和田布雅煤礦三采區(qū)邊坡角優(yōu)化研究

程武祥，林偉東

（和田布雅礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 和田 848000）

對(duì)于露天煤礦而言，邊坡角增加1°，將節(jié)約數(shù)量非?？捎^的剝離成本，同時(shí)也能回收大量的煤炭資源，但是邊坡穩(wěn)定性又隨之降低，兩者互為矛盾體[1]。對(duì)于我國(guó)早期的露天煤礦，邊坡角設(shè)計(jì)往往采用類比法確定，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治?，?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)成本或安全方面不合理的情況。另外，露天煤礦邊坡滑坡是影響礦山安全、高效、綠色生產(chǎn)的重要因子，一旦邊坡變形導(dǎo)致滑坡或大范圍片幫，將嚴(yán)重威脅采場(chǎng)工作人員、設(shè)備安全及采剝接續(xù)工作[2-3]。因此，邊坡穩(wěn)定已成為露天礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)問(wèn)題，如何在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化是礦山邊坡角優(yōu)化的重要課題[4-5]。

1 礦山概況

和田布雅煤礦位于和田縣，煤礦行政區(qū)劃隸屬新疆和田縣管轄。布雅煤礦生產(chǎn)能力為45 萬(wàn)t/a，采用露天開(kāi)采，屬山坡露天煤礦，礦區(qū)可采煤層3 層，由下至上分別為A1、A2、A3 煤層，厚度分別為0.80～3.54 m、3.50～17.39 m、0.80～3.54 m。露天煤礦由東至西劃分了3 個(gè)采區(qū)，一采區(qū)已經(jīng)到界，坑底最低標(biāo)高＋2 680 m 水平。二采區(qū)及三采區(qū)分別布置了剝離和采煤作業(yè)面，二采區(qū)主要推進(jìn)方向?yàn)橛杀毕蚰?，上部臺(tái)階工作面平盤寬度過(guò)小，不能滿足正常剝采作業(yè)，目前正在拉溝擴(kuò)幫，坑底最低標(biāo)高＋2 750 m 水平。三采區(qū)主要推進(jìn)方向?yàn)橛杀毕蚰贤七M(jìn)，工作幫平盤寬度較小，工作幫坡角較大，西北幫正在形成到界幫，坑底最低標(biāo)高＋2 885 m 水平。三采區(qū)處于到界幫拉溝降段并逐步形成新的采剝工作面、非工作幫逐步靠幫階段，原設(shè)計(jì)端幫、非工作幫邊坡角分別為39°、35°，在靠幫過(guò)程中，非工作幫邊坡距離坡頂5～10 m 位置形成了沿邊坡走向的平行狀裂縫，裂縫平均寬度約10 cm，由于三采區(qū)尚未內(nèi)排，非工作幫到界邊坡在內(nèi)排之前是否會(huì)變形加劇導(dǎo)致邊坡發(fā)生變形破壞亟待論證。

1.1 礦區(qū)地質(zhì)條件

布雅煤礦出露地層有二疊系、侏羅系含煤地層、白堊系、第三系和第四系地層，為一向東南傾斜的單斜構(gòu)造。出露的各時(shí)代地層中無(wú)地下水出露，煤層頂?shù)装鍩o(wú)含水層存在，露天礦井田屬于水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦區(qū)。三采區(qū)端幫典型位置剖面圖如圖1。

圖1 三采區(qū)端幫典型位置剖面圖

根據(jù)前人研究成果，礦區(qū)巖土體裂隙發(fā)育程度較高，三采區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三采區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 礦區(qū)邊坡變形影響因素

影響露天礦邊坡變形的因素主要包括不良巖性、弱層（弱面）、地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)、邊坡角、地下水、爆破震動(dòng)等[6]，影響布雅煤礦非工作幫邊坡變形因素主要有以下3 個(gè)方面。

