高明強(qiáng)
(扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司,內(nèi)蒙古 通遼 029100)
由于極限平衡法無法考慮邊坡的應(yīng)力應(yīng)變問題,國內(nèi)外專家學(xué)者將數(shù)值分析方法引入到邊坡工程領(lǐng)域[1-3]。隨著建模技術(shù)的逐步成熟,數(shù)值分析方法也廣泛應(yīng)用于工程實際中,主要分為3 大類:有限元法、離散元法、有限差分法。有限元法最為常用的軟件為ANSYS、ABAQUS,離散元法最為常用的軟件為UDEC、PFC,有限差分法最為常用的軟件為FLAC[3-6]。曹蘭柱等[7]以元寶山露天礦排土場為研究對象,應(yīng)用FLAC3D軟件分析了基底形態(tài)、地下水等因素對邊坡失穩(wěn)變形的影響,揭示了邊坡的滑坡機(jī)理及滑坡模式;周偉等[8]以哈爾烏素露天煤礦北端幫邊坡為研究對象,分析了內(nèi)排壓幫對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得出了內(nèi)排寬度及高度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的函數(shù)關(guān)系;宋子嶺等[9]以傾斜基底排土場為研究對象,分析了排土場的變形失穩(wěn)特征及滑坡機(jī)理。
上述研究對排土場變形及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了合理、有效工作,但對于在排土場影響范圍內(nèi)進(jìn)行開挖工程的研究較少,為此,以扎哈淖爾露天礦排土場、L115 機(jī)道溝邊坡為例,通過研究排土場變形范圍,確定開挖機(jī)道溝對邊坡穩(wěn)定性的影響。
扎哈淖爾露天煤礦北排土場自2013 年排棄到界到2018 年7 月份排土場邊坡變形,發(fā)生沉降并向南北兩側(cè)滑移,排土場頂部沉降最大11.2 m,平均沉降5 m,排土場南邊坡坡角隆起嚴(yán)重,最大隆起12.2 m,平均隆起6.5 m,現(xiàn)階段排土場隆起范圍150~200 m 范圍,地表境界距離排土場280 m,而依據(jù)輪斗移設(shè)方案,L114 工作幫帶式輸送機(jī)與采場西部地表境界采取垂直布置方式,使L115 帶式輸送機(jī)平行地表境界線布設(shè),若L115 機(jī)道溝按地表境界開挖,隨著暴露時間的增加,排土場荷載和第四系潛水的綜合影響,將會影響輪斗系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。
2018 年輪斗114 工作幫帶式輸送機(jī)將推進(jìn)至地表境界拐點,輪斗連續(xù)系統(tǒng)2019 年需進(jìn)行移設(shè)技改。經(jīng)中煤科工沈陽設(shè)計院論證,采用其編制的《扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)工程可行性研究報告》中方案三技改移設(shè)方案,即連續(xù)系統(tǒng)L114 工作幫帶式輸送機(jī)與采場西部地表境界采取垂直布置方式,使L115 帶式輸送機(jī)平行地表境界線布設(shè)。
因L115 機(jī)道位置北幫為第四系含水沙層,長期受北排土場荷載壓力影響,較易發(fā)生片幫等災(zāi)害事故,同時根據(jù)本次輪斗-帶式輸送機(jī)布置方案,輪斗-帶式輸送機(jī)布置主要是在地表布置或是在端幫第2 個臺階布置,機(jī)道溝開挖邊坡的穩(wěn)定性對于輪斗系統(tǒng)正常剝離至關(guān)重要。因此需要分析輪斗布置邊坡的穩(wěn)定性,確定合理的邊坡形態(tài)和邊坡角度。且此區(qū)域目前水文地質(zhì)、巖性參數(shù)尚不健全,此位置距離內(nèi)排較遠(yuǎn),在內(nèi)排跟進(jìn)到界之前,上部平盤可暫時按不到界工作幫進(jìn)行設(shè)計,需要與采礦境界保留一定安全距離。因此,為保障機(jī)道、帶式輸送機(jī)安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要確定合理的安全距離。
掌握邊坡工程地質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定性評價、分析和變形破壞前提和基礎(chǔ)[3-4]。確定排土場排棄物料及115 機(jī)道溝位置巖土體的物理力學(xué)參數(shù),為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩(wěn)定性分析提供基115礎(chǔ)資料,排土場從上到下,各層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1,典型計算模型如圖1。
表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)
圖1 典型計算模型圖
根據(jù)扎哈淖爾露天煤礦第四系、排土場現(xiàn)狀和泥巖基底巖性考慮,第四系砂層巖性以淺黃色細(xì)砂為主,含少量小礫石,同時地下水位埋深一般2~10 m,為孔隙潛水,根據(jù)以往現(xiàn)場經(jīng)驗,現(xiàn)場端幫第2個臺階開挖后出現(xiàn)涌水的情況,機(jī)道溝開挖后要考慮地下水位對邊坡穩(wěn)定性的影響,判斷其潛在的滑坡模式為典型圓弧型滑動。L115 機(jī)道溝和排土場邊坡潛在的滑坡模式如圖2。
圖2 L115 機(jī)道溝和排土場邊坡潛在的滑坡模式
結(jié)合L115 機(jī)道溝、排土場潛在滑坡模式,考慮到排土場潛在變形區(qū)破壞位置確定的復(fù)雜性,擬用采用SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬的方法對排土場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,通過有限元法應(yīng)力-應(yīng)變位移云圖來判斷變形區(qū)的發(fā)展過程進(jìn)而確定最危險的變形破壞區(qū)[5-6]。
