平朔東露天礦過端幫采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究與治理

邵 賓

（中煤平朔集團有限公司東露天礦，山西 朔州 036000）

平朔東露天煤礦煤層的賦存條件為近水平，在開采過程中，考慮到端幫邊坡在開挖與內(nèi)排過程中周期性的形成以及時效性的消失[1]，故對端幫邊坡形態(tài)進行合理優(yōu)化，實行陡幫邊坡開采壓煤回采[2]技術。眾所周知，滑坡是露天開采中存在的最大安全隱患之一；隨著采礦規(guī)模日趨擴大，邊坡暴露高度逐漸增加坡度也漸變陡，再加邊坡巖土體本身性質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復雜，而且大規(guī)模采空區(qū)群存在于當前生產(chǎn)的露天境界內(nèi)，空區(qū)長時間受到運輸?shù)貕杭奥短扉_采爆破震動等影響，原巖應力發(fā)生了破壞，空區(qū)面積大小、高度以及頂板穩(wěn)定性均發(fā)生了改變。在多因素相互疊加作用下，邊坡巖體的應力狀態(tài)和位移變化相較于單一條件下的開采，變得更加復雜[3-4]。因此探究采空區(qū)影響高陡邊坡穩(wěn)定性的規(guī)律十分重要，學者們對此問題的研究已經(jīng)取得了部分成果。包括采用了物探、鉆探及三維激光掃描相結(jié)合的探測技術，確定采空區(qū)規(guī)模；運用數(shù)值模擬的方法分析了采空區(qū)位置、跨度對邊坡穩(wěn)定性的影響[5]；通過時效性內(nèi)排壓幫，減少邊坡暴露時間可降低端幫邊坡出現(xiàn)滑坡的幾率等[6]。但采空區(qū)對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響權重問題，卻較少有人涉及。而東露天礦當前向西推進過程中，在現(xiàn)北端幫1320 運輸平盤下部發(fā)現(xiàn)與端幫線平行、長約50 m 的裂縫，該區(qū)域賦存遺留的鉆井礦采空區(qū)。裂縫區(qū)邊坡一旦滑落，巨大滑體量會阻斷北幫運輸干線，使露天煤礦處于停產(chǎn)狀態(tài)，嚴重影響礦區(qū)的經(jīng)濟效益與安全生產(chǎn)。因此，對北幫裂縫區(qū)邊坡進行深入的穩(wěn)定性研究并提出治理方案。

1 邊坡破壞機制

1.1 陡幫開采邊坡破壞機制

東露天煤礦區(qū)主要可采煤層分別為4#、9#、11#煤，平均厚度約30 m，埋藏深度在100～200 m。2019年東露天礦工作幫在由東向西推進中，為增加原煤回采率降低剝采比，根據(jù)東露天礦開采計劃，實施下部邊坡外擴法，進行陡幫邊坡壓煤回采。保證礦北幫的上部邊坡不動，即1350、1320 以及外包運輸平盤仍維持原狀，僅對下部邊坡局部加陡，對1290、北4 下2平盤進行并幫，只保留1260 平盤。對于邊坡的境界而言是上部境界不動，下部境界向外擴，從邊坡中部的某一個水平開始，下部平盤縮短并幫向外推進。東露天煤礦下部邊坡外擴的局部陡幫邊坡開采方式示意圖如圖1，其中直線AC 為原設計邊坡，折線ADB表示加陡后邊坡，形成了上緩下陡的凸邊坡形態(tài)，其中三角形BCD 內(nèi)的陰影區(qū)域表示加陡后多采出的煤炭。但進行陡幫回采后，邊坡斷面形態(tài)發(fā)生改變，邊坡線改變?yōu)锳B，直接影響整體邊坡角由65°變?yōu)?3°，邊坡角增大，局部邊坡加陡，邊坡坡腳處的剪應力和坡肩附近的張應力會伴隨著邊坡角加大加陡而產(chǎn)生變化，當坡腳處出現(xiàn)剪應力集中時就會直接降低邊坡的穩(wěn)定程度。

圖1 東露天礦下部邊坡外擴法局部陡幫開采方式示意圖

1.2 采空區(qū)影響下邊坡破壞機制

由于東露天賦存大量采空區(qū)群且北幫1320 平盤下局部出現(xiàn)長35 m 裂縫，公司地質(zhì)測量中心對東露天礦北幫1320 平盤探采空鉆孔揭露空洞進行掃描，發(fā)現(xiàn)有空洞位于北幫1320 平盤下方，掃描模型呈橢球狀，長軸40.1 m，短軸30.7 m，空洞平均垂高11 m，空洞面積1 150 m2，位于4#煤上方21 m，空洞頂?shù)赘叱虨? 295～1 276 m，此次掃描的空洞位于搜集的鉆井礦2006—2007 年采空區(qū)范圍內(nèi)。