1）弱層及其分布規(guī)律。弱層是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的最不利因素，弱層是個(gè)相對(duì)概念，并不能用某一區(qū)間范圍的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)界定，要結(jié)合邊坡體整體結(jié)構(gòu)特征、層位上下巖石性質(zhì)綜合分析。布雅煤礦邊坡潛在弱層主要為煤層直接頂?shù)装宓哪鄮r層。其分布規(guī)律主要如下：礦區(qū)泥巖層組為泥質(zhì)、粉砂質(zhì)，受擾動(dòng)后極易沿結(jié)構(gòu)面斷開(kāi)，其結(jié)構(gòu)面光滑，賦存較厚，遇水后強(qiáng)度將急劇下降，受邊坡體應(yīng)力條件變化及水對(duì)弱面活化作用影響下，容易產(chǎn)生滑動(dòng)。坡體裂隙發(fā)育，降雨極易沿裂隙帶滲流至煤層底板泥巖層，煤層底板泥巖交界面在水的作用下強(qiáng)度弱化是影響本區(qū)域邊坡的最不利因素。

2）不良構(gòu)造。影響本區(qū)邊坡穩(wěn)定性的不良構(gòu)造主要表現(xiàn)在巖層產(chǎn)狀上，布雅煤礦露天礦位于布雅礦區(qū)北部，礦區(qū)地層為一傾向125°左右的單斜構(gòu)造，三采區(qū)西北部巖體呈順傾狀，對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利，隨著三采區(qū)的推進(jìn)，采坑越來(lái)越深、邊坡高度越來(lái)越大，內(nèi)排土場(chǎng)基底也呈順傾狀，特別是基底為泥巖，一旦遇持續(xù)降雨，基底軟化后，邊坡極易失穩(wěn)。

3）巖體結(jié)構(gòu)。礦區(qū)巖體裂隙發(fā)育，破壞了巖體的完整性，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度急劇降低；另外，裂隙形成了水滲流的通道，在干濕循環(huán)及凍脹作用下可能誘發(fā)坡體進(jìn)一步松弛，加劇邊坡的變形。

2 邊坡變形破壞模式數(shù)值分析

邊坡變形破壞是一個(gè)漸進(jìn)的結(jié)構(gòu)破損過(guò)程，一般均經(jīng)歷變形-結(jié)構(gòu)破損-再變形-再結(jié)構(gòu)破損的循環(huán)往復(fù)過(guò)程，直至發(fā)生滑坡[7]。為研究布雅煤礦邊坡靠界開(kāi)采過(guò)程中邊坡巖體破壞演化過(guò)程和巖體變形移動(dòng)規(guī)律，揭示邊坡變形破壞機(jī)理，基于顯式有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究[8]。

選取端幫ECNB 剖面進(jìn)行邊坡破壞模式分析，計(jì)算模型沿邊坡傾向長(zhǎng)為350 m，模型最大垂直高度為130 m。模型中各巖土層采用理想的彈塑性本構(gòu)方程作為巖土體變形及屈服標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算模型主要采用的巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

邊坡整體失穩(wěn)將發(fā)生于強(qiáng)度軟弱帶或應(yīng)力集中區(qū)，若發(fā)生塑性變形的軟弱帶或應(yīng)力集中區(qū)相互貫通，則邊坡內(nèi)將在相互貫通的剪切破壞面發(fā)生整體失穩(wěn)[9]。ECNB 剖面邊坡位移速率分布云圖如圖2，坡體內(nèi)剪切應(yīng)變率云圖如圖3，ECNB 剖面邊坡內(nèi)的塑性區(qū)如圖4。

圖2 ECNB 剖面位移速率云圖

圖3 ECNB 剖面剪切應(yīng)變率云圖

圖4 ECNB 剖面塑性區(qū)

由圖2 可知，坡體內(nèi)部呈圓弧型滑動(dòng)趨勢(shì)，由于邊坡所處位置為到界幫，目前尚未形成內(nèi)排條件，邊坡靠幫后，局部邊坡角偏大，達(dá)46°，導(dǎo)致該區(qū)域呈現(xiàn)向臨空面變形的趨勢(shì)。

