針對(duì)近水平露天煤礦分析其邊坡穩(wěn)定性

閆云飛

摘要：伴隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，露天煤礦開采工作得到了人們的重點(diǎn)關(guān)注，其中露天煤礦的邊坡穩(wěn)定性也逐漸得到了人們的重視。露天煤礦邊坡穩(wěn)定性容易受到很多因素的影響，我們需要認(rèn)真了解不同的影響因素，然后采取科學(xué)的對(duì)策不斷提升露天煤礦邊坡穩(wěn)定性，從而有效提升露天煤礦開采水平，推動(dòng)露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：近水平露天煤礦；邊坡穩(wěn)定性；提升

引言

針對(duì)滿足內(nèi)排條件的近水平露天煤礦開采過程中，開挖導(dǎo)致的采場(chǎng)工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)都會(huì)給露天煤礦的邊坡穩(wěn)定性造成一定的負(fù)面影響，我們需要不斷調(diào)整邊坡露出的長度，從而有效提升邊坡穩(wěn)定性。如何有效利用這種效應(yīng)，構(gòu)筑有利于安全穩(wěn)定的邊坡空間形態(tài)，最大限度地回采端幫下壓煤是露天開采領(lǐng)域致力解決的空間力學(xué)難題。從工程應(yīng)用的角度來看，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析仍廣泛采用二維方法。該類方法的實(shí)質(zhì)是平面應(yīng)變問題，不能體現(xiàn)邊坡的三維效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的邊坡偏于保守，造成端幫壓煤。其實(shí)，早在20世紀(jì)60年代末開始認(rèn)識(shí)到邊坡穩(wěn)定性的三維效應(yīng)，并開展了三維穩(wěn)定性計(jì)算方法及其應(yīng)用的研究工作。盡管如此，由于存在問題靜定可解性與空間力系分析這兩大難點(diǎn)，各種三維穩(wěn)定性計(jì)算方法以均質(zhì)或類均質(zhì)邊坡為研究對(duì)象且大量的假定，對(duì)于受采場(chǎng)工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)雙重約束下的近水平露天礦端幫邊坡的適用性尚有待驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以有限元法、有限差分、離散元法等為代表的數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用越來越廣泛，成為解決巖體工程空間變形與三維穩(wěn)定性問題的有效手段。筆者以某露天礦為工程背景，借助數(shù)值模擬手段，對(duì)其西端幫邊坡的三維穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析并揭示邊坡暴露長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為露天礦開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為類似邊坡工程提供借鑒。

1某露天煤礦的邊坡周圍地質(zhì)情況研究

通過實(shí)地調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，某露天煤礦的地形較為平緩，西北地勢(shì)比東南地勢(shì)高，區(qū)域內(nèi)的地層分為幾種不同的層次，其中一層主要以粉細(xì)砂、粉土為主要組成部分；另一層主要以砂礫為主要組成部分；還有一層以泥巖、煤、炭質(zhì)泥巖為主要組成部分，在煤層頂板發(fā)育有炭質(zhì)泥巖弱層，吸水性和持水性較強(qiáng)、軟化程度較高。原設(shè)計(jì)西端幫邊坡高度約90m，坡體內(nèi)賦存一大型順傾正斷層FX1，與邊坡走向基本一致、傾角46°～64°、落差大于200m，走向延長5km以上。為最大限度回采邊坡壓煤，露天礦擬利用采場(chǎng)工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的支擋作用，深部臺(tái)階采用并段式開采，自FX1斷層與6號(hào)煤層底板交線以上，將上盤煤全部采出，此時(shí)局部留設(shè)約35m高的臺(tái)階，整體邊坡角由原設(shè)計(jì)的27°加陡為33°，存在一定的安全隱患。為此，需研究不同采場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離條件下邊坡變形與穩(wěn)定性變化規(guī)律，闡明邊坡穩(wěn)定性的尺度效應(yīng)，為剝采工程設(shè)計(jì)與安全實(shí)施提供依據(jù)。