采空區(qū)上覆巖體是隨著地質(zhì)歷史發(fā)展而形成的復雜地質(zhì)體，在一定的時間內(nèi)和一定的工程荷載條件下，上覆巖層應力平衡狀態(tài)被打破，當應力集中超過巖石支撐力時，應力獲得釋放，并逐步發(fā)展到地表，就會產(chǎn)生非破壞性的塑性變形、剪切滑移和拉張開裂等破壞，當巖體內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)滑動力超過抗滑力，巖體就沿該區(qū)域發(fā)生裂縫或者滑動，直至出現(xiàn)上覆巖層塌陷冒落。而此次發(fā)現(xiàn)的1320 空區(qū)長時間受到運輸?shù)貕杭奥短扉_采爆破震動等工程載荷的影響，空區(qū)面積大小、高度以及頂板上覆巖層穩(wěn)定性均發(fā)生了改變，直接改變北幫邊坡內(nèi)部原巖應力分布，在應力重新分布過程中某些結(jié)構(gòu)面附近會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象而產(chǎn)生塑性變形和剪切滑移，導致邊坡穩(wěn)定性下降。

綜上分析，東露天進行北幫陡幫壓煤回采，以及北幫1320 平盤探測發(fā)現(xiàn)采空區(qū)空洞是北幫出現(xiàn)裂縫的直接原因。經(jīng)過長時間爆破開采及運輸震動影響，必會引發(fā)片幫落石甚至滑坡等地質(zhì)災害，須進行端幫邊坡穩(wěn)定性分析與治理，保證東露天安全開采。

2 北幫1320 裂縫區(qū)邊坡治理

2.1 內(nèi)排壓幫

根據(jù)露天煤礦開采與內(nèi)排2 個過程中的時空發(fā)展規(guī)律、端幫時效邊坡理論，由工作幫的不斷向前推進以及內(nèi)排土場不斷向前跟進，采場端幫邊坡呈現(xiàn)的是從暴露到掩埋的動態(tài)過程。采場開挖前后端幫不平衡應力示意圖如圖2。

圖2 采場開挖前后端幫不平衡應力示意圖

東露天采場被開挖之前，端幫兩側(cè)提供平衡的水平應力，使采場整體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。在采場開挖之后，兩側(cè)端幫邊坡出露，完整巖體結(jié)構(gòu)被破壞，兩側(cè)應力由平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不平衡地應力，端幫邊坡體內(nèi)的應力向其內(nèi)側(cè)臨空面卸載，在采場逐步推進端幫暴露后，不平衡應力方向發(fā)生改變并且迅速向端幫邊坡臨空面卸荷，方向由最初的水平狀態(tài)轉(zhuǎn)化成平行于邊坡線指向坡腳的向下方向，其卸荷量隨時間線性增大，且邊坡坡腳處的應力隨時間集中程度加劇，同時不存在有效反作用力或結(jié)構(gòu)體來抵消水平方向上的不平衡應力。因此當應力逐漸增大到邊坡巖體能夠承受的強度時，坡腳會出現(xiàn)一定的塑性破壞，最終可能導致邊坡的失穩(wěn)破壞。

針對當前北幫邊坡失穩(wěn)狀態(tài)，提高內(nèi)排土場的跟進速度，并使追蹤距離達到生產(chǎn)允許的最小安全距離。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，加速開采9#煤、11#煤，進行大坡道時效空間性改移，即定時定距，改移步距80 m；內(nèi)排跟進，增加內(nèi)排北1220 土場、1290 反排土場和1320 土場，共有北1220、1260、1290 反排土場 和1320、1350、1380 土場，增加排土空間，實現(xiàn)內(nèi)排壓幫。當端幫邊坡被內(nèi)排土臺階壓幫時會在一定程度上延緩或阻止塑性破壞，此時壓幫臺階的單元體形成了標準梁支撐結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生與邊坡臨空面近似平行向上的應力，進而抵消一部分邊坡體內(nèi)的不平衡應力，且隨著壓幫高度的增加更多的不平衡力會被抵消。由于內(nèi)排壓幫的臺階推進規(guī)律是由下向上，這樣端幫坡腳應力集中區(qū)域被內(nèi)排臺階壓幫抵消了大部分的邊坡體內(nèi)不平衡應力。同時排土臺階越多，邊坡被壓幫的位置越高，端幫邊坡暴露的高度會越小，且降低了邊坡高度，提高了端幫邊坡的穩(wěn)定性。端幫壓幫前后的邊坡體內(nèi)應力變化過程的如圖3。

