河曲露天煤礦西端幫邊坡穩(wěn)定性研究

羅 科，李天翔，呂貴龍，馬 力

（1.山西焦煤山煤國際河曲露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 露天開采技術(shù)研究所，陜西 西安 710054）

露天礦端幫邊坡下部往往埋藏著大量的煤炭資源，但因技術(shù)及條件的影響未能被合理開采[1-2]。隨著開采工藝的提高及煤炭資源的縮減，回收端幫壓煤從而提高經(jīng)濟(jì)效益勢在必行[3-4]。

周永利等[5]結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬的手段，對端幫陡幫開采結(jié)束后逐步進(jìn)行內(nèi)排壓幫這一過程進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析；王偉[6]、王創(chuàng)業(yè)等[7]運(yùn)用相似模擬手段分析了不同采掘長度下端幫開采邊坡穩(wěn)定性；曹蘭柱等[8]通過不斷調(diào)整邊坡參數(shù)，研究分析了不同留設(shè)煤柱長度到界邊坡滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計了勝利西二露天煤礦西端幫最終邊坡形態(tài)；楊添[9]以典型工程地質(zhì)剖面為研究對象，分析了邊坡角與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，確定了能夠滿足安全儲備系數(shù)的邊坡角。

河曲露天煤礦西端幫主要為采場與內(nèi)排土場提供主要運(yùn)輸?shù)缆?。?nèi)排過程中，受端幫運(yùn)輸系統(tǒng)影響，限制了邊坡角度的提高，為了實施陡幫開采，需要對端幫陡幫開采經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，在保證邊坡穩(wěn)定、邊坡角提升的前提下，均衡運(yùn)輸與邊坡角間的關(guān)系。首先在開采過程中應(yīng)不斷提高端幫邊坡角度，減少壓煤量，其次開采期間還需研究西端幫穩(wěn)定性保障人員與設(shè)備的安全作業(yè)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計邊坡角度，實現(xiàn)綜合效益的最大化。

為此，以河曲露天煤礦采掘場西端幫邊坡為研究對象，利用極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法[10-13]對端幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定了端幫邊坡采用凸形邊坡形態(tài)進(jìn)行開采，并確定了各剖面的開采角度。深入系統(tǒng)的研究端幫邊坡穩(wěn)定性并對其進(jìn)行陡幫開采對減少端幫壓煤、優(yōu)化陡幫開采設(shè)計，保障礦山安全生產(chǎn)及提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

極限平衡法將滑體視為剛體，不考慮變形，只考慮滑體沿滑面的位移，是邊坡穩(wěn)定性分析采用的一種較為普遍的計算方法，尤其是在邊坡穩(wěn)定性分析中常假定滑動面為圓弧滑動模式。其中，極限平衡法主要是通過試算各種不同位置圓心所對應(yīng)滑面的穩(wěn)定系數(shù)，并以全局穩(wěn)定系數(shù)最小滑面為該剖面的穩(wěn)定系數(shù)，而有限元強(qiáng)度折減法則是通過不斷折減，使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)，可以確定臨界破壞時巖體的應(yīng)力狀態(tài)分布。采用極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行綜合分析，通過危險滑動面位置與應(yīng)力云圖綜合說明滑面的穩(wěn)定性情況，并互相驗證。

1.1 極限平衡法

滑體的位移為剪切破壞，遵守Mohr－Coulumb 準(zhǔn)則，滑體在滑面上的平衡條件，應(yīng)用到滑塊在斜坡上的平衡原理如圖1。

圖1 滑塊平衡原理

1.2 有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法的基本原理為將巖土體的抗剪強(qiáng)度除以折減系數(shù)Fr，采用有限元進(jìn)行計算，如果邊坡在選取的折減系數(shù)下達(dá)到破壞，此時的折減系數(shù)便是安全系數(shù)：

式中：c 為黏聚力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；Fr為折減系數(shù)；σ 為正應(yīng)力，MPa；τr切應(yīng)力，MPa。

參數(shù)φr和cr為折減后的強(qiáng)度指標(biāo)，將φr和cr帶入有限元計算，如果折減系數(shù)Fr＞1.0，則利用有限元計算的位移和應(yīng)力就比實際的大，破壞的單元也比實際的多。令Fr從1.0 逐步增大，則計算的位移逐步變大，破壞單元逐步增加，當(dāng)邊坡整體失穩(wěn)時的Fr即為安全系數(shù)。

2 河曲西端幫邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 剖面選取與巖體力學(xué)參數(shù)確定

依據(jù)河曲露天煤礦采場實際，選取典型剖面并結(jié)合已知巖體力學(xué)參數(shù)，對西端幫的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗證。結(jié)合河曲露天煤礦實際開采工程平面圖，在西端幫選取2 個典型剖面，進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

根據(jù)選取鉆孔數(shù)據(jù)來看，研究區(qū)各層巖性主要為黃土、泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤、石灰?guī)r和黏土，巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

