平朔東露天礦陡幫開采邊坡穩(wěn)定性控制方案

任 鵬，李 偉，丁鑫品，李慶堯

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京 100013；4.中煤平朔集團有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

目前，我國露天煤礦行業(yè)平均資源回收率占比95%，影響煤炭資源回收率主要有邊幫壓煤、礦山地質(zhì)較為薄弱、不合理開采以及薄煤層數(shù)量較多等因素[1]。露天礦開采境界內(nèi)由于初步設計或者開采技術(shù)的限制使得最終幫坡角偏小，進而形成目前技術(shù)條件下可以開采但未采出的端幫下壓煤叫做“呆滯煤”。大多數(shù)情況下，產(chǎn)生殘煤的主要原因一方面是地質(zhì)條件、構(gòu)造發(fā)育復雜，造成工作面難以正常布置，因此就會產(chǎn)生邊角塊段；另一方面原因是部分未探明的地質(zhì)構(gòu)造形成的保護煤柱，再次探測后的可采部分；主要的原因是設計幫破角較小，造成了端幫所壓煤量過多[1-2]。

當?shù)V山地質(zhì)條件、邊坡高度一定時，露天煤礦端幫實行靠幫開采雖然能夠保證開采境界內(nèi)的資源量增加或剝離量減少，增加開采的經(jīng)濟效益，但幫坡角變陡，出現(xiàn)滑坡的可能性隨之增加。為此結(jié)合平朔東露天礦地質(zhì)以及現(xiàn)場條件，研究了東露天礦在南幫上部平盤到界，4#煤層已全部揭露，頂板以上臺階已并幫靠界的前提下，分析回收下部4#煤壓滯資源的途徑與方案以及驗算此處的邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡變形破壞模式

1.1 數(shù)值分析模型

通過對東露天礦原有地質(zhì)資料進行收集和整理，同時對東露天礦南幫邊坡工程地質(zhì)條件進行研究，選取典型位置剖面，建立邊坡穩(wěn)定性分析地質(zhì)模型，數(shù)值模擬模型的建立擬采用有限差分法FLAC3D分析程序[3-4]，研究采用的巖土體物理力學性質(zhì)指標是在收集和整理平朔礦區(qū)和東露天礦已有巖土體試驗研究成果的基礎(chǔ)上，基于工程類比法，通過歸納和分析獲得[5-7]，計算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型摩爾--庫侖屈服強度準則進行描述；根據(jù)研究區(qū)域的邊坡和地貌特征，綜合考慮南幫軟弱層、回收4#煤及其下部壓滯資源對南端幫邊坡穩(wěn)定性的影響[8]，基于典型工程地質(zhì)剖面構(gòu)建的FLAC3D有限差分數(shù)值分析模型如圖1。模型沿邊坡傾向長度為444 m，垂直高度為260 m，模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，根據(jù)建立的模型和實際條件確定邊界條件?；谝陨? 點構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個計算剖面的受力平衡，通過計算并分析邊坡水平位移、豎直位移和剪應變增量云圖，確定在回收4#煤及其下部壓滯資源區(qū)域邊坡潛在滑動部位與滑面形狀，并依此預計邊坡總體變形破壞趨勢。

圖1 數(shù)值分析模型圖Fig.1 Numerical analysis model diagram

1.2 模擬結(jié)果

研究剖面邊坡剪應變增量云圖如圖2。邊坡剪應變增量較明顯的位置主要集中在4#煤回采區(qū)域內(nèi)部及11#煤上部并段臺階內(nèi)部，4#煤回采區(qū)域內(nèi)部剪應變增量比較明顯的主要原因是4#煤上部相鄰臺階留設的安全平盤寬度不足，多臺階并段致使基巖臺階過高，穩(wěn)定性降低，11#煤上部并段臺階內(nèi)部剪應變增量較明顯的主要原因是多個臺階并段導致基巖臺階過高且局部坡面角較陡。

圖2 剖面剪應變增量云圖Fig.2 Section shear strain increment contour

研究剖面邊坡水平位移云圖如圖3，研究剖面邊坡豎直位移云圖如圖4。從水平位移云圖可知，標高1 211～1 245 m 并段臺階受4#煤回采的影響較大，有發(fā)生局部區(qū)域向臨空面滑動的趨勢；從豎直位移云圖可知，4#煤和9#煤上部巖土體均有豎直向下位移的趨勢，尤以4#煤上部并段臺階最為明顯。

圖3 剖面水平位移云圖Fig.3 Horizontal displacement cloud map

圖4 剖面垂直位移云圖Fig.4 Section vertical displacement cloud map

研究剖面邊坡塑性區(qū)域分布如圖5。塑性區(qū)域主要分布的位置在軟弱層和并段臺階，軟弱層中塑性區(qū)域比較集中的原因是抗剪強度相對較低且壓縮性較強，在塑性區(qū)域較集中的位置易發(fā)生局部片幫和崩塌[9]，因此，為了保證安全高效生產(chǎn)，必須及時采取有針對性的治理。

圖5 剖面塑性區(qū)域分布圖Fig.5 Section plastic zone distribution map

2 陡幫開采回收邊幫壓煤可行性

2.1 方案優(yōu)化

針對南幫4#煤及其下部壓滯資源的分布現(xiàn)狀，通過對研究剖面邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀展開全面評價[10]，探明邊坡穩(wěn)定狀況演化趨勢，確定邊坡安全工作的重點區(qū)域；基于此共研究1 228 m 平盤寬度留設5、10、15、20、25、30 m 6 種方案，分析局部和整體的邊坡穩(wěn)定性；其中南幫標高1 228 m 處留設5 m 安全平盤的情況下，建立研究剖面工程地質(zhì)模型，剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析計算結(jié)果如圖6。

