn)定后的清理工作量也有所增加，這一過(guò)程所涉及的二次剝離給露天礦帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此，若能尋求一種既不影響正常開采工作、又能適量減小土方清理工作量的滑坡治理方式，對(duì)于露天礦高效、經(jīng)濟(jì)開采意義很大。

1 研究背景

研究礦區(qū)位于內(nèi)蒙古東部呼倫貝爾地區(qū)，露天礦邊坡工程地質(zhì)條件較差，邊坡巖體物理力學(xué)指標(biāo)較低，屬典型的軟巖邊坡。滑坡區(qū)域位于露天煤礦非工作幫，其巖層分布從上至下依次為第四系砂土礫石層、粘土層、白堊系泥巖層、9號(hào)煤層、炭質(zhì)泥巖與泥巖互層、10號(hào)煤層、泥巖層等。該礦煤層為緩傾斜煤層，目前開采區(qū)域傾角約12°～17°?；潞蠼?jīng)實(shí)地測(cè)量及分析，確定滑坡切入口為地面距礦坑60 m處，剪出口為570水平，滑面位于10煤底板?；w推移距離約90 m,由于滑坡前上部煤層已接近揭露底板，實(shí)際有回采價(jià)值的壓煤寬度約60 m[1](圖1)。

圖1 滑坡前、后邊坡工程地質(zhì)模型Fig.1 Engineering geological model of slope

2 滑坡影響區(qū)域開采安全性分析

2.1 滑體穩(wěn)定條件

滑坡發(fā)生后，采煤工作面基本被滑體全部覆蓋，露天礦為保證生產(chǎn)不受影響，滑體以外土方剝離工作并未中斷，并形成新的露煤區(qū)。上述行為導(dǎo)致滑體前緣支撐約束巖體消失，受滑體后緣松散體重力影響，滑體持續(xù)下滑趨勢(shì)明顯，約以200 mm/d的速度持續(xù)向前推移[1]。因此，在滑體前緣沒(méi)有支撐應(yīng)力約束條件下，只有將后緣滑體從一定水平高度清理，方可保證滑體穩(wěn)定。通過(guò)不同高度清理后邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，當(dāng)將590水平以上滑體全部清理后，滑體穩(wěn)定系數(shù)為1.214，可滿足安全儲(chǔ)備需求。不同清理高度的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 沿不同高度清理滑體后的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 1 Stability calculation results of cleaning up the sliding body at different heights

2.2 開采安全性分析

以實(shí)際滑坡剖面為例，現(xiàn)狀條件下，滑體繼續(xù)下滑的穩(wěn)定系數(shù)為1.043(圖2)。當(dāng)約束煤壁采動(dòng)后，穩(wěn)定系數(shù)迅速降到1.0以下。通過(guò)計(jì)算，僅當(dāng)滑體前緣以外煤層開采5 m厚度時(shí)，安全系數(shù)即降至0.9左右。因此，在滑體不清理的條件下，下部并不具備正常開采條件。

圖2 現(xiàn)狀條件下滑體穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.2 Analysis results of the stability of the sliding body

3 滑體影響區(qū)域及壓煤開采方法研究

通過(guò)前面的分析可知，現(xiàn)狀條件下，由于滑體尚未處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在進(jìn)行后續(xù)開采作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)考慮現(xiàn)狀條件下保證滑體穩(wěn)定。常規(guī)的做法為將滑坡上部計(jì)算高度以上滑體全部清理，若按前文所確定的590水平高度計(jì)算，需清理滑體土方約60×104m3，這一二次清理工作不僅給露天礦帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)投入，同時(shí)需解決運(yùn)輸?shù)缆芳芭磐翀?chǎng)地等問(wèn)題。因此有必要考慮設(shè)計(jì)一種減小土方清理工作量的治理辦法。

