煤層自燃對高陡露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響與防治對策

羅 科，高 瑜，張 斌

（山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

露天煤礦生產(chǎn)過程中，端幫邊坡下部暴露煤層極易發(fā)生自燃現(xiàn)象，煤層自燃不僅造成資源的浪費，所形成的空區(qū)也會誘發(fā)臺階片幫，影響邊坡整體穩(wěn)定性。因此，開展煤層自燃對邊坡穩(wěn)定性影響研究對露天煤礦安全持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

國內(nèi)外學者就各因素對邊坡穩(wěn)定性影響方面開展了大量研究，并取得了豐碩的成果。Petrovic等[1]利用極限平衡方法分析了水淹后內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性，認為飽水狀態(tài)排土場穩(wěn)定狀態(tài)能夠得到保證，露天排土場排水后邊坡仍能保持穩(wěn)定；Azhari等[2]建立了177個受地震影響的露天礦數(shù)據(jù)庫，分析了地震對邊坡穩(wěn)定性的影響；Chen等[3]研究了構(gòu)造應力和構(gòu)造面對邊坡變形失穩(wěn)的影響機理，通過對布沼壩露天礦區(qū)域構(gòu)造的分析，確定了布沼壩礦在構(gòu)造應力作用下的主應力方向為123°，確定了邊坡的滑動方式和判別條件；Li等[4]以永平銅礦為例討論了邊坡在不同降雨條件下的響應特征，分析了邊坡在降雨過程中和降雨后的安全系數(shù)和破壞概率；劉云生等[5]以興順露天煤礦為例分析了無水位與雨季水位兩種狀態(tài)下層狀軟巖邊坡的穩(wěn)定性，并提出了相應的邊坡防滑措施；王旭春等[6]分析了影響安太堡露天礦北幫邊坡蠕滑因素，提出了該區(qū)域邊坡蠕滑機理，認為持續(xù)降雨是該區(qū)域發(fā)生蠕滑的主要因素；趙洪寶等[7]借助于相似模擬試驗，研究了不同振動頻率下排土場邊坡不同粒徑物料的運移方式，分析了振動作用下散體邊坡的失穩(wěn)機理；崔鐵軍等[8]以某露天礦為工程背景，借助于顆粒流軟件PFC3D軟件模擬再現(xiàn)了殘煤自燃至不同深度時邊坡巖體的破壞過程；田華等[9]采用極限平衡方法計算了不同自燃深度時黑岱溝露天礦端幫邊坡的安全系數(shù)，認為提高火燒煤層這一關(guān)鍵層的力學參數(shù)是保證邊坡穩(wěn)定的合理措施。

綜上所述，國內(nèi)外學者在降雨、振動、煤層自燃等因素對邊坡穩(wěn)定性的研究方面開展了大量的工作，而關(guān)于煤層自燃引起邊坡失穩(wěn)的機理探討方面鮮見報道。為此，以河曲露天煤礦為工程背景，在分析煤層自燃范圍對邊坡穩(wěn)定性影響程度的基礎上，探討了煤層自燃引起邊坡失穩(wěn)的機理，并結(jié)合露天礦自身工程特點，提出了邊坡滅火措施。

1 露天煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件概況

山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司煤礦位于河曲縣城舊縣鄉(xiāng)范家梁村、硬地峁、何家焉一帶，行政區(qū)劃屬河曲縣舊縣鄉(xiāng)。2009年通過兼并重組，原河曲縣范家梁石堡子煤業(yè)有限公司等8座煤礦，成立的山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，整合后批準開采8#～14#煤，采用露天開采的方式，生產(chǎn)規(guī)模300萬t/a，礦田面積24.9536km2，于2012年正式開工建設，建設工期36個月。2017年生產(chǎn)能力由300萬t/a核增為800萬t/a。

露天礦區(qū)從老至新發(fā)育的地層主要有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，新近系上新統(tǒng)，第四系上更新統(tǒng)。巖性以石灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、砂巖，第四系為主，其中第四系大面積覆蓋于各地層之上，厚度為0～112.50m，平均為39.18m，巖性主要為淺黃色亞砂土、砂土，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性好，常形成各種微地貌景觀，與下伏地層呈角度不整合接觸。

露天礦主要存在F1～F33條斷層，其中F1、F2斷層均位于礦田東北部邊緣，走向NW，傾向NE，落差20～100m；F3斷層位于礦田首采區(qū)東部，屬正斷層，走向NW，傾向NE，傾角65°，落差約5～10m，礦田內(nèi)延伸長度約680m，由采掘揭露控制。

礦田西邊界緊鄰黃河，礦田內(nèi)溝谷平時基本干枯無水，只有雨季時才有降雨排泄，自東而西流入黃河，屬黃河流域黃河水系，氣候條件表明降雨對邊坡穩(wěn)定性影響不大。

