某露天煤礦拋擲爆破及煤層開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

陳 壽 汪日生 郭飛高 劉建國

(葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司)

露天礦邊坡穩(wěn)定性對于礦山安全高效生產(chǎn)影響較大，目前，主要采用極限平衡法和巖土數(shù)值模擬方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價[1]。隨著研究的不斷深入，根據(jù)不同的地質(zhì)條件狀況，極限平衡法可進(jìn)一步分為簡布法、畢肖普法、瑞典條分法、斯賓賽法、不平衡推力傳遞法、摩根斯坦-普拉斯法、薩爾瑪法等[2-3]。在巖土工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬方法主要有有限元極限法[4-6]、離散元法[7]、快速拉格朗日分析法[8]、邊界元法[9]、塊體系統(tǒng)不連續(xù)變形分析法[10]、數(shù)值流形方法[11]等。我國西北地區(qū)某露天煤礦在拋擲爆破和拉斗鏟倒堆開挖過程中，實體高臺階曾發(fā)生多次滑坡，嚴(yán)重威脅著臺階上方鉆機及臺階下方采煤機械和人員安全。為確保該礦安全生產(chǎn)，本研究采用Geo-studio和FLAC3D軟件分別對爆破振動、煤層開挖因素影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為實體高臺階實時監(jiān)控預(yù)警及滑坡快速治理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本研究礦區(qū)拋擲爆破的實體高臺階主要由巖層和煤層組成。煤層為主采的6#復(fù)合煤層，該煤層屬于層狀構(gòu)造，其結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)為線理狀和條帶狀。該煤層平均厚度為28.8 m，整體埋藏十分平緩，傾角為3°～5°，煤層硬度、韌性、密度普遍較大，脆性稍差。6#煤層以上的巖石臺階主要為黏土巖、泥巖、砂泥巖，巖層高度為38～42 m，屬于堅硬—半堅硬巖石，普氏硬度系數(shù)為3.4～6.0。當(dāng)前巖石臺階的設(shè)計傾角為65°，煤層邊坡設(shè)計傾角為75°，巖石高臺階長約2 200 m，煤層開采工作分為東西兩區(qū)，工作面長度均為1 000 m左右。本研究以東區(qū)為例，依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50197—2015)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)，并結(jié)合該礦拋擲爆破實體高臺階的存在期較短(1～2個月)的特征，確定實體高臺階邊坡的儲備安全系數(shù)為1.2。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料并結(jié)合現(xiàn)場取樣，在實驗室測得的煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 爆破振動影響下邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 西區(qū)爆破振動影響分析

2.1.1 模型構(gòu)建

本研究運用基于極限平衡法的Geo-studio軟件中QUAKE/W動力有限元模塊根據(jù)西區(qū)的實際情況構(gòu)建了如圖1所示的模型。模型上覆巖層臺階高44 m，坡面傾角65°，中部煤層厚28 m，坡面傾角75°，下部基巖主要為厚72 m的泥巖。整個模型基底長300 m，高144 m。

圖1 臺階剖面模型

2.1.2 計算結(jié)果分析

由Geo-studio軟件自帶的地震波模擬現(xiàn)場爆破振動產(chǎn)生的震動波，在西區(qū)初始模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了歷時10 s的地震波(圖2)。地震波傳播至邊坡的瞬間，邊坡向自由面發(fā)生了劇烈晃動。軟件默認(rèn)以0.02 s作為時間步長記錄地震波對邊坡的影響，故10 s的震動共計500步，按每20個時間步長保存一次記錄。在初始應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上再次添加邊坡穩(wěn)定性分析模塊，基于摩爾-庫倫理論得到的安全系數(shù)為1.15[12]，相應(yīng)的安全儲備系數(shù)為1.2，但無法認(rèn)定邊坡會一定發(fā)生破壞。

圖2 振動過程中的地震波譜

受地震波的影響，邊坡的安全系數(shù)變化較大，由圖3(a)可知，安全系數(shù)在爆破振動過程中劇烈變化，多次降至1.0以下，因此在分析邊坡受振動影響時是否會發(fā)生坍塌，應(yīng)側(cè)重于分析爆破振動過程中的邊坡位移量。圖3(b)顯示在持續(xù)10 s的振動過程中，實體高臺階邊坡受爆破振動影響產(chǎn)生的永久性位移量約為0.27 m，如此大的位移較易誘發(fā)邊坡在原本不穩(wěn)定的破壞面處發(fā)生滑坡。由此可見，爆破振動對邊坡巖層的破壞較大，是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此，在爆破作業(yè)后應(yīng)認(rèn)真確定邊坡的穩(wěn)定性。

圖3 爆破振動過程中安全系數(shù)及位移隨時間的變化特征

2.2 不同爆破強度下的邊坡穩(wěn)定性

爆破設(shè)計選取的參數(shù)不同，產(chǎn)生的爆破振動強度也不同。為研究不同振動強度對邊坡穩(wěn)定性的影響，本研究設(shè)定了4組不同振動強度參數(shù)(表2)，在重力場下考慮爆破振動的影響，運用Geo-studio軟件的QUAKE/W模塊，采用摩根斯頓-普賴斯法分析了不同振動強度下的邊坡穩(wěn)定性，得到的安全系數(shù)如表2所示。