圖6 DLT-NB-L5-01 極限平衡分析計算結(jié)果Fig.6 DLT-NB-L5-01 limit equilibrium analysis calculation results

1 228 m 處留5 m 平盤方案中研究剖面邊坡巖土體沿4#煤層頂板相鄰臺階發(fā)生局部滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.008，小于安全儲備系數(shù)，邊坡失穩(wěn)的可能性將增加，因此該方案雖然能夠回采更多的煤炭資源，但需要投入更多的人力物力，增大成本，同時對礦山安全生產(chǎn)也帶來很大的隱患，不推薦此種回采方案。6 種安全平盤留設方案的整體和局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖7（邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs＞1.2 時邊坡穩(wěn)定，1.1＜Fs＜1.2 時基本穩(wěn)定，1.0＜Fs＜1.1 時邊坡存在一定風險，F(xiàn)s＜1.0 時邊坡不穩(wěn)定）。邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果對應的最終幫坡角如圖8。

圖7 方案中整體和局部邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.7 Overall and local slope stability calculation results

圖8 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果對應的最終幫坡角Fig.8 The final slope angle corresponding to the slope stability calculation result

圖7 表明，標高1 228 m 處原設計留設安全平盤25 m 的情況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.236，大于安全儲備系數(shù)，正常情況下發(fā)生整體邊坡失穩(wěn)的可能性較低；安全平盤留設5、10、15 m 的3 種方案，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.1，雖然能夠回收較多煤炭資源，經(jīng)濟效益可觀，但受4#煤層靠幫影響，南幫邊坡應力場再次重新分布，整體臺階穩(wěn)定性將顯著降低，存在局部滑塌、片幫的可能，故此3 種方案不可??；標高1 228 m 處留設安全平盤20 m 時，邊坡整體和局部穩(wěn)定性系數(shù)均介于 1.1～1.2 之間，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)還是存在一定的風險，但基本穩(wěn)定，因此，在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，采取留設20 m 安全平盤的方案。原設計留設25 m 安全平盤寬度，為了回采更多的煤炭資源，設計幫坡腳提高1°，且留設20 m 安全平盤，經(jīng)濟效益評價如下：

式中：S 為留設20 m 安全平盤回收壓滯煤炭資源的經(jīng)濟效益，元；L1為設計留設安全平盤寬度，m；L2為留設 20 m 安全平盤寬度，m；Hi為煤層厚度，m;H1、H2、H3分別為 4#煤、9#煤、11#煤層厚度，H1=17.94 m，H2=11.43 m，H3=7.92 m；L0為煤層走向長度，m；K 為原煤密度，t/m3；C 為噸煤價格，元/ t。

計算中原煤密度為1.4 t /m3，煤層走向長度約3 km，噸煤價格250 元/t；此種方案多回收煤炭資源為78.309 萬t，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約1.95 億元。

2.2 陡幫開采邊坡安全對策

目前，國內(nèi)外關(guān)于邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的治理措施主要有排水、減載、壓腳、加固等幾種方法[11-12]。綜合考慮東露天礦實際工況，提出2 種方案：①為了保證邊坡穩(wěn)定，建議盡快將下部9#煤和11#煤采出，實現(xiàn)內(nèi)排壓腳；②該回采區(qū)域邊坡多臺階并段靠幫，建議在潛在失穩(wěn)區(qū)域進行削坡減載。

2 種方案都能保證該回采區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，但結(jié)合現(xiàn)場工況，坡面角度較大，降雨、爆破振動等因素致使巖體強度降低、結(jié)構(gòu)松散，對斜坡下方平盤造成一定損害，已不具備削坡減載條件；而壓腳改變了邊坡破壞發(fā)生的部位和程度，在上1 個臺階壓腳的同時，下1 個臺階也要在原有壓腳量的基礎(chǔ)上，進一步增加壓腳，只有這樣才能保證在下1 個臺階上不會出現(xiàn)新的塑性集中區(qū)域[13]。內(nèi)排壓腳所達標高對應計算成果見表1。

表1 內(nèi)排壓腳所達標高對應計算成果Table 1 The elevation of the internal pressure foot

由表1 可知,當內(nèi)排壓腳標高達到1 228 m 時，壓腳量29.66 m3，回采區(qū)域邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可達到1.215，潛在滑坡危險即可得到有效控制，通過對比分析內(nèi)排壓腳成為保證該區(qū)域邊坡穩(wěn)定的首選方案。

3 結(jié) 語

基于東露天礦南幫邊坡工程地質(zhì)與現(xiàn)場條件，建立工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬分析的方法研究了回收4#煤及其下部壓滯資源影響區(qū)域邊坡的變形失穩(wěn)機理，探明邊坡變形模式；針對現(xiàn)場實際情況提出6 種回收4#煤及其下部壓滯資源的方案，通過穩(wěn)定性計算，對比分析，確定留設20 m 安全平盤的回收方案，該方案中提高設計幫坡腳1°，多回收煤炭資源約為78.309 萬t；提出采用留設20 m 安全平盤的回采方案時影響區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的治理方案：內(nèi)排壓腳和削坡減載，通過對比分析內(nèi)排壓腳成為當前治理該區(qū)域邊坡變形切實可行且有效的方法。