目前，山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司露天煤礦主要進行首采區(qū)的開采工作，剝離物排棄已完全由外排轉(zhuǎn)為內(nèi)排土場排棄作業(yè)。露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀如圖1。

圖1 露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀Fig.1 Production status of open-pit mine

由圖1可知，東幫、西幫為露天礦兩端幫，內(nèi)排土場已進行了壓幫處理，但為了保留最小開采作業(yè)空間，仍需暴露端幫部分邊坡。西端幫邊坡高度121.6m，邊坡角度37°，東端幫邊坡高度165.1m，邊坡角度27°，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)西幫邊坡主采煤層13#、11#煤層均出現(xiàn)了不同程度的煤層自燃現(xiàn)象，著火點位于邊坡下部。隨著煤層不斷自燃，形成的采空區(qū)失去了對邊坡上部巖土體的支撐作用，邊坡極有可能發(fā)生失穩(wěn)滑坡。

2 煤層自燃對邊坡穩(wěn)定性的影響

2.1 天然狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性

首先計算露天礦兩端幫天然狀態(tài)下現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算采用極限平衡方法，該方法在工程中應用廣泛，也是納入設計規(guī)程的邊坡穩(wěn)定分析的重要和常用方法，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面形成滑體的邊界條件，對于圓弧滑動、平面滑動、曲面滑動、楔體滑動等多種滑動模式均有相應的計算公式。該方法是以莫爾-庫侖抗剪強度理論為基礎，建立滑坡體力或力矩平衡方程，通過一定的假定條件，減少未知量的個數(shù)，從而將邊坡穩(wěn)定的超靜定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題，然后求解方程組，得到邊坡的安全系數(shù)[10-11]。邊坡穩(wěn)定性評價時安全儲備系數(shù)根據(jù)GB50197—2015露天煤礦工程設計規(guī)范要求確定，邊坡安全系數(shù)取值見表1。

表1 邊坡安全系數(shù)取值Table1 Values of safety factors of slope

根據(jù)表1的要求，考慮到露天礦東、西兩端幫為非工作幫邊坡，且有內(nèi)排跟進，為臨時性邊坡，服務年限小于10年，安全儲備系數(shù)設置為1.1 。

邊坡穩(wěn)定性計算的前提是建立數(shù)值計算模型，邊坡穩(wěn)定性計算模型建立包含邊坡形態(tài)的建立與邊坡巖層的確定2個步驟。首先，根據(jù)露天礦2020年10月份驗收圖建立露天礦采掘場三維面模型，借助于3Dmine礦業(yè)工程軟件中實體切割功能，沿典型計算位置切割形成邊坡剖面形態(tài)；其次，根據(jù)計算位置附近勘察鉆孔柱狀圖確定計算剖面巖層信息。露天礦東西兩幫邊坡穩(wěn)定性計算各選取1個典型剖面。

邊坡穩(wěn)定性計算中最重要的是確定各巖層的巖土物理力學參數(shù)值，計算過程中涉及的巖層力學參數(shù)值均是根據(jù)露天礦前期開展的邊坡穩(wěn)定性研究工作報告中選取，計算過程中的巖土體物理力學參數(shù)值見表2。

表2 巖土體物理力學參數(shù)值Table2 Mechanical parameters of rock and soil mass

利用Rocscience Slide6.0 邊坡穩(wěn)定性分析軟件分別計算西幫與東幫邊坡穩(wěn)定性，端幫邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖2。

圖2 端幫邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.2 Calculation results of stability of west section

由圖2可知，東、西兩端幫計算剖面所處位置均已降深至可采煤層13#煤層底板，所不同的是東幫內(nèi)排土場還未跟進到計算剖面位置，而西幫考慮到降低二采區(qū)回采時剝離量，采取留溝的方式，并未開展內(nèi)排壓幫工程。

計算結(jié)果表明，西幫邊坡安全儲備系數(shù)為1.107，東幫邊坡安全儲備系數(shù)為1.202 。兩端幫邊坡安全儲備系數(shù)均高于設定的安全系數(shù)值，滿足設計規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性的要求，但考慮到西幫安全系數(shù)值與儲備值較為接近，且西幫不采取內(nèi)排壓幫工程，應注意西幫邊坡穩(wěn)定性情況。

