安家?guī)X礦端幫煤開采邊坡穩(wěn)定性分析與控制

侯成恒

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

露天煤礦開采過程中端幫邊坡壓煤量比重相對較大，對大型露天煤礦來說，端幫煤邊坡角提高1°，其端幫煤炭資源回就收達(dá)到千萬噸，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到十幾億甚至幾十億元。受地質(zhì)、采礦、技術(shù)條件等因素制約，端幫邊坡壓煤成為露天煤礦典型問題[1]。為盡可能回收端幫邊坡煤炭資源，從開采方案優(yōu)化與開采設(shè)備方面做了大量研究工作，其中開采方案優(yōu)化包括：高臺(tái)階開采、邊坡形態(tài)優(yōu)化、露井聯(lián)采等，開采設(shè)備研發(fā)主要為端幫采煤機(jī)。據(jù)以往研究成果，考慮采礦與內(nèi)排協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，很少采用端幫邊坡分段式陡幫開采方法，該方法采用邊界效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定形成側(cè)面約束，對近水平煤層可實(shí)現(xiàn)橫采內(nèi)排[2]。為此，以安家?guī)X礦為研究背景，通過對其北端幫到界邊坡工程地質(zhì)條件研究，采用極限平衡方法，對回采高度、整體邊坡角與穩(wěn)定系數(shù)的敏感性關(guān)系研究，采用FLAC3D有限元分析軟件，確定了橫采內(nèi)排追蹤距離與內(nèi)排壓腳高度，目的是對橫采內(nèi)排對邊坡變形破壞控制效果進(jìn)行評價(jià)，從而達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)的目的[3-4]。

1 工程地質(zhì)條件及巖土體力學(xué)性質(zhì)

1）工程地質(zhì)條件。礦山已有地質(zhì)資料可知，礦區(qū)最下1 層可采煤層底板及以上地層自下而上劃分有：本溪組地層（C2b）、太原組地層（C31）、山西組地層（P1S）、下石盒子組地層（P1X）、上石盒子組地層（P2S）、新第三系上新統(tǒng)（N2b）、第四系（Q）,其中第四系全礦區(qū)發(fā)育。陡幫開采區(qū)域地層巖性自下而上分別為：砂泥巖互層、11 煤（厚度為1.1～5.9 m）、泥砂巖互層、9 煤（厚度為11.1～15.4 m）、泥砂巖互層、4 煤（厚度為3.1～6.2 m）、泥砂巖互層、黃土層，其中第四系與下伏新第三系上新統(tǒng)不整合接觸。露天煤礦礦區(qū)內(nèi)揭露主要地質(zhì)構(gòu)造有：1 個(gè)背斜（蘆子溝），5 條斷層（落差大于10 m），2 個(gè)陷落柱。陡幫開采區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要有3 條斷層，1 個(gè)陷落柱。

2）巖土體力學(xué)性質(zhì)。露天礦初步設(shè)計(jì)階段至今，開展了大量的巖土體物理力學(xué)參數(shù)測試與實(shí)驗(yàn)研究工作，積累了大量的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)和研究成果。本次邊坡穩(wěn)定性分析巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要通過以下2 種方式獲得：①搜集、整理與分析以往研究成果歸納得出適用于本次研究力學(xué)參數(shù)指標(biāo)；②在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，利用力學(xué)強(qiáng)度折減方法及基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則進(jìn)行節(jié)理化巖體強(qiáng)度分析[5]。最終得出力學(xué)參數(shù)指標(biāo)推薦值，巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2 端幫煤開采方案

端幫壓煤回采區(qū)平面圖如圖1。在工程地質(zhì)概況中可知，該區(qū)域發(fā)育有陷落柱和斷層，北端幫陡幫開采范圍確定主要依據(jù)為內(nèi)排跟進(jìn)范圍與陷落柱賦存位置，其中西部邊界為內(nèi)排土場最下部臺(tái)階坡底區(qū)域、東部邊界為陷落柱西側(cè)邊界、地表境界保持不變、坑底境界為11 煤底板。礦區(qū)內(nèi)可采煤層共3 層，分別為4 煤、9 煤、11 煤。

圖1 端幫壓煤回采區(qū)平面圖Fig.1 Plan of end wall coal pressing mining area

通過調(diào)整回采高度和各平盤寬度的大小，使邊坡角度變?yōu)?1°、32°、33°、34°、35°，提出了陡幫開采方案，方案設(shè)計(jì)原則如下：①回采高度分別設(shè)置為1 300、1 288、1 276、1 264 m 水平；②每個(gè)回采水平對應(yīng)60、54、48、40、34 m 5 個(gè)不同的平盤寬度。選取典型工程地質(zhì)剖面DB 剖面為研究對象，典型DB 剖面回采設(shè)計(jì)方案如圖2。

