陷落柱對(duì)露天礦非工作幫邊坡穩(wěn)定影響及控制對(duì)策

焦步青，丁鑫品

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013）

煤系地層陷落柱是煤系下伏可溶巖系中的大跨度溶洞發(fā)生持續(xù)向上塌陷所形成的，主要以上小下大的倒置漏斗狀存在，一般多為巖石棱角分明，形狀不規(guī)則，排列紊亂，大小混雜，黏土充填黏結(jié)。以安家?guī)X露天礦北幫姚吉坪陷落柱為例，該陷落柱位于該區(qū)域邊坡上部，呈橢圓形，長(zhǎng)304 m，寬209 m，面積51 597 m2，邊界區(qū)域巖性混雜，多為角礫巖，巖層傾角大小極不穩(wěn)定。在露天開采中，由于陷落柱體內(nèi)巖體破碎，充填物多為頂板巖石或煤屑、煤泥，同時(shí)陷落柱在形成過(guò)程中導(dǎo)致地應(yīng)力重新分布，局部應(yīng)力不斷集中，區(qū)域地層不均勻下沉，周邊巖土體逐漸向中心區(qū)域滑移，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，故其對(duì)煤礦安全生產(chǎn)影響較大[1-2]。所以，提出長(zhǎng)期有效的方法和措施來(lái)降低陷落柱對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響迫在眉睫，對(duì)提升礦山經(jīng)濟(jì)效益及安全性具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)影響[3-4]。目前，已有不少專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。屈亮等[5-6]采用有限元強(qiáng)度折減法分析了陷落柱破碎帶影響下的邊坡穩(wěn)定情況，結(jié)果表明，陷落柱中心逆斷層影響區(qū)域是剪應(yīng)力變化主要集中的區(qū)域，但是滑動(dòng)貫通面未形成；通過(guò)分析邊坡穩(wěn)定性，穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)由小逐漸增大再變小趨勢(shì)；隨著開采深度的增加，邊坡應(yīng)力重新調(diào)整，坡底剪應(yīng)力不斷發(fā)生改變，因此出現(xiàn)升高現(xiàn)象，但整體表現(xiàn)為隨采深的增加邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。王志鵬等[7-10]以安太堡露天礦南幫為研究對(duì)象，采用模擬計(jì)算仿真軟件Geo Studio 對(duì)陷落柱影響下南幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，陷落柱對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響程度較大，而內(nèi)排壓腳措施可以有效提高邊坡穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)域概況

安家?guī)X露天礦位于平朔礦區(qū)的中南部，地處山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°20′52″—112°26′22″，北緯39°26′03″—39°30′30″，井田面積54.765 1 km2，于1998 年4 月開始建設(shè)，2003年達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。安家?guī)X露天礦共分3 個(gè)采區(qū)，其中首采區(qū)可采原煤量461.8 Mt、剝離量2 105.93 Mm3、平均剝采比4.56 m3/t，服務(wù)年限20.99 年。主要可采煤層從上往下分別為4#、9#、11#煤，平均總厚度為29.5 m，煤層起止標(biāo)高1 186～1 376 m，埋藏深度100～200 m。煤層一般單獨(dú)劃分臺(tái)階、傾斜分層開采，經(jīng)過(guò)穿孔爆破后，由前裝機(jī)或電鏟采裝、重型卡車運(yùn)輸至破碎口。露天礦剝離采用單斗-卡車間斷工藝，采煤為半連續(xù)工藝，即電鏟采掘-卡車運(yùn)輸-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)至選煤廠。

目前采場(chǎng)內(nèi)影響邊坡穩(wěn)定的陷落柱為北幫姚吉坪陷落柱，其邊界在地表可觀測(cè)，位于該區(qū)域邊坡上部。后期通過(guò)鉆孔對(duì)陷落柱邊界進(jìn)行圈定，確定陷落柱為橢圓形，長(zhǎng)304 m，寬209 m，面積51 597 m2。陷落柱軸向?yàn)楸蔽飨?，在空間上呈倒漏斗狀，上小下大，塌陷角從10°到近似垂直，邊界區(qū)域巖性混雜，多為角礫巖，巖層傾角大小極不穩(wěn)定。另外根據(jù)物探及鉆探成果資料，整個(gè)陷落柱視電阻率值較高，表明陷落柱內(nèi)破碎部分富水性較弱，受陷落柱影響，邊坡巖體破碎，膠結(jié)程度較低，坡體局部坍塌，不利于邊坡穩(wěn)定，而該區(qū)域邊坡高度達(dá)到200 m，各平盤運(yùn)輸干道密集，且邊坡底部設(shè)有可移式破碎站，如果邊坡一旦發(fā)生失穩(wěn)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全，必須就陷落柱對(duì)安家?guī)X露天礦北幫邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律、影響的程度及控制措施展開深入研究。