2.2 煤層自燃范圍對邊坡穩(wěn)定性的影響

西幫煤層存在自燃現(xiàn)象，自燃煤層為13#煤層，現(xiàn)場采取了剝離物料覆蓋，但仍能看出煤層自燃問題并未解決。

煤層自燃是1個復雜的物理化學過程，一般包括水吸附、化學吸附、煤氧復合物生成、燃燒初始、快速燃燒階段。主要研究煤層自燃程度對邊坡穩(wěn)定性的影響，認為隨著煤層的自燃，煤層的強度不斷降低，有效支撐體積不斷降低，因此，模擬主要考慮煤層燃燒初始階段與快速燃燒階段，并且認為煤層自燃引起的溫度升高對臨近煤層巖體的力學性質(zhì)影響不大，不考慮溫度場變化的影響[12]。

借助于FLAC3D軟件研究煤層自燃過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，利用建立的西幫地質(zhì)剖面，考慮平面應變問題，建立三維地質(zhì)模型，借助于FLAC3D前處理插件Rhino5.0 進行網(wǎng)格細化，Rhino5.0 是1個基于三維CAD軟件的通用交互式網(wǎng)格生成插件，能夠用于再嚙合犀牛表面網(wǎng)格以適應精確大小規(guī)格和類型（三角形或四邊形區(qū)域）。表面網(wǎng)格可以作為Griddle體網(wǎng)格的邊界，生成高質(zhì)量的四面體或六面體網(wǎng)格。體網(wǎng)格能夠?qū)氲酱蠖鄶?shù)工程分析軟件包，包括FLAC3D。建立的三維數(shù)值計算模型如圖3。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

為了模擬煤層的自燃過程，采用遞進式模擬方法，反映煤層的不同燃空深度，沿煤層傾角方向煤每燃燒5m進行1次模擬計算。不同自燃階段邊坡位移云圖如圖4。邊坡水位移與自燃深度關(guān)系曲線如圖5。邊坡安全系數(shù)與自燃深度關(guān)系曲線如圖6。不同燃燒階段邊坡最大剪切應變量云圖如圖7。

圖4 不同自燃階段邊坡位移云圖Fig.4 Cloud image of slope displacement at different stages of spontaneous combustion

圖6 邊坡安全系數(shù)與自燃深度關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between safety factor and spontaneous combustion depth

圖7 邊坡最大剪切應變量云圖Fig.7 Cloud images of maximum shear strain of slope

由圖4可知，隨著煤層不斷自燃，邊坡位移等值線逐漸下移，最大位移值不斷增加，邊坡潛在滑移范圍逐漸變大。根據(jù)文獻[13]提供的根據(jù)位移等值線判斷潛在滑移面的方法，可得在燃燒第1階段，潛在滑移面出口存在2種可能：950平盤切出與13#煤層底板切出。在燃燒第4階段，邊坡體僅存在1個潛在滑移面，潛在滑移面以第四系黃土層為入口，貫穿邊坡整體，由13#煤層底板切出。

由圖5可知，隨著煤層不斷自燃，自燃形成的空區(qū)體積越來越大，空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響越來越大，邊坡水平位移隨著煤層自燃深度的增加逐漸增大，二者近似呈二次函數(shù)規(guī)律。

圖5 邊坡水平位移與自燃深度關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between displacement and spontaneous combustion depth

由圖6可知，計算所得邊坡安全系數(shù)隨著煤層自燃程度的不斷增加而逐漸減小，且邊坡安全系數(shù)與煤層自燃深度近似呈二次函數(shù)規(guī)律。煤層第1階段邊坡安全系數(shù)為2.86 ，煤層第3階段邊坡安全系數(shù)為1.93 ，前3個階段煤層自燃并未引起邊坡整體滑移，安全系數(shù)下降32.5 %；燃燒第4階段邊坡安全系數(shù)為1.04 ，邊坡處于臨界失穩(wěn)滑塌狀態(tài)，安全系數(shù)由燃燒第3階段至燃燒第4階段下降了46%，邊坡安全系數(shù)隨著煤層自燃逐漸降低，且降低速率逐漸增加，煤層自燃引起的邊坡失穩(wěn)滑塌具有突發(fā)性。

由圖7可知，隨著煤層自燃體積不斷增加，邊坡最大剪切應變量云圖上集中帶范圍逐漸增大。集中帶范圍可反映煤巖體破斷情況，煤層第1階段燃燒后，應變集中帶處于煤層頂板靠近坡面處，第1階段煤層燃燒后其上部巖層可能發(fā)生小范圍的破斷；第2階段與第3階段隨著煤層自燃形成的空區(qū)體積進一步增大，應變集中帶范圍也繼續(xù)增大，向邊坡上部與深部擴展，表明煤層自燃范圍增大后，上部巖層發(fā)生更大范圍的破斷，但邊坡并未形成整體的滑移破斷趨勢；第四階段煤層自燃后，形成的空區(qū)進一步增大，煤層上部巖體發(fā)生更大范圍的破壞，下部巖體不足以支撐邊坡整體穩(wěn)定性，邊坡體出現(xiàn)貫穿的應變集中帶，邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑坡。

