劉志強
(山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036500)
露天煤礦產(chǎn)能的釋放對促進當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展及國民經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義,在保證安全生產(chǎn)的前提下,不影響礦山正常生產(chǎn),對露天礦進行擴建十分重要。河曲露天煤礦原設(shè)計8 Mt/a,為了符合當前的需求,需要將產(chǎn)能增加2 Mt/a,達到10 Mt/a。為了保證安全,需要對增產(chǎn)后的采掘場邊坡和內(nèi)排土場的穩(wěn)定性進行重新計算。
河曲露天煤礦采掘場幫坡地層的構(gòu)成主要為馬蘭組黃土、第三系砂土、砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖和煤等的混合型邊坡,邊坡上部大部分為第四系覆蓋,井田東北部發(fā)育2 條正斷層,傾角均大于70°,2 個背斜和2 個向斜,傾角均小于8°,通過分析可知,其對礦山邊坡穩(wěn)定性影響較小,但隨著礦山的開采,在斷層處不排除發(fā)生小的片幫滑落可能。總的來說,河曲露天煤礦邊坡屬于中—軟巖類邊坡,認為該礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡或圓弧直線型滑坡。根據(jù)地質(zhì)報告,該礦地層內(nèi)含水量較小、富水性弱,雖具微承壓性,但可采取水平放水孔,放水降壓解除地下水對邊坡的作用力。
根據(jù)上述分析,采用摩根斯坦—普瑞斯法(Morgenstern-Price)對采掘場邊坡進行穩(wěn)定性分析。摩根斯坦—普瑞斯法是對Janbu 法的更精確表達,主要是考慮了全部平衡和邊界條件,使計算誤差更小。在利用該方法進行計算時,將邊坡劃分為n 個條塊,取第i 條塊為隔離體,如圖1 所示。
圖1 條塊受力分析
式中:Fs為邊坡的穩(wěn)定系數(shù);Wi為自重,kN;KC為地震影響系數(shù);li為滑塊底部的長度,m;Ti為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的滑力,kN;Ri為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的剪力,kN;Ui為孔隙壓力,MPa;αi為方位角,°。
目前河曲露天礦首采區(qū)采掘場深度為908~1 028 m,形成了完整的11 個采剝臺階,其中主采煤臺階1 個,煤巖組合臺階4 個,土、巖剝離臺階6 個,臺階高度12 m,整體坂坡角9.6°;東側(cè)端幫形成944~1 064 m 共11 個臺階,臺階高度12 m,幫坡角33°,工作幫及東側(cè)端幫均未發(fā)生過滑坡。
采場邊坡穩(wěn)定取決于巖體強度,巖體強度與巖塊強度和節(jié)理密度有關(guān)。根據(jù)以上分析情況可知,地質(zhì)報告中的巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)不足,需要根據(jù)現(xiàn)有的《山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》 《工程巖體分級標準》 及設(shè)計經(jīng)驗[4-6]選取巖石力學(xué)參數(shù),具體見表1。
表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters
在計算時,巖塊的抗剪強度要大于巖體的抗剪強度,需要進行折減。折減大小取決于折減系數(shù)。折減系數(shù)與巖體中的結(jié)構(gòu)面有關(guān),結(jié)構(gòu)面從大到小依次為斷層、節(jié)理、裂隙。需要折減的參數(shù)主要是黏聚力和內(nèi)摩擦角。巖層和煤層的黏聚力折剪系數(shù)的取值為:對于長期暴露的巖體,且經(jīng)歷了3 a 以上的劣化效應(yīng),折減系數(shù)取為0.045;對于剛剛揭露的工作幫臺階,裸露時間小于半年,折減系數(shù)取為0.2。
河曲露天礦開采境界劃分為5 個采區(qū),其中首采區(qū)、二采區(qū)、五采區(qū)邊界相連,形成一個連續(xù)大范圍開采境界;三采區(qū)、四采區(qū)受煤層賦存影響,為獨立采區(qū)。結(jié)合露天礦開采現(xiàn)狀及采區(qū)劃分,選取了9 個邊坡剖面進行穩(wěn)定性分析。剖面位置如圖2 所示。
圖2 邊坡剖面位置示意Fig.2 Position of slope section
原設(shè)計露天礦采掘場各終幫邊坡角34°,露天礦現(xiàn)狀揭露邊坡工程地質(zhì)無重大變化,此次設(shè)計擬按原設(shè)計執(zhí)行,并結(jié)合新的開采境界圈定結(jié)果,對設(shè)計的終幫邊坡進行穩(wěn)定性分析,按上述研究,計算各個邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。
剖面1 位于首采區(qū)東幫邊坡最高處,邊坡高110.3 m,設(shè)計邊坡角34°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.248。剖面2 位于二采區(qū)北幫邊坡最高處,邊坡高84 m,設(shè)計邊坡角34°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.213。剖面3 位于五采區(qū)西幫邊坡最高處,邊坡高92.6 m,設(shè)計邊坡角34°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.220。剖面4 位于二采區(qū)西幫邊坡最高處,邊坡高124.4m,設(shè)計邊坡角34°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.110。