由圖3 可知，在坡體內(nèi)最易滑區(qū)形成了應(yīng)力集中，結(jié)合位移矢量速率分布圖，可判定坡體破壞機(jī)理主要是開(kāi)挖卸荷形成的拉—剪破壞，邊坡呈圓弧型滑動(dòng)破壞。

由圖4 可知，剪切塑性屈服區(qū)域的分布顯示，坡體內(nèi)有一定范圍的塑性區(qū)，說(shuō)明邊坡內(nèi)部巖土體在高壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生了局部區(qū)域的剪切屈服，但未貫通，整體邊坡安全，但邊坡仍在逐步靠幫，三采區(qū)西北部順傾狀非工作幫邊坡已產(chǎn)生了拉張裂縫，因此，需對(duì)各幫整體邊坡角進(jìn)行優(yōu)化，在確保邊坡穩(wěn)定的情況下，盡最大可能回收煤炭資源。

3 邊坡角優(yōu)化

邊坡變形破壞模式為圓弧型破壞，采用Spencer法對(duì)非工作幫邊坡端幫邊坡的邊坡角進(jìn)行優(yōu)化。

1）端幫邊坡。對(duì)于端幫邊坡，原設(shè)計(jì)邊坡角為39°。以三采區(qū)ECNB 剖面為例，對(duì)不同邊坡角的整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，端幫整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系如圖5。

圖5 端幫整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

2）非工作幫邊坡。對(duì)于非工作幫邊坡，原設(shè)計(jì)邊坡角為35°。以三采區(qū)SCXB 剖面為例，非工作幫整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系如圖6。

圖6 非工作幫整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍[10]，邊坡角優(yōu)化邊坡安全儲(chǔ)備取值為1.2，依據(jù)整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖，端幫、非工作幫邊坡的穩(wěn)定邊坡角推薦值分布為36°、35°，設(shè)計(jì)的角度可確保在安全的前提下實(shí)現(xiàn)礦山效益的最大化。

4 邊坡變形監(jiān)測(cè)

和田布雅煤礦非工作幫、端幫靠幫工作于2020年開(kāi)始開(kāi)展，2021 年6 月建立了邊坡自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，端幫、非工作幫典型位置均布設(shè)了地表GNSS 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡靠幫過(guò)程中的變形動(dòng)態(tài)[11]。由水平位移歷時(shí)曲線可知，端幫、非工作幫邊坡水平位移變形量基本控制在2 cm 以內(nèi)，變形速率也處于“mm/d”的級(jí)別，基本屬于測(cè)量誤差范圍內(nèi)變動(dòng)，邊坡未有明顯的變形跡象，非工作幫邊坡原有裂縫寬度未出現(xiàn)增大現(xiàn)象，而且采場(chǎng)邊坡內(nèi)排空間即將形成，隨即可開(kāi)始內(nèi)排壓腳工程，邊坡的穩(wěn)定性也將得到保障，出現(xiàn)大范圍的有規(guī)律的變形跡象的可能性很小。

5 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)工程地質(zhì)勘察及分析，和田布雅煤礦邊坡變形的主要影響因素為泥巖弱層、非工作幫巖層順傾及破碎巖體結(jié)構(gòu)，極端天氣影響下，邊坡具備變形的可能。

2）端幫、非工作幫邊坡破壞機(jī)理主要是由于開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致的拉—剪破壞，該區(qū)泥巖未發(fā)生明顯的強(qiáng)度弱化情況，邊坡呈圓弧型滑動(dòng)破壞模式，根據(jù)塑性區(qū)分布特征，現(xiàn)狀邊坡處于安全狀態(tài)。

3）通過(guò)邊坡角優(yōu)化計(jì)算，推薦布雅煤礦三采區(qū)端幫、非工作幫穩(wěn)定邊坡角分別為36°、35°，目前邊坡基本到界，結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，邊坡發(fā)生滑動(dòng)的可能性很小，優(yōu)化方案可以確保煤炭資源安全、高效地回收。