2 陷落柱影響下邊坡穩(wěn)定性

2.1 研究剖面

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程概況，利用工程地質(zhì)鉆探手段對(duì)北幫姚吉坪陷落柱邊界進(jìn)行了圈定，該陷落柱為橢圓形，長(zhǎng)304 m，寬209 m，軸向?yàn)楸毕蛭?，為了研究陷落柱?duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取典型剖面NS-3 進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.2 數(shù)值模型

為了研究陷落柱對(duì)安家?guī)X露天礦非工作幫邊坡穩(wěn)定的影響程度及其控制措施，基于邊坡地表航測(cè)圖、煤層頂?shù)装宓雀呔€圖、工程地質(zhì)鉆孔及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)建立工程地質(zhì)模型，NS-3 工程地質(zhì)模型如圖1。

圖1 NS-3 工程地質(zhì)模型

基于工程類比法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)安家?guī)X露天礦及其周邊礦井已有巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行歸納、整理和分析[11]，得到研究所需的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，巖土力學(xué)參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)推薦值

2.3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

基于已經(jīng)建立的極限平衡分析模型，利用數(shù)值模擬軟件Geo-studio 中Ordinary、Bishop、Janbu 以及M-P 等4 種分析方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析計(jì)算。計(jì)算之前主要考慮2 個(gè)方面因素：①陷落柱周圍煤層以及軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；②陷落柱對(duì)周邊邊坡巖體強(qiáng)度及巖性構(gòu)成的影響。計(jì)算開始后，數(shù)值模擬軟件會(huì)計(jì)算顯示臨界滑移面即最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置，并給出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置的安全系數(shù)，安全儲(chǔ)備系數(shù)是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的1 個(gè)重要指標(biāo)，GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范第6.0.8條[12]明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍，結(jié)合安家?guī)X露天礦非工作幫服務(wù)年限一般小于10年 的具體情況，選取安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs為1.1～1.2，當(dāng)Fs＜1.1 時(shí)，即認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性不滿足要求。

模型中臨界邊坡滑移面位置及穩(wěn)定系數(shù)如圖2和圖3。

圖2 現(xiàn)狀條件下的局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖3 現(xiàn)狀條件下的整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)

計(jì)算結(jié)果顯示局部單臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.027，組合多臺(tái)階安全系數(shù)為1.082，均小于安全儲(chǔ)備系數(shù)要求1.2，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圖2 極限平衡分析模型中出現(xiàn)局部單臺(tái)階不穩(wěn)定滑移面的原因?yàn)橄萋渲绊懴聠闻_(tái)階高度較大所致。圖3 出現(xiàn)組合多臺(tái)階不穩(wěn)定滑移面的原因?yàn)橄萋渲绊懛秶鷥?nèi)巖體泥化程度較大，局部應(yīng)力不斷集中，區(qū)域地層不均勻下沉，周邊巖土體逐漸向中心區(qū)域滑移所致，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，發(fā)生三級(jí)臺(tái)階的組合圓弧滑動(dòng)。

3 陷落柱對(duì)非工作幫邊坡穩(wěn)定影響的防治對(duì)策

目前，露天煤礦控制邊坡穩(wěn)定主要有內(nèi)排壓腳和削坡減重2 種措施，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者采用數(shù)值分析以及理論方法等對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明，內(nèi)排壓腳和削坡減重2 種措施可以有效控制露天礦邊坡沿臨空面的錯(cuò)動(dòng)，提高邊坡穩(wěn)定性，研究成果在許多露天礦得到成功應(yīng)用[13-14]。