表2 振動強度參數(shù)設(shè)定

由表2可知：隨著爆破振動強度增大，邊坡安全系數(shù)趨于減小。數(shù)值模擬表明：質(zhì)點振動加速度超過0.2 g時，邊坡安全系數(shù)基本小于1.0，根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50197—2015)，安全系數(shù)小于1.0的實體高臺階邊坡發(fā)生破壞的可能極大。在4種不同振動強度作用下，邊坡產(chǎn)生的位移量如圖4所示。分析圖4可知：當(dāng)質(zhì)點的振動加速度a超過0.1 g時，位移大幅高于0.16 m；當(dāng)a達(dá)到0.4 g時，產(chǎn)生的位移量達(dá)到1.02 m，產(chǎn)生的位移極大，易導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生較大裂縫，在進(jìn)一步受到降雨、下方煤層開挖擾動的影響后，邊坡極易發(fā)生變形破壞?？蓮慕档驼ㄋ幜?、采用微差爆破、改變裝藥結(jié)構(gòu)、設(shè)置人為減振帶、控制爆破頻率減少位移累積等方面采取相關(guān)措施，來降低爆破振動危害。

圖4 振動過程中的邊坡累計位移

3 開挖擾動下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型構(gòu)建

仍以西區(qū)為例，運用基于數(shù)值模擬法的FLAC3D軟件構(gòu)建了數(shù)值模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。模型剖面長250 m，采煤工作面長400 m，模型高144 m，以Z方向-72 m處為模型的底邊界，沿X正方向開挖，最終形成的模型單元數(shù)為95 040個，節(jié)點數(shù) 102 060個(圖5)。

圖5 三維FLAC3D計算模型

3.2 模擬結(jié)果分析

本研究采用開挖上覆巖層的方式來模擬拉斗鏟倒堆作業(yè)的過程。數(shù)值模擬表明：隨著巖層逐步開挖，經(jīng)歷不斷卸載、應(yīng)力釋放、自由變形等一系列過程后，在坡面附近的巖體內(nèi)會發(fā)生應(yīng)力重新分布(圖6)。分析圖6可知：臺階上方位移矢量向下表現(xiàn)為沉降，中部位移矢量幾乎與坡面平行表現(xiàn)為剪切，開挖位置位移矢量向上表現(xiàn)為剪出，開挖后坡底出現(xiàn)剪切破壞，但整體上邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)工作面日采煤進(jìn)度以及模型尺寸，進(jìn)行了開挖煤層模擬，每次開挖前進(jìn)20 m，整個模型開挖分20步完成，最終最大不平衡力逐漸收斂，模型趨于平衡狀態(tài)。

圖6 上覆巖層開挖后塑形區(qū)分布

由于煤層開挖次數(shù)較多，故本研究選取開挖第1、10，19步進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：邊坡開挖引起地應(yīng)力釋放，開挖周圍坡體會產(chǎn)生卸載回彈變形，坡體向自由面移動，并且隨著時間積累變形范圍逐漸擴大；在坡體臨空面處，尤其是坡腳位置，易形成剪應(yīng)力增高區(qū)域，向坡體內(nèi)部逐漸減弱；卸載過程中應(yīng)力釋放量最大的位置位于開挖面周圍，從模型側(cè)面來看，坡體由上至下依次呈沉降、剪切、剪出狀態(tài)，整體易形成圓弧形剪切破壞。

開挖卸載使地層特別是開挖后的部分煤巖層隆起現(xiàn)象較明顯，煤層在開挖過程中，基底巖層隆起的程度呈先增大后逐漸減小的趨勢，在開挖至中間位置時隆起程度達(dá)到最大。上覆巖層開挖后，煤層隆起量達(dá)222.6 mm，煤層全部開挖完畢后，基巖隆起量為233.5 mm，本研究模擬開挖后的位移變化特征基本符合實際情況。本研究數(shù)值模擬得出的邊坡安全系數(shù)為1.18，表明在開挖過程中，邊坡勉強能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，但經(jīng)過爆破振動和開挖的復(fù)合作用后，邊坡安全系數(shù)將大大降低，極易造成滑坡或大面積垮落。

4 結(jié) 語

以我國西北地區(qū)的某露天煤礦為例，針對該礦在拋擲爆破及煤層開挖過程中高臺階、大坡角邊坡嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)的實際情況，分別運用極限平衡法與數(shù)值模擬法計算出了實體高臺階在爆破振動、煤層開挖影響下的安全系數(shù)。研究表明：拋擲爆破實體高臺階邊坡穩(wěn)定性較為脆弱，生產(chǎn)過程中可通過優(yōu)化邊坡幾何參數(shù)、爆破工藝與網(wǎng)絡(luò)以及開挖順序，并配以雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)來確保礦區(qū)安全高效作業(yè)。

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