剖面5 位于二采區(qū)東幫,該位置與首采區(qū)排土場邊坡形成復(fù)合邊坡。下部原始土巖邊坡高40.3 m,設(shè)計邊坡角34°;上部棄土邊坡高113.3 m,邊坡角16°;剖面5 處邊坡總高153.6 m,邊坡角17°。經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.346,滑面位于下部采剝邊坡段,復(fù)核邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)2.076。
剖面6 位于現(xiàn)狀采坑南幫,邊坡高139.0 m,現(xiàn)狀邊坡角33°,經(jīng)計算,最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)1.011,位于邊坡下部,局部邊坡角47°,整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.209。
剖面7 位于三采區(qū)終幫最高處(北幫),終幫北側(cè)為既有外排土場,邊坡高142.1 m,設(shè)計采剝終幫邊坡角33°,上部排土臺階按設(shè)計排土終幫考慮。經(jīng)計算,最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)1.182,位于邊坡下部采剝邊坡,整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.395。
剖面8 位于四采區(qū)終幫最高處(西南),邊坡高142.1 m,設(shè)計采剝終幫邊坡角33°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.279。
根據(jù) 《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB50197-2015)6.0.8 條,采掘場邊坡服務(wù)年限小于10 a,邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.1~1.2。剖面6 處現(xiàn)狀采掘場端幫下部較陡,邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.1,不滿足安全要求,應(yīng)盡快內(nèi)排壓幫。其他各幫安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,因此,此次設(shè)計露天礦終幫各邊坡角度為34°。
剖面9 位于選煤廠東部內(nèi)排土場邊坡,邊坡高129 m,邊坡角19°,經(jīng)計算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.286。結(jié)合露天礦的工程地質(zhì)條件和周邊礦區(qū)的實際情況,第四系坡面角確定為65°,巖石臺階和煤臺階坡面角確定為70°。
在露天礦增產(chǎn)后,每年的排土量會增加,這在一定程度上會影響排土場的穩(wěn)定性。為了保證生產(chǎn)的安全性,需要對排土場的邊坡穩(wěn)定進行重新分析。根據(jù)地質(zhì)報告的試驗資料、露天礦的實際經(jīng)驗以及相似露天礦經(jīng)驗數(shù)據(jù),首采區(qū)邊坡穩(wěn)定計算采用的排土場排棄物料參數(shù),其內(nèi)摩擦角為21°,凝聚力為20 kPa。物料容重為1.88 t/m3。
現(xiàn)排土場最大排棄高度209 m(剖面1),邊坡角19°,經(jīng)計算,安全系數(shù)為1.234。既有選煤廠東側(cè)邊坡排棄高度128 m(剖面2),邊坡角19°,經(jīng)計算安全系數(shù)1.286,剖面位置如圖3 所示。
圖3 現(xiàn)排土場剖面位置示意Fig.3 Section position of the current dump site
在增產(chǎn)后,內(nèi)排土場最大排棄標高1 076 m,最大內(nèi)排高度191 m,工作幫坡角19°,經(jīng)計算,安全系數(shù)1.257,剖面位置如圖4 所示。
圖4 內(nèi)排土場(191 m)剖面位置示意Fig.4 Location of the inner dump(191 m)profile is illustrated
根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計標準》(GB51289-2018),內(nèi)排土場服務(wù)年限小于10 a,穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2,露天礦內(nèi)排工作幫屬于穩(wěn)定邊坡,排土場現(xiàn)狀邊坡及達產(chǎn)年內(nèi)排邊坡均屬于穩(wěn)定邊坡。
內(nèi)排壓幫可以將剝離土巖堆積在滑體下部抗滑部分,可增大抗滑力,控制邊坡穩(wěn)定性,同時減小剝離運距。因此應(yīng)加快工程推進速度盡量減少邊坡暴露時間,確保采剝與排棄同步進行,提高邊坡的穩(wěn)定性。
結(jié)合河曲露天礦實際情況,對采掘場邊坡和內(nèi)排土場的穩(wěn)定進行重新計算。計算結(jié)果表明,露天礦終幫各邊坡角度為34°,內(nèi)排土場的角度為19°,可以滿足安全生產(chǎn)的需要。考慮到生產(chǎn)過程中一些不確定因素的影響,還應(yīng)該做好邊坡穩(wěn)定的監(jiān),測防止滑坡。