露天煤礦基于FLAC3D靠幫開采可行性方案

王建鑫

（內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天煤礦基于FLAC3D靠幫開采可行性方案

王建鑫

（內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

為了最大限度回收煤炭資源，越來越多的露天煤礦采用靠幫開采進行壓覆資源回收，以納林廟災(zāi)害治理工程為例，從現(xiàn)狀分析、提出方案，到采用FLAC3D三維有限差分程序進行邊坡穩(wěn)定分析論證了端幫角度從37°可以提高至43°，為端幫快速開采、回填提供技術(shù)支撐。

露天煤礦；靠幫；開采；回填

0 前 言

我國露天煤礦設(shè)計一般采用靜態(tài)、均一、永久性設(shè)計，端幫一般設(shè)置15 m以上運輸?shù)缆贰?～5 m安全平臺、6～12 m清掃平臺，設(shè)計端幫角度一般在35°～37°，即最終幫坡角。而對于近水平露天煤礦，內(nèi)排期間端幫隨著排土場跟進不斷的暴露與壓幫，端幫時間存在較為短暫，只有在開采終了形成尾坑時存在永久最終幫坡。為了保證永久性安全在開采終了最終幫坡角選取靜態(tài)、均一、永久性設(shè)計是合理的，但在短期存在的端幫應(yīng)合理考慮邊坡的時效性、不同巖層的分布、不同邊坡形態(tài)等來論證邊坡受力狀態(tài)與安全系數(shù)，目前主要的邊坡穩(wěn)定分析方法有極限平衡法、類比法、數(shù)值模擬法[1]，本次采用數(shù)值模擬中具有代表性的FLAC3D有限差分分析軟件，F(xiàn)LAC3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確的模擬材料的塑性破壞和流動，基于較小空間能夠求解大范圍的三維問題[2]。

1 工程概況

內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司納林廟災(zāi)害治理項目辦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田勃牛川普查區(qū)東南部，井田含煤地層構(gòu)造形態(tài)與東勝煤田總體構(gòu)造形態(tài)一致，為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向210°～230°，傾角1°～3°。確定治理范圍劃分為治理首區(qū)和治理二區(qū)2個治理區(qū)，其中治理首區(qū)一分區(qū)主要開采4#實體煤，平均厚度2.2 m，采用單斗-卡車間斷式工藝，工作線由西向東推進，采用移動坑線開拓。煤層直接頂、底板巖石主要以砂質(zhì)泥巖為主，抗壓強度27.4～30.8 MPa，軟化系數(shù)0.42～0.48；6-2煤層為全井田可采煤層，直接頂、底板巖石主要以細砂巖、粉砂巖、泥巖為主，抗壓強度25.0～30.9 MPa，泥巖軟化系數(shù)0.46。綜合本井田巖石力學(xué)性質(zhì)，主要以軟弱巖石為主，其次為半堅硬巖石，砂質(zhì)泥巖及泥巖屬易軟化巖石，中深部巖層巖石質(zhì)量及巖體質(zhì)量較好，工程地質(zhì)類型為第三類、第二型，即層狀巖類中等型，目前治理工程全部實現(xiàn)內(nèi)排，內(nèi)排土工作線呈內(nèi)圓弧狀，工作線中部推進較慢，排土跟進快，為靠幫開采邊坡穩(wěn)定的時效性提供有利條件。

2 靠幫開采方案

靠幫開采的核心是提高端幫幫坡角，回收壓覆資源。本次開采對象為首采區(qū)一分區(qū)北端幫，為主要運輸干線，靠幫開采對治理區(qū)開拓運輸系統(tǒng)影響較大，必須在回采后盡快回填壓幫，由于北端幫設(shè)置20 m的1290運輸平臺、5 m的1300安全平臺、20 m的1310運輸平臺，1310平臺以上均為開采初期形成的安全平臺，整體端幫幫坡角度為37°，內(nèi)排土場排棄標(biāo)高為1 290、1 310、1 330、1 340、1 360 m5個排土平臺，端幫一側(cè)跟進速度快。目前采場主要運輸系統(tǒng)為1290、1310端幫運輸系統(tǒng)，下部1270煤底板運輸系統(tǒng)主要為1270—1280的剝離量服務(wù)，所以當(dāng)進行靠幫開采時必須提前規(guī)劃運輸系統(tǒng)，綜合采場主要剝離平臺位置及排土場跟進速度，采取中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋與端幫回填貫通相結(jié)合內(nèi)排，即在靠幫開采時，主要剝離1280、1290、1300平臺，剝離物經(jīng)1 270 m水平煤底板排棄至1290排土場?；夭赏陦焊操Y源后在端幫快速壓幫預(yù)先形成1290運輸系統(tǒng)、逐步形成1310運輸系統(tǒng)，即快速回填貫通端幫道路又保證了邊坡的時效穩(wěn)定性。