圖3 壓幫前后不平衡應力示意圖

2.2 采空區(qū)治理

空區(qū)處理的實質(zhì)是：緩和巖體應力集中的程度，轉(zhuǎn)移應力集中的部位并達到新的相對應力平衡，以達到控制和管理地壓，保證安全生產(chǎn)。從國內(nèi)外空區(qū)處理方法和經(jīng)驗分析，使用爆破崩落處理法和充填法進行采空區(qū)治理[7]。考慮到填充法需要建立地表充填系統(tǒng)且工藝復雜耗時長成本高，為保證施工人員和設備安全，加快采空區(qū)處理進度，消除潛在隱患，建議采用爆破崩落法進行處理。計劃方案在1320 平盤處理高程1 327～1 287 m 范圍空區(qū)，即頂板厚度40 m 以內(nèi)區(qū)域。經(jīng)驗值鉆機探孔有效成孔深度37 m 左右，有效爆破藥柱據(jù)空腔頂板厚度5 m 左右，此次炮區(qū)采用導爆管雷管網(wǎng)絡連接，為保障施工安全，將采用混裝銨油炸藥裝藥。經(jīng)過統(tǒng)計計算，此次爆破空區(qū)面積為980 m2，巖石方量V1為38 000 m3，空腔體積V2為7 350 m3。采空區(qū)爆破后空腔體積V3為：

式中：P 為膨脹系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗礦山巖石一般為1.2～1.3。

故經(jīng)計算可得：V3為=-250～-4 050 m3。

采空區(qū)爆破后，空區(qū)爆破部位有明顯的塌陷。其深度約為7 m 左右。預估算體積約3 580 m3，與V3比較可知，巖石爆破膨脹后的體積基本接近理論體積。此次爆破區(qū)域的頂板巖石破碎達到要求。

從爆后現(xiàn)場觀測情況判斷空腔基本塌陷，本次爆破效果基本達到預期，但僅僅根據(jù)現(xiàn)場觀測情況無法完全說明，是否存在其他復雜情況尚不明確，空區(qū)爆破后靜置一周后再行采掘運輸，并及時跟進鉆進探孔輔助，加強采空區(qū)域巡查工作，確保安全。

3 治理前后邊坡穩(wěn)定性分析

采用剛體極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，驗證邊坡治理方案的合理性。考慮到東露天礦北幫邊坡的潛在滑坡模式為圓弧滑面滑動，故采用簡化Bishop 法（適合于圓弧滑面）[8]。在北幫1320 干道裂縫區(qū)域選取工程地質(zhì)剖面，對邊坡進行技術研究。

根據(jù)GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范第6.0.8 條（款）[9]，服務年限10～20 年的非工作幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs宜取用1.2～1.3，小于10 年的宜取用1.1～1.2?；跂|露天煤礦端幫邊坡各構(gòu)成部分物理力學指標以及邊坡工程地質(zhì)條件的掌握較為清楚全面，且已實現(xiàn)內(nèi)排壓幫，在時空上縮短端幫邊坡的暴露面積和暴露時間，資料統(tǒng)計得到端幫邊坡最高點暴露時間為32 月；同時端幫除承擔運輸功能未鋪設任何設備，結(jié)合規(guī)范的要求選取邊坡的安全儲備系數(shù)為1.1。治理前后邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4。

圖4 治理前后邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

由計算可知，治理前邊坡潛在滑面為圓弧滑動，由1350 平盤延伸至11#煤底板，穩(wěn)定系數(shù)為1.067，如圖4（a），低于選取的安全系數(shù)；經(jīng)過內(nèi)排壓幫且實施爆破崩落進行采空區(qū)治理后，潛在危險滑面由地表延伸至內(nèi)排壓幫位置，計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.321，如圖4（b），大于選取的安全儲備系數(shù)。經(jīng)分析，進行治理后的北幫邊坡穩(wěn)定性得到改善。針對1320 平盤出現(xiàn)裂縫，安排相關部門每日對危險區(qū)域進行巡查進行詳細記錄；同時建議東露天礦在北1320 平盤欠穩(wěn)定區(qū)布置位移監(jiān)測儀，實現(xiàn)邊坡位移數(shù)據(jù)的連續(xù)采集；在邊坡變形位移量及變形速率較大時，實現(xiàn)預警，確保人員及設備的安全。

4 結(jié)語

1）東露天礦進行北幫陡幫壓煤回采，且坡體內(nèi)掃描發(fā)現(xiàn)采空區(qū)空洞，邊坡加陡破壞坡體內(nèi)部原巖應力平衡狀態(tài)，且空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性發(fā)生改變，應力獲得釋放并產(chǎn)生非破壞性的塑性變形、剪切滑移，降低整體邊坡穩(wěn)定性。

2）采取內(nèi)排壓幫和空區(qū)爆破崩落處理措施，緩和巖體應力集中，抵消不平衡應力，阻止塑性破壞，減低端幫邊坡暴露高度，提高端幫邊坡的穩(wěn)定性。

3）分析治理前后北幫邊坡穩(wěn)定性，治理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.067 提高至1.321，滿足安全儲備要求，危險滑面塑性區(qū)未貫通，滑坡隱患消除，坡治理效果顯著。