結(jié)合安家?guī)X露天礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用削坡減重措施需要額外配備相應(yīng)的機(jī)械、設(shè)備，消耗大量的人力、物力和財(cái)力，雖然技術(shù)上可行，但經(jīng)濟(jì)上不合理。采用內(nèi)排壓腳措施，壓腳的材料可以就近取材，既可以實(shí)現(xiàn)排棄物料近距離排棄又可以達(dá)到控制滑坡的目的，較削坡減重的技術(shù)處理措施更為合理可行。因此，選擇內(nèi)排壓腳措施來(lái)作為邊坡穩(wěn)定的控制對(duì)策，另外因內(nèi)排壓腳的取材主要是排棄物料，所以隨著內(nèi)排壓腳的高度增加，陷落柱影響下的邊坡局部和整體的穩(wěn)定性也隨之改變，如何保證邊坡滿足一定年限穩(wěn)定要求的前提下，確定最佳內(nèi)排壓腳高度，對(duì)提高礦上經(jīng)濟(jì)效益具有指導(dǎo)意義。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，內(nèi)排壓腳的起始標(biāo)高為＋1 270 m，高度每增加5 m 后計(jì)算陷落柱影響下的局部和整體的邊坡安全系數(shù)。邊坡安全系數(shù)隨內(nèi)排壓腳標(biāo)高變化趨勢(shì)圖如圖4。

圖4 邊坡安全系數(shù)隨壓腳標(biāo)高變化趨勢(shì)圖

由圖4 可知，隨著內(nèi)排壓腳標(biāo)高的不斷增加，陷落柱影響下的非工作幫邊坡局部和整體的穩(wěn)定性不斷提高，當(dāng)壓腳標(biāo)高達(dá)到＋1 320 m 時(shí)，邊坡局部和整體的安全系數(shù)Fs均滿足1.1～1.2 范圍之間。因此，設(shè)計(jì)內(nèi)排壓腳標(biāo)高＋1 320 m，利用SLOPE/W 軟件計(jì)算得到的采取內(nèi)排壓腳措施后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖5 和圖6。

圖5 采取內(nèi)排壓腳措施后的局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖6 采取內(nèi)排壓腳措施后的整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)

由圖5 和圖6 分析結(jié)果可知，當(dāng)邊坡壓腳標(biāo)高到＋1 320 m 時(shí)，陷落柱影響區(qū)域局部單臺(tái)階邊坡安全系數(shù)Fs＝1.143，組合多臺(tái)階邊坡安全系數(shù)Fs＝1.185，表明內(nèi)排壓腳措施將邊坡局部和整體的穩(wěn)定系數(shù)成功增大至安全范圍內(nèi)，滿足GB 50197—2005煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于露天礦非工作幫服務(wù)年限下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求。實(shí)踐證明，內(nèi)排壓腳可以有效改善陷落柱對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，是一項(xiàng)有效且實(shí)用的端幫邊坡穩(wěn)定控制措施，對(duì)提高礦山邊坡穩(wěn)定性具有實(shí)際意義。

4 結(jié)論

1）當(dāng)露天礦非工作幫內(nèi)部出現(xiàn)陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，周圍地應(yīng)力重新分布，局部應(yīng)力不斷集中，引起邊坡巖性構(gòu)成與產(chǎn)狀發(fā)生變化，出現(xiàn)巖體破碎，不利于邊坡穩(wěn)定，在巖層面與邊坡面順傾的情況下，邊坡巖土體可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生局部滑動(dòng)失穩(wěn)。

2）基于模擬計(jì)算仿真軟件Geo－studio 建立陷落柱影響條件下安家?guī)X露天礦非工作幫現(xiàn)狀及采用內(nèi)排壓腳措施處理后的邊坡極限平衡分析模型，研究結(jié)果表明，陷落柱對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度較大，而內(nèi)排壓腳可以明顯提高邊坡穩(wěn)定性，是一項(xiàng)切實(shí)有效的邊坡穩(wěn)定控制措施，不僅可以提高邊坡穩(wěn)定性，而且可以增大排土容量、縮短排土運(yùn)距，對(duì)于露天礦山的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益有重要的實(shí)際意義。