根據(jù)目前開采現(xiàn)狀、地區(qū)巖性結(jié)構(gòu)、及相鄰礦山端幫形式，從端幫下部推進，對1 310 m以下水平進行推進加陡幫坡角，即1 310 m以上境界不動。設(shè)計將1310運輸平臺縮減為12 m，不通行寬體車，且將1300與1310平臺進行并段，不設(shè)1300平臺，將1290平臺縮減為15 m，整體將幫坡角從37°提高至43°，經(jīng)計算底部推進寬度30 m。

北端幫處采場工作線與排土場工作線最短距離為50 m，靠幫開采時為了縮小變坡暴露面積與時間，采用每50 m步距為一個循環(huán)開采單元，開采完畢迅速回填，待排土場推進至50 m附近進行下一個開采單元，底部推進寬度為30 m，經(jīng)計算一個開采單元需要剝離土石6.06萬m3，目前每日平均剝離量為8萬m3，雖然可以滿足端幫1 310 m以下回填壓幫量，但由于端幫排土空間受限，在開采完壓覆資源后，在端幫處從采場和排土場對向排土，一個工作日內(nèi)可將1 290 m水平進行壓幫回填，減少邊坡暴露時間。經(jīng)計算一個開采單元可回收煤炭資源4 224 t。

3 FLAC3D理論基礎(chǔ)

邊坡分析理論一般有極限平衡法、有限元法、有限差分法、滑移線場法等，極限平衡法近似的把巖土體看作剛性材料，假定滑移面根據(jù)邊坡的滑體或滑塊的力學(xué)原理，分析各種破壞模式下的受力狀態(tài)。有限差分強度折減法不需要對滑動面形式和位置做假定，通過強度折減當(dāng)計算不收斂時，對應(yīng)的值即為最小穩(wěn)定安全系數(shù)。采用FLAC3D有限差分程序采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型及自帶的強度折減法求解[3-4]。

1）摩爾-庫倫模型適用于巖土體、混凝土體等材料，對于應(yīng)力變化范圍不大的一般巖土體，其摩爾包絡(luò)線可用庫倫強度公式表示，其屈服準(zhǔn)則公式為：

σ′1、σ′3分別指土中一點的大小主應(yīng)力，φ′為內(nèi)摩擦角。

2）有限差分強度折減法認為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)可以定義為使巖土體剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對巖土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩察角進行折減的程度[5-6]，即定義安全系數(shù)為巖土體的抗剪強度與臨界破壞時折減后的剪切強度的比值，強度折減公式為：

CF是折減后土體虛擬的粘聚力，φ′F是折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角，C和φ′為內(nèi)聚力和內(nèi)摩察角，F(xiàn)s為折減系數(shù)。強度折減法的要點是利用上述公式調(diào)整巖土體強度指標(biāo)的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，通過反復(fù)折減對邊坡巖土體進行數(shù)值模擬。

4 邊坡穩(wěn)定分析

采用FLAC3D有限差分程序?qū)κ撞蓞^(qū)北端幫進行力學(xué)模擬，主要模擬端幫在自身重力作用下的邊坡穩(wěn)定情況，模型選取北端幫代表性勘探線剖面圖建立力學(xué)模型。模型根據(jù)北端幫巖性分布將網(wǎng)格劃分為5組。邊坡巖體自上而下分布為砂土層、泥巖層、細粒砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、煤層、砂質(zhì)泥巖層，計算所取物理力學(xué)參數(shù)見表1。由于巖土在外力作用下不但會產(chǎn)生彈性變形、還會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，則本構(gòu)模型選取摩爾-庫倫彈塑性模型，安全系數(shù)求解采用FLAC3D自帶的強度折減法求解[7]。

根據(jù)實際條件確定模型的邊界條件為：①模型從前后左右4個方向同時施加約束力，使得邊界各個方向沒有位移；②固定模型底部邊界，使模型在底部任何方向都沒有位移；③模型的頂部和坡面設(shè)置成自由邊界，能夠自由運動。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

通過FLAC3D進行數(shù)值分析，得出模型的最大不平衡力收斂曲線圖、最大位移圖、剪切應(yīng)變增量云圖及安全系數(shù)、Z方向位移云圖。

不平衡力是數(shù)值計算迭代過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)外力之差，在靜態(tài)求解模式中用它來判斷是否達到平衡狀態(tài)，從圖1看出最大不平衡力無限趨近于0，此時模型體系達到平衡狀態(tài)，即邊坡未出現(xiàn)坍塌或塑性變形。