滑坡不僅產(chǎn)生了壓煤?jiǎn)栴}，還對(duì)滑體以外煤層的正常開采造成影響。因此，在開采方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將滑體壓煤與滑體以外煤層開采協(xié)同考慮。在考慮滑體范圍以外的開采問(wèn)題時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)滑體持續(xù)下滑速度，并應(yīng)防止因開采而導(dǎo)致的二次滑坡。因此可考慮在滑體前緣預(yù)留一定寬度煤柱，煤柱以外以正常方式開采部分高度煤層，然后在垂直推進(jìn)方向分成若干條帶，分條帶將壓煤以上覆蓋物清理，隨即分條帶將底板以上原煤、保安煤柱及壓煤取出，并迅速內(nèi)排回填壓腳[3]。上述方法可歸納為以下幾個(gè)步驟：①預(yù)留煤柱；②煤柱外一定深度內(nèi)正常開采；③分條帶清理滑體；④條帶開采；⑤內(nèi)排回填壓腳；⑥開采推進(jìn)。

3.1 預(yù)留煤柱與正常開采

留設(shè)煤柱的目的可概括為以下兩方面：一是為滑體持續(xù)下滑留置空間，保證下滑空間以外的開采安全；二是為滑體前緣增加支撐約束應(yīng)力，防止滑體突破煤壁形成新的滑坡。正常開采的深度取決于滑體突破煤層底板的應(yīng)力，即保證足夠的底煤約束應(yīng)力。因此煤柱寬度與底煤厚度是兩個(gè)相互制約的變量。通過(guò)穩(wěn)定性分析計(jì)算，當(dāng)保留40 m煤柱寬度，以正常開采方式開采20 m厚度原煤時(shí)，滑體突破煤柱而產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為1.207，可以滿足安全儲(chǔ)備要求(圖3)。

圖3 預(yù)留40 m保安煤柱時(shí)的滑體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.3 Stability calculation results of the sliding mass in the 40 m security coal pillar

3.2 條帶清理及條帶開采

在進(jìn)行條帶參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，涉及三個(gè)至關(guān)重要的因素，即條帶深度、條帶長(zhǎng)度及條帶寬度[4-5]。條帶深度取決于底板位置，由于條帶開采后需內(nèi)排回填壓腳，因此條帶深度應(yīng)以揭露煤層底板為準(zhǔn)，否則將造成內(nèi)排回填壓煤；對(duì)于傾斜煤層而言，條帶開采的長(zhǎng)度取決于地下水位與煤層底板交界以上煤層的長(zhǎng)度；條帶寬度一般以保證開采機(jī)械設(shè)備最小工作空間為準(zhǔn)，若開口寬度過(guò)大，將導(dǎo)致條帶上方巖體因側(cè)方約束效應(yīng)微弱而致使邊坡失穩(wěn)[3，6-7]。

3.3 內(nèi)排回填壓腳

本文所介紹的分條帶清理滑體、并分條帶開采的辦法，從根本上是基于邊坡變形的時(shí)間效應(yīng)[3]，即在邊坡進(jìn)入加速變形前完成開采工作，而抑制邊坡加速變形的重要手段即為內(nèi)排回填壓腳，內(nèi)排應(yīng)按照自下而上，分層排棄的原則，先從最下部將排棄物與煤壁接觸并填平，然后依據(jù)內(nèi)排參數(shù)逐級(jí)向上排棄[7-8]。在進(jìn)行內(nèi)排方案設(shè)計(jì)時(shí)，與煤壁接觸區(qū)域的壓腳高度是一個(gè)關(guān)鍵因素，若壓腳高度過(guò)低，將削弱壓腳效果，并可能引發(fā)內(nèi)排土場(chǎng)甚至連同上部邊坡的失穩(wěn)；若壓腳高度過(guò)高，將導(dǎo)致條帶以下煤層的上部荷載過(guò)高，給后續(xù)開采工作帶來(lái)壓力(圖4)。

研究礦區(qū)內(nèi)排及壓腳方式分析結(jié)果：

(1)從底板排棄到566水平，不與煤壁相抵：Fs=0.975；

(2)548水平以下填實(shí)，與煤壁相抵：Fs=1.152；

(3)填實(shí)區(qū)域增高到554水平：Fs=1.274。

綜上邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果，確定內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度為12 m，548水平以下與煤壁相抵。