綜上所述，煤層自燃引起的邊坡失穩(wěn)是煤層上部巖體損傷漸進累積引起的突然破斷過程。隨著煤層的不斷自燃，煤層上部巖體會“懸空”，形成“懸臂梁”，煤層自燃早期，空區(qū)體積不大，形成的懸臂梁暴露面積不大，上部巖體能夠自穩(wěn)，僅發(fā)生局部損傷；隨著煤層自燃范圍不斷擴大，懸臂梁暴露范圍也不斷加大，當上覆巖層受到應力超過其抗拉強度時，巖層會發(fā)生突然的破斷，大范圍巖層的突然破斷帶來的沖擊振動極有可能誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)滑塌。

2.3 邊坡穩(wěn)定性防護措施

由上述分析可知，任由邊坡中煤層自燃，必然會引起大范圍的邊坡失穩(wěn)滑坡，且考慮到西幫需留溝并不開展內(nèi)排壓幫工程，露天礦西幫需要采取邊坡煤層的防滅火措施。常用的邊坡煤層防滅火措施主要有以下幾種：

1）水消法。水消法主要分為2種：①煤層表面防滅火，主要借助人工或滴灌的方式向煤層灑水，熄滅火源；②煤層內(nèi)部防滅火，借助于鉆孔或溝槽向煤層內(nèi)部注水，實現(xiàn)降溫滅火的功能[14]。

2）注漿/復合膠體法。注漿法是通過鉆孔將漿液/復合膠體注入煤層內(nèi)部，一方面可以降低煤層內(nèi)部溫度，另一方面起到隔絕氧氣的作用，從而實現(xiàn)煤層滅火的目的。

3）挖除火源法。挖除火源法是在確定煤層自燃范圍后通過直接開挖的方式將著火煤層挖除，該方法最為直接也是非常有效的方法，但考慮到高陡邊坡穩(wěn)定性問題，存在一定風險，該方法在高陡邊坡中應用不多。

4）噴灑化學阻劑法。該方法直接在自燃煤層表面噴灑化學阻化劑溶液，阻化劑溶液覆蓋并滲入煤層內(nèi)部，隔絕空氣，達到煤層滅火目的。

5）覆蓋法。覆蓋法主要是在自燃煤層上部覆蓋黃泥漿、土巖物料實現(xiàn)隔絕氧氣的功效，從而達到防滅火的目的。

河曲露天煤礦坑內(nèi)并無積水，采用水消法需要重新建井，并且該方法需不間斷噴水，對水資源與能源消耗量較大，水消法不適合于露天礦的防滅火工程；注漿法可以很好地解決煤層自燃問題，但考慮到露天礦邊坡長度較大，該方法工序繁瑣，成本較高，注漿法亦不適合于露天礦的防滅火工程；噴灑化學阻劑法的缺點是有效性比較短，并不適合與露天礦長期防滅火的要求。河曲露天煤礦目前采用了巖土物料掩埋自燃煤層的覆蓋法，應用效果并不理想。

綜上所述，傳統(tǒng)的煤層防滅火方法并不適合于露天礦自身的工程特點，考慮各傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢及防滅火的原理，提出采用掛網(wǎng)錨噴的方式實現(xiàn)對露天礦邊坡煤層臺階的封閉與防滅火。掛網(wǎng)錨噴方法通過向煤層臺階噴射混凝土實現(xiàn)煤層與氧氣的隔絕，達到防滅火的目的，為了保證混凝土噴層長久可靠性，在混凝土噴層中加入金屬網(wǎng)，并采用錨桿固定金屬網(wǎng)。該方法一方面可以解決煤層自燃問題，另一方面可以提高煤層臺階強度，起到邊坡防護作用。

3 結(jié) 語

1）露天礦西幫現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.107 ，東幫現(xiàn)狀邊坡安全儲備系數(shù)為1.202 ，兩非工作幫邊坡安全系數(shù)滿足設計規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性的要求。

2）露天礦邊坡位移值隨著煤層自燃范圍的擴大而逐漸增加，二者呈二次函數(shù)規(guī)律；露天礦邊坡安全系數(shù)隨著煤層自燃范圍的擴大而逐漸減小，二者呈二次函數(shù)規(guī)律。

3）邊坡最大剪切應變場云圖中應變集中帶范圍隨著煤層自燃程度的增加而逐漸增大，煤層自燃引起的邊坡失穩(wěn)是煤層上部巖體“懸臂梁”損傷漸進累積破斷引起的邊坡整體滑坡過程。

4）對比分析了傳統(tǒng)防滅火方法在河曲露天礦應用的優(yōu)缺點，提出了掛網(wǎng)錨噴這一更加適用于河曲露天礦工程特點的邊坡防滅火方法。