圖1 最大不平衡力收斂曲線圖

從圖2最大位移圖可以明顯看出邊坡滑動位置，且位于北端幫頂部及4#煤位置位移量最大，且位于坡頂區(qū)段位移有明顯下沉趨勢，坡角有逐漸伸出趨勢，從位移云圖可看出4條較為明顯的圓弧滑移面，并存在最大的位移滑移面，即第四系與第三系砂土層與煤層及上層砂質(zhì)泥巖圓弧滑移面，但中部沒有形成與上下部位相同數(shù)量級位移量。結(jié)合位移云圖可知在北端幫邊坡體內(nèi)部可能形成潛在位移圓弧滑動面。

從圖3剪切應(yīng)變增量圖可以看出破壞面位于邊坡內(nèi)部及坡角處，且坡頂與坡角尚未形成貫通塑性區(qū)，但坡角與坡頂中部形成塑性貫通區(qū)域，位于邊坡上部細粒砂巖區(qū)巖層強度較大，潛在破壞為從細粒砂巖以下至煤層底板出現(xiàn)滑動，且通過計算顯示安全系數(shù)為1.22，邊坡應(yīng)盡可能減少暴露時間保證穩(wěn)定[8]。

圖2 最大位移圖

圖3 剪切應(yīng)變增量圖

從圖4 Z方向位移云圖可以看出Z方向出現(xiàn)位移主要在煤層底板處，邊坡坡底穩(wěn)定性較差。以上分析表明，邊坡穩(wěn)定處于較危險狀態(tài)，煤層底板處穩(wěn)定性差，可能形成沿煤底板切出的圓弧滑動面。

圖4 Z方向位移云圖

5 工程實例

納林廟露天災(zāi)害治理工程從2016年6月進行北端幫壓覆資源回收，到2017年2月結(jié)束，將端幫幫坡角提高至43°，成功回收端幫壓覆資源，并形成1290、1310、1330排土平臺，共形成中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋與端幫回填貫通相結(jié)合內(nèi)排3條運輸系統(tǒng)。開采與排土壓幫緊密銜接，端幫幫坡角穩(wěn)定未出現(xiàn)坍塌或滑移現(xiàn)象。

在靠幫開采過程中為了保障邊坡的穩(wěn)定性，做了以下預(yù)防預(yù)報措施：①分別在北端幫坡頂、1 310 m水平布設(shè)邊坡監(jiān)測點進行固定位移監(jiān)測，在煤底板處進行不定期位移監(jiān)測，定期利用I-site長距離紅外掃描儀進行邊坡位移監(jiān)測分析；②在靠幫開采過程中煤底板處設(shè)置警戒、專人在安全區(qū)域進行觀察監(jiān)測；③露天作業(yè)開采過程改變爆破傳導(dǎo)方向、減少對北端幫的震動影響、到界邊坡采取預(yù)裂爆破；④加強剝離進度、加快壓幫速度。

6 結(jié) 論

1）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析，北端幫邊坡可能發(fā)生的破壞形式為圓弧滑動面且從4#煤底板處滑移，靠幫開采時需加強監(jiān)測。

2）在4#煤底板處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能發(fā)生剪切破壞，需及時進行壓幫。

3）靠幫開采在回收壓覆資源后，必須及時壓幫、減少邊坡暴露時間與面積，按照日常的剝離量在端幫開采后1 d即可對1 290 m水平進行壓幫回填，具備快速壓幫條件。

4）為了在靠幫開采初期設(shè)計與規(guī)劃好運輸系統(tǒng)，避免出現(xiàn)開采中和開采后帶來運輸?shù)淖铚?，?dǎo)致不能及時壓幫，在中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋，運輸系統(tǒng)良好，對快速壓幫形成有利條件。

5）通過邊坡角度設(shè)計、運輸系統(tǒng)規(guī)劃等方案論證進而對邊坡穩(wěn)定力學(xué)模擬分析，從而得出靠幫開采方案可行。

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【責(zé)任編輯：張 夙】

Feasibility scheme of steep slopem ining based on Flac3D

WANG Jianxin
(Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

In order to maximize the recovery of coal resources,more and more open-pit coal mines adopts steep slope mining pressure resource recovery.Taking Nalinmiao disaster control engineering as an example,from the current situation analysis, scheme to using Flac3Dthree-dimensional finite difference program,the article carries out slope stability analysis and demonstrates end slope angle from 37 degrees to 43 degrees,which provide technical support for fastmining and backfill.

open-pit coalmine;steep slopemining;backfill

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0017－04

2017-05-28

王建鑫（1987—），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，學(xué)士，2011年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)就職于內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，從事露采技術(shù)管理。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.005

王建鑫.露天煤礦基于FLAC3D靠幫開采可行性方案［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：17-20.