圖2 典型DB 剖面回采設(shè)計(jì)方案Fig.2 Mining design scheme of typical DB section

邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法通常采用極限平衡法，通過對開挖后邊坡下滑力與抗滑力計(jì)算、將邊坡體抗滑力與下滑力比值作為邊坡穩(wěn)定性定量評價(jià)指標(biāo)。本次研究利用極限平衡法中的Morgenstern-Price 法[6]，計(jì)算得出不同回采高度、整體邊坡角條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并采用曲線回歸分析手段，對開采參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)敏感性分析，得出開采參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)相關(guān)性。

安家?guī)X露天礦可采煤層為4 煤組、9 煤、11 煤，依據(jù)端幫邊坡到界情況，各煤組賦存深度及邊坡穩(wěn)定狀況，按照設(shè)計(jì)陡幫開采方案，建立極限平衡分析計(jì)算模型，對不同陡幫開采設(shè)計(jì)方案采用巖土體計(jì)算仿真軟件Geo-Studio 進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，邊坡穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of slope stability coefficients

3 開采參數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)敏感性

1）回采高度與穩(wěn)定系數(shù)敏感性。為進(jìn)一步確定回采高度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)之間敏感性，以邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對不同回采高度穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，采用曲線回歸分析手段，對不同回采高度和邊坡穩(wěn)定系數(shù)回歸分析?；夭筛叨扰c穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線如圖3。根據(jù)表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果和圖3 回采高度與邊坡穩(wěn)定關(guān)系曲線圖可知：同一回采高度，隨著整體邊坡角增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為減小趨勢；回采高度高于1 288 m 水平或低于1 276 m 水平時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)突變明顯，單位回采高度內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化最為敏感。

圖3 回采高度與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between mining height and stability coefficient

2）邊坡角與穩(wěn)定系數(shù)敏感性。為進(jìn)一步確定整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)之間敏感性，以邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對不同整體邊坡角條件下穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，采用曲線回歸分析手段，對不同整體邊坡角和邊坡穩(wěn)定系數(shù)回歸分析。整體邊坡角與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線如圖4。根據(jù)表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果和圖4 整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定關(guān)系曲線圖可知：整體邊坡角相同條件下，隨著開采水平增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為減小趨勢；整體邊坡角大于33°或小于32°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)突變明顯，單位整體邊坡角內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化最敏感。

圖4 整體邊坡角與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between overall slope angle and stability coefficient

依據(jù)“露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范”規(guī)定，確定北幫陡幫開采邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.1，結(jié)合邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果和敏感性分析成果，考慮資源回收率等因素，確定陡幫開采水平為1 264 m、整體邊坡角為35°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.089，基本接近安全儲(chǔ)備要求，考慮采用橫采內(nèi)排控制開采措施提高邊坡穩(wěn)定性。

4 控制開采邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

通過提高回采高度或降低整體邊坡角使得邊坡安全儲(chǔ)備滿足要求，為提高陡幫開采煤炭資源回收率，考慮陡幫開采時(shí)間相對較短、作業(yè)空間相對充足，能夠在短時(shí)間形成內(nèi)排，采用橫采內(nèi)排的控制開采措施[7-8]，提前實(shí)現(xiàn)內(nèi)排減少邊坡暴露時(shí)間、減小邊坡角，同時(shí)縮短陡幫開采過程中的排棄物料運(yùn)距，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。由于陡幫開采區(qū)域地質(zhì)條件較復(fù)雜，考慮采場推進(jìn)方向與內(nèi)排關(guān)系，推進(jìn)方向由西向東，西側(cè)區(qū)域先行到界、實(shí)現(xiàn)快速內(nèi)排壓腳。