根據(jù)機(jī)道設(shè)計位置選擇、排土場的排土現(xiàn)狀和基底形態(tài)等高線等地層信息建立的數(shù)值模擬模型如圖3,模型排土場高度為70 m、砂層厚度45 m,基底厚度46 m,南北長為1 050 m,各地層從上至下分別為:排棄物料,第四系砂層和泥巖基底。
圖3 數(shù)值模擬模型
L115 機(jī)道溝與排土場安全距離的確定對安全、高效開采有著極其重要的意義。如果L115 機(jī)道溝離排土場邊坡太近,可能給機(jī)道溝邊坡帶來安全隱患。反之,如果太遠(yuǎn)的話,將會影響剝離、煤炭采出計劃。通過SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬,通過分析L115 機(jī)道溝與排土場不同安全距離下的變形情況,確定合理的L115 機(jī)道溝邊坡形態(tài)和邊坡角,同時獲得不同工況下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理。不同安全距離下x方向變形云圖如圖4。
圖4 不同安全距離下x 方向變形云圖
受第四系、軟弱基底影響,排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑為主。其安全距離為350 m時,排土場變形影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定,L115機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.5~1 m,排土場最大變形為4~4.5 m,同時L115 機(jī)道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區(qū)域明顯連通;安全距離為400 m 時,排土場變形也影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定,L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.5~1 m,排土場最大變形為3.5~4.0 m,同時L115 機(jī)道開挖后邊坡與排土坡邊坡變形區(qū)域未連通,說明安全距離增加,有利于控制L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量,L115 機(jī)道開挖位置限制排土場變形的增加;安全距離為450 m 時,排土場變形未影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定,L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.2~0.4 m,排土場最大變形為3.0~3.2 m,其變形量主要受自身開挖位置影響,與排土場變形無明顯關(guān)系;安全距離為500 m 時,排土場變形未影響L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定,L115 機(jī)道開挖后邊坡變形量為0.2~0.4 m,排土場最大變形為2.0~2.2 m,其變形量主要受自身開挖位置影響,與排土場變形無明顯關(guān)系,排土場變形明顯減少。
通過模擬計算,當(dāng)L115 開挖位置與排土場距離為350、400、450、500 m 時,L115 開挖位置與排土場在不同安全距離的變形量為0.5~1 m、0.5~1 m、0.2~0.4 m、0.2~0.4 m,當(dāng)L115 開挖位置與排土場安全距離450 m 時,排土場沉降、滑移的變形量未影響到其開挖位置的邊坡變形情況,據(jù)此確定L115 機(jī)道溝開挖位置與排土場安全距離450 m,與采場地表境界150 m 為最佳。
L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果圖如圖5。
圖5 L115 開挖位置邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果圖
前面分析可知,L115 開挖位置與排土場安全距離450 m,確定安全距離后,由于開挖位置主要由第四系細(xì)砂構(gòu)成,需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定開挖后變形形態(tài)及邊坡角度,通過SIGMA/W 有限元軟件邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知,設(shè)計臺階坡面角為50°,臺階高度為12 m,平盤寬度為50 m,L115 機(jī)道溝開挖位置邊坡角17°時,通過計算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.224,處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足安全儲備系數(shù)1.2要求,滑坡模式為圓弧形型滑動。
1)通過有限元法應(yīng)力-應(yīng)變計算可知,隨著L115機(jī)道溝開挖位置與排土場安全距離增加,排土場變形量和開挖位置變形明顯減少。
2)通過有限元法應(yīng)力-應(yīng)變模擬可知,確定L115機(jī)道溝開挖位置與排土場安全距離450 m,與采場地表境界距離為150 m。
3)通過有限元法極限平衡計算可知,確定L115機(jī)道溝開挖位置邊坡形態(tài),邊坡角為17°時處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足安全儲備系數(shù)1.2 要求,滑坡模式典型圓弧型滑動。