邊坡穩(wěn)定性分析依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》要求，端幫為非工作幫，儲備系數(shù)在1.1～1.5 以內(nèi)。考慮河曲露天煤礦采用內(nèi)排模式，儲備安全系數(shù)以1.2 為依據(jù)。

2.2 當(dāng)前剖面穩(wěn)定性

西幫剖面最大剪應(yīng)變云圖如圖2。

圖2 西幫剖面最大剪應(yīng)變云圖

首先針對該剖面的當(dāng)前現(xiàn)狀進(jìn)行分析，采用極限平衡法和有限元法分別分析西幫1－1’剖面（28°）、2－2’剖面（27°）穩(wěn)定性情況，確定在當(dāng)前邊坡角度條件下其穩(wěn)定系數(shù)FS分別為1.30 和1.36，可以滿足儲備系數(shù)要求。從該剖面現(xiàn)狀圖中可以看出，該幫具有顯著的凸型邊坡特點(diǎn)，穩(wěn)定性情況良好。

2.3 平直邊坡穩(wěn)定性

當(dāng)1－1’剖面28°局部邊坡穩(wěn)定性分析如圖3。模擬結(jié)果顯示有限元強(qiáng)度折減法和極限平衡法計算的危險滑面區(qū)域一致，其平均穩(wěn)定系數(shù)在28°時能保證儲備系數(shù)要求。顯然，按均一邊坡角度確定的28°條件下的穩(wěn)定性低于現(xiàn)狀的凸型邊坡條件的穩(wěn)定系數(shù)，說明上部黏土邊坡是該邊坡穩(wěn)定的限制性因素，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并盡量減少其上部臺階擾動。

圖3 1－1’剖面28°局部邊坡穩(wěn)定性分析

對2－2’剖面以27°平直結(jié)構(gòu)邊坡進(jìn)行分析模擬，結(jié)果顯示有限元強(qiáng)度折減法和極限平衡法計算危險滑面區(qū)域一致，其平均穩(wěn)定系數(shù)在27°時能保證儲備系數(shù)要求。顯然，按平直邊坡角度確定的27°條件下的穩(wěn)定性高于現(xiàn)狀的凸型邊坡條件的穩(wěn)定系數(shù)。目前2－2’剖面的邊坡角為27°，穩(wěn)定性較強(qiáng)，其滑移形態(tài)為整體滑移。

2.4 凸型邊坡穩(wěn)定

結(jié)合當(dāng)前西端幫典型凸邊坡結(jié)構(gòu)特征，在平直邊坡穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化分析西端幫凸型邊坡結(jié)構(gòu)條件下的邊坡角度，對優(yōu)化河曲露天煤礦西端幫邊坡角度具有切實研究意義。

對1－1’剖面，上部邊坡保持28°，下部邊坡依次31°、34°、37°、40°、43°進(jìn)行穩(wěn)定性分析。1－1’剖面凸邊坡整體穩(wěn)定性分析如圖4。

圖4 1－1’剖面凸邊坡整體穩(wěn)定性分析

由圖4 已知：當(dāng)下部臺階邊坡角度從31°增大至40°時，該邊坡危險滑動面均處于上部黏土層邊坡中，因此其穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果無變化；而當(dāng)下部臺階邊坡高度增大至43°時，危險滑面變?yōu)橄虏颗_階，穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)變化。綜合考慮推薦該剖面下部臺階邊坡角度為40°、上部臺階邊坡角為28°。

針對2－2’剖面，保持上部邊坡27°，下部邊坡依次按照30°、33°、42°、45°、48°進(jìn)行穩(wěn)定性分析，2－2’剖面凸邊坡穩(wěn)定系數(shù)與下部邊坡角度關(guān)系如圖5。2－2’剖面凸型邊坡下部邊坡角42°穩(wěn)定性如圖6。

圖6 2－2’剖面凸型邊坡下部邊坡角42°穩(wěn)定性

由圖5 已知：當(dāng)下部邊坡角提升到45°時，計算的穩(wěn)定系數(shù)為1.20，與儲備1.2 相比可知，當(dāng)下部邊坡角大于45°不能滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

圖5 2－2’剖面凸邊坡穩(wěn)定系數(shù)與下部邊坡角度關(guān)系

由圖6 已知：為保證工程實際中人員與設(shè)備安全要求，在下部臺階42°時滿足邊坡穩(wěn)定性要求，即保證上部臺階27°，下部臺階42°，整體邊坡角36°。

3 結(jié)語

1）結(jié)合河曲露天煤礦巖體力學(xué)參數(shù)，綜合采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，分析了西端幫穩(wěn)定性情況，確定穩(wěn)定系數(shù)和危險滑面。

2）1－1’剖面整體邊坡角度從原來28°調(diào)整為40°，提高了12°。結(jié)合凸型邊坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮該剖面下部臺階邊坡角度為40°、上部臺階邊坡角為28°、整體邊坡角度34°可滿足工程實際要求。

3）2－2’剖面整體邊坡角度從原來27°調(diào)整為39°，提高了12°。結(jié)合凸型邊坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮該剖面保證上部臺階27°、下部臺階42°、整體邊坡角36°可滿足工程實際要求。