端幫壓煤回采區(qū)域上部開口寬度約600 m、最終設(shè)計(jì)底部境界寬度約400 m，開采區(qū)域空間狹小，采用小型設(shè)備以簡化整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)，在保證設(shè)備作業(yè)空間條件下，盡可能提高邊坡穩(wěn)定性，橫采內(nèi)排追蹤距離分別為30、50 m，內(nèi)排壓腳高度12、24 m，分別對每一控制開采方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析，具體控制開采方案為：①方案I：內(nèi)排追蹤距離30 m，內(nèi)排壓腳高度12 m；②方案II：內(nèi)排追蹤距離30 m，內(nèi)排壓腳高度24 m；③方案III：內(nèi)排追蹤距離50 m，內(nèi)排壓腳高度12 m；④方案IV：內(nèi)排追蹤距離50 m，內(nèi)排壓腳高度24 m?？刂崎_采主要考慮巖體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，以及受邊界效應(yīng)約束條件下，應(yīng)力釋放與邊坡變形的時(shí)空關(guān)系，考慮采用“混合離散法”模擬三維邊坡塑性破壞和塑性流動(dòng)，研究其破壞特征與破壞機(jī)理，以確定合理內(nèi)排距離與內(nèi)排壓腳高度[9-10]。根據(jù)建立的典型DB 剖面模型和確定的邊界條件：模型左右及前后所有邊界均施加水平方向上約束條件（模型邊界水平方向位移為0）；固定整個(gè)模型底部邊界（模型邊界底部水平及垂直位移均為0）；模型頂部及所有臨空坡面均為自由邊界，控制開采數(shù)值模擬模型如圖5。

圖5 數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

通過對不同內(nèi)排追蹤距離（30、50 m）與內(nèi)排壓腳高度（12、24 m）方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出控制開采條件下總位移云圖與指向邊坡臨空面x 方向云圖，進(jìn)而分析邊坡失穩(wěn)破壞特征。不同控制開采方案總位移云圖如圖6，不同控制開采方案x 向位移云圖如圖7。

圖6 控制開采總位移云圖Fig.6 Diagrams of total displacement of controlled mining

圖7 控制開采x 向位移云圖Fig.7 Displacement diagrams of controlled mining in x-direction

由圖6 通過對比分析可知：①在內(nèi)排追蹤距離相同條件下，內(nèi)排壓腳高度越高，邊坡失穩(wěn)破壞范圍與破壞程度越小，失穩(wěn)破壞范圍主要集中在內(nèi)排平盤上部區(qū)域；②在內(nèi)排壓腳高度相同條件下，內(nèi)排追蹤距離越小，邊坡失穩(wěn)破壞范圍與破壞程度越小，隨著暴露長度的增加，最大位移變形量也逐漸加大；③采用橫采內(nèi)排控制措施后，內(nèi)排壓腳及其附近區(qū)域，邊坡變形破壞程度得到明顯且有效的控制。

由圖7 通過對比分析可知：①在內(nèi)排追蹤距離相同條件下，內(nèi)排壓腳高度越大，邊坡失穩(wěn)破壞水平位置越高、x 向位移量越??；②在內(nèi)排壓腳高度相同條件下，內(nèi)排追蹤距離越小，邊坡失穩(wěn)破壞范圍越小、x 向位移量越小；③采用橫采內(nèi)排控制措施后，最大位移量均出現(xiàn)在壓腳上部區(qū)域坡腳位置，整體呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡剪出位置區(qū)域可得到有效預(yù)測。

綜上所述，內(nèi)排追蹤距離越大，坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，邊坡失穩(wěn)破壞范圍越大，邊坡穩(wěn)定程度越低；內(nèi)排壓腳高度越低，上部荷載越大，x 向位移量越大，坡腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，對邊坡穩(wěn)定越不利。因此，在滿足生產(chǎn)要求前提下，最終確定安家?guī)X露天礦端幫壓煤控制開采方案為：橫采內(nèi)排追蹤距離為30 m、內(nèi)排壓腳高度為24 m；采用控制開采措施后可實(shí)現(xiàn)原煤回收約170 萬t，剝離量約290 萬m3，平均剝采比為1.7 m3/t，與全礦5～6 m3/t 剝采比相比，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益，從煤炭資源回收率角度考慮，同時(shí)具有較高社會(huì)效益。

5 結(jié) 語

為解決露天礦端幫到界邊坡壓煤問題，結(jié)合安家?guī)X露天礦北幫到界邊坡實(shí)際情況，運(yùn)用極限平衡方法，對回采高度、整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定之間敏感性分析，采用三維數(shù)值模擬方法研究橫采內(nèi)排追蹤距離、內(nèi)排壓腳高度與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系。依據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，對回采高度、整體邊坡角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系進(jìn)行敏感性分析，確定了回采高度為1 264 m 水平、整體邊坡角為35°。為保證陡幫開采過程中邊坡穩(wěn)定問題，采用橫采內(nèi)排控制方案，利用數(shù)值模擬手段，確定了橫采內(nèi)排追蹤距離為30 m、橫采內(nèi)排壓腳高度為24 m。