2露天煤礦邊坡三維穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)模擬模型創(chuàng)建

露天煤礦的邊坡穩(wěn)定性相關(guān)模擬模型創(chuàng)建主要是有采場(chǎng)工作幫、內(nèi)排土場(chǎng)以及西端幫組成的，由于模型的創(chuàng)建較為繁瑣，需要工作人員更加認(rèn)真仔細(xì)。巖土體采用帶拉剪復(fù)合屈服判據(jù)的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，單元類型為8節(jié)點(diǎn)、4面體單元。為盡可能反映西端幫邊坡穩(wěn)定性的尺寸效應(yīng)，按照不同采場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離（簡(jiǎn)稱“追蹤距離”）分別為50、100、150、200m，建立了4種工況下的模擬模型。每個(gè)模型包括西端幫、采場(chǎng)工作幫和內(nèi)排土場(chǎng)三個(gè)部分。不同模型的高度H、寬度D、工作幫坡角φ、內(nèi)排土場(chǎng)邊坡角β以及西端幫開挖形態(tài)保持不變（H=320m、D=1550m、φ=23°、β=11°），僅改變追蹤距離L。需要注意的是，為避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型的尺寸應(yīng)滿足Goodman建議要求，模型的西端幫坡面、工作幫坡面與內(nèi)排土場(chǎng)坡面為自由面，模型四周與底部分別采用水平和垂直位移約束；此外，模型中的工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)只起到對(duì)端幫邊坡的支擋作用，因此賦予了較大的變形與強(qiáng)度參數(shù)，泥巖的黏聚力為50kPa、內(nèi)摩擦角為25°、容重為19.6kN/m3、彈性模量為680MPa、泊松比為0.27。

2.2露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的模擬結(jié)果研究

通過分析露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的模擬結(jié)果不難看出，不同內(nèi)排模式下的邊坡穩(wěn)定性各不相同，在巖土體自重及開挖卸荷的雙重作用下，邊坡巖體發(fā)生向采空區(qū)的大變形，變形量與變形范圍隨著追蹤距離的增大而增大；受上部巖體擠壓，高臺(tái)階部分的變形相對(duì)明顯，表明滑坡的力學(xué)成因類型為推動(dòng)式；邊坡變形受到潛在滑體兩側(cè)巖體的鉗制作用影響而呈現(xiàn)中間大、兩側(cè)小的趨勢(shì)，追蹤距離愈小，這種效應(yīng)愈加顯著，表明減小追蹤距離是控制邊坡變形和提高其穩(wěn)定性的有效途徑；滑體的平面形態(tài)基本上為橢圓形，且其長軸與短軸隨追蹤距離的增大近線性增大，表明影響邊坡三維破壞模式的外在因素主要是邊坡的斷面形態(tài)與暴露長度。

3研究露天煤礦的邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算模型的創(chuàng)建

結(jié)合露天煤礦西端幫的相關(guān)情況可以發(fā)現(xiàn)，左右的滑體都是有幾個(gè)不同的空間曲面包圍起來的封閉式的空間，這些空間曲面包括臺(tái)階坡面和平盤構(gòu)成的邊坡面、地表面、圓弧滑面及側(cè)界面，通過分析各個(gè)曲面的形態(tài)，即可確定描述出滑體的空間形態(tài)，進(jìn)而建立起計(jì)算模型。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬得出的滑裂面位置和形態(tài)，分別建立了不同追蹤距離條件下的西端幫三維模型。結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，同時(shí)考慮到實(shí)際滑面的形狀是變化的，且在空間表現(xiàn)出一定的起伏，直接用平面去近似會(huì)帶來較大誤差。因此，通過對(duì)剖面圖上滑面的空間坐標(biāo)進(jìn)行采樣和曲面擬合，可實(shí)現(xiàn)滑裂面三維空間幾何形態(tài)的準(zhǔn)確描述。

4結(jié)論

第一，受到采場(chǎng)和內(nèi)排土場(chǎng)的影響，進(jìn)水平露天煤礦端幫邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)了一定的變化，通過降低采場(chǎng)、內(nèi)排土壤追蹤距離能夠有效提升邊坡穩(wěn)定性，可按《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，追蹤距離為50m。第二，露天礦端幫邊坡變形受到潛在滑體兩側(cè)巖體的夾持作用影響而呈現(xiàn)中間大、兩側(cè)小的趨勢(shì)，且這種夾持作用隨著采場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離減小而增大；邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨追蹤距離的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)追蹤距離不超過100m時(shí)，可滿足安全要求；當(dāng)追蹤距離達(dá)到200m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性的尺寸效應(yīng)基本消失。第三，露天礦西端幫邊坡的滑裂面近似一橢球面，其長軸與短軸均隨著采場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離的增大近線性增大；受上部巖體擠壓，高臺(tái)階部分的變形相對(duì)明顯，表明滑坡的力學(xué)成因類型為推動(dòng)式。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明新.勝利東二露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（24）：16-19.