圖4 內(nèi)排壓腳示意圖Fig.4 Schematic diagram of the inner row of the pressure foot

4 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的邊坡治理及原煤開采方法，實(shí)際上是將滑坡及影響區(qū)域劃分為若干條帶區(qū)域，并利用邊坡變形的時(shí)間效應(yīng)，在邊坡進(jìn)入加速變形之前，完成全部開采及內(nèi)排工作的一種方法。上述方法可有效減小滑坡土方的清理工作量，同時(shí)在滑體穩(wěn)定前即可提前進(jìn)行開采及內(nèi)排工作，既為露天礦爭(zhēng)取了時(shí)間，又可減小不必要的經(jīng)濟(jì)投入。受條帶空間及坡道布置等因素的制約，上述開采方法較常規(guī)開采在工作效率方面有所下降，但若能將人力資源、機(jī)械設(shè)備、配采工作面等合理優(yōu)化配置，即能彌補(bǔ)其不足。上述方法拓寬了傳統(tǒng)開采思路及滑坡治理辦法，對(duì)于類似問(wèn)題的解決具有一定的借鑒價(jià)值。

[1] 韓猛，紀(jì)玉石.控制開采技術(shù)在軟巖邊坡露天煤礦的實(shí)踐[J].露天采礦技術(shù)，2015，(7). HAN Meng,JI Yushi. Practice on controlling mining technology in soft rock slope open-pit coal mine[J]. Opencast Mining Technology, 2015，(7).

[2] 紀(jì)玉石，申力，劉晶輝. 采礦引起的傾倒滑移變形機(jī)理及其變形控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，(19). JI Yushi,SHEN Li,LIU Jinghui. Deformation mechanism and control of minning-induced toppling-displacement[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, (19).

[3] 朱新平，趙秀峰，楚振云,等.露天礦邊坡失穩(wěn)條件下的控制開采[J].露天采礦技術(shù)，2006(5). ZHU Xinping,ZHAO Xiufeng,CHU Zhenyun,etal.Control mining in the case of surface mine slope failure[J]. Opencast Mining Technology, 2006(5).

[4] 王振偉.基于極限平衡與突變理論的邊坡綜合評(píng)價(jià)方法[J].煤礦安全，2009，(8). WANG Zhenwei.Comprehensive evaluation method of slope based on limit equilibrium and catastrophe theory[J]. Safety in Coal Mines, 2009，(8).

[5] 孫紅月，尚岳全.具空間約束效應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000，(1). SUN Hongyue,SHANG Yuequan.Stability study of the slope with three dimensional limits[J]. Hydrogeology and Engineering Geology. 2000，(1).

[6] 連鎮(zhèn)營(yíng)，李世春.開挖邊坡的三維有限元穩(wěn)定分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010，(1). LIAN Zhenying LI Shichun.Stability analysis of soil excavation by 3D FEM[J]. Journal of Beijing Jiaotong Uniwersity, 2010，(1).

[7] 路占元，董向忠，郝永富.深露天煤礦傾斜條帶跟蹤內(nèi)排開采程序[J].煤炭學(xué)報(bào),2008，(6). LU Zhanyuan, DONG Xiangzhong, HAO Yongfu. Mining procedure of inclines strip belt-tracking inner unloaded in deep opencast mine[J]. Journal of China Coal Society, 2008，(6).

A landslide coal mining methods to minimize secondary detachment

HAN Meng，JI Yushi，WANG Xiaoliang
(ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupShenyangResearchInstitute,Fushun,Liaoning113122,China)

The open pit slope landslide is the most common environmental geological problems, the author takes the coal mine in Hulun Buir as an example, in view of the open pit slope landslide problem of coal, a new method is proposed, which is to set aside coal pillar, normal mining, strip cleaning, strip mining, fill in the inner row, and step by step.This method not only ensures the production safety, but also saves the amount of treatment of landslide. This method is simple, practical and feasible. This paper has a good reference and reference value.

landslide；safety；coal pillar；strip mining

2016-08-22;

2016-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：黃土基底排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究(51274122)；國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金：大型露天煤礦綠色開采理論與應(yīng)用(U1361211)

韓 猛(1984-)，男，吉林德惠人，地質(zhì)學(xué)專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事露天煤礦邊坡穩(wěn)定性研究工作。E-mail：hanmlzu@126.com

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.16

P642.22

A

1003-8035(2017)02-0121-03