塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊露天煤礦南幫邊坡空間形態(tài)優(yōu)化

李成盛

（中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100073）

邊坡是露天煤礦的構(gòu)成要素之一，其穩(wěn)定性是露天煤礦安全生產(chǎn)的重要影響因素，并且與露天礦的經(jīng)濟(jì)效益緊密相連。所以，對(duì)到界邊坡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對(duì)于保證露天煤礦的安全開(kāi)采和最大限度地利用資源具有重要的意義[1]。

學(xué)者們已經(jīng)就邊坡形態(tài)優(yōu)化這一問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究。宋子嶺等[2]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，分析了安家?guī)X露天煤礦端幫壓幫前后的穩(wěn)定性，確定了安家?guī)X露天煤礦陡邊坡開(kāi)采的最佳角度、最優(yōu)形態(tài)和合理壓幫高度；韓流等[3]根據(jù)老化理論及軟巖抗剪強(qiáng)度的時(shí)效表達(dá)式，提出平面滑動(dòng)形式的時(shí)效穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了布沼壩露天礦西端幫邊坡形態(tài)；方慶紅等[4]基于工程類(lèi)比法和強(qiáng)度折減法，揭示了軟弱夾層對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的影響。盡管對(duì)邊坡形態(tài)優(yōu)化的研究很多，但是以往大多數(shù)的研究多為二維效應(yīng)分析，很少有深部壓幫的三維效應(yīng)分析，導(dǎo)致了大量煤炭資源的浪費(fèi)[5-6]。

基于此，以巴基斯坦塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦南幫邊坡為研究對(duì)象，應(yīng)用二維和三維的邊坡穩(wěn)定性分析方法，運(yùn)用極限平衡理論與數(shù)值模擬方法，優(yōu)化了其空間形態(tài)，充分凸顯空間形態(tài)效應(yīng)的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

1 地質(zhì)條件與潛在滑坡模式

構(gòu)成塔爾煤田II 區(qū)塊露天礦邊坡的主要巖土層有新近系全新統(tǒng)風(fēng)積沙松散層、新近系上新統(tǒng)粉砂巖、黏土質(zhì)粉砂巖、中粗砂巖、砂巖、黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖等及軟弱層；古近系古新統(tǒng)—始新統(tǒng)泥巖、中粗砂巖、煤層等軟弱層、弱層。區(qū)內(nèi)含煤地層共3個(gè)煤組，自上而下分別為1#、2#、3#煤組，其中主要可采煤層有2-3#、2-4#、2-7#、2-8#煤4 層，平均厚度約為24 m。第三系軟巖層由粉砂巖、黏土質(zhì)粉砂巖、黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖以及粗砂巖組成。巖土的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

影響巴基斯坦塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦邊坡滑坡的主要因素有邊坡體內(nèi)2#含水層、2-7#上煤底板、2-8#煤底板弱層[7]，已知弱層抗剪強(qiáng)度參數(shù)較大且未知的下部巖層沒(méi)有揭露，因此，判定巴基斯坦塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦南幫邊坡的潛在滑坡模式為圓弧滑動(dòng)或以弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)。邊坡潛在滑坡模式示意圖如圖1。

圖1 邊坡潛在滑坡模式示意圖

2 南幫到界邊坡二維穩(wěn)定性分析

依據(jù)GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中對(duì)邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，考慮采場(chǎng)的非工作幫邊坡的服務(wù)年限、邊坡的高度和陡度以及巖土體的物理和力學(xué)特性等，將邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)定為1.3?？紤]到塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦南幫邊坡的潛在滑坡模式，采用剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析[9]。在不同的組合滑動(dòng)模式下原設(shè)計(jì)到界邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.257、1.252、1.268?；谝陨戏治觯蠋驮O(shè)計(jì)到界邊坡不能滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3 要求。因此南幫原設(shè)計(jì)到界邊坡形態(tài)不合理，需要重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

3 南幫到界邊坡二維穩(wěn)定性分析

3.1 南幫到界邊坡形態(tài)優(yōu)化

塔爾煤田剝離物厚度大，深部煤層間距較小，總體上近似于單一煤層。這類(lèi)煤層在進(jìn)行露天開(kāi)采時(shí)，到界邊坡的斷面形態(tài)不僅影響邊坡的穩(wěn)定性，還影響到露天礦的剝采比，因此，邊坡斷面形態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)于單一煤層（或類(lèi)似條件）露天礦具有重要的實(shí)際意義。當(dāng)南幫邊坡走向長(zhǎng)度暴露過(guò)大，不受其他邊幫或內(nèi)排土場(chǎng)支擋效應(yīng)的影響時(shí)[11]，即可以取某一橫截面作為分析對(duì)象?；谶吰聰嗝嫘螒B(tài)優(yōu)化原理與剛體極限平衡理論，進(jìn)行到界邊坡的二維穩(wěn)定性分析及形態(tài)參數(shù)優(yōu)化。

采用邊坡斷面形態(tài)優(yōu)化原理與剛體極限平衡理論，對(duì)塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦南幫邊坡進(jìn)行優(yōu)化，到界邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果如圖2。

圖2 到界邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果

3.2 原設(shè)計(jì)與形態(tài)優(yōu)化后對(duì)比

通過(guò)對(duì)南幫邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的到界邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均能滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.30 的要求，最優(yōu)的斷面形態(tài)為：-18 m 水平平盤(pán)寬度為34 m，＋6 m 水平平盤(pán)寬度為54 m。相比原設(shè)計(jì)而言，基于斷面形態(tài)效應(yīng)優(yōu)化后的到界邊坡整體邊坡角均有一定程度增大，增加了煤炭資源回收量，擴(kuò)大境界內(nèi)可采儲(chǔ)量，充分凸顯了斷面形態(tài)效應(yīng)的潛在經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)原設(shè)計(jì)與斷面形態(tài)優(yōu)化后的邊坡形態(tài)及采剝量進(jìn)行了對(duì)比分析，原設(shè)計(jì)與斷面形態(tài)優(yōu)化的到界邊坡形態(tài)及采剝量對(duì)比如圖3。

圖3 原設(shè)計(jì)與斷面形態(tài)優(yōu)化的到界邊坡形態(tài)及采剝量對(duì)比

4 南幫到界邊坡三維穩(wěn)定性分析

在南幫邊坡二維穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)追蹤距離L 為50、100、200、300、400 m 情況下，對(duì)優(yōu)化后的南幫邊坡進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析，得到最優(yōu)的邊坡空間形態(tài)參數(shù)。采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[12-13]。本次模擬采用在CAD 中進(jìn)行剖面圖設(shè)計(jì)，然后在工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Rhino 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并生成能在FLAC3D中計(jì)算的網(wǎng)格文件。

為避免邊界效應(yīng)，該模型的尺寸設(shè)為長(zhǎng)1 000 m，寬600 m，高230 m；模型的南幫坡面、橫采工作幫坡面、內(nèi)排土場(chǎng)坡面為自由面，模型四周與底部分別采用水平和垂直位移約束[14]。

當(dāng)深部實(shí)現(xiàn)內(nèi)排時(shí)，由于工作幫和內(nèi)排土場(chǎng)在一定程度上對(duì)南幫邊坡起到了支擋作用[15]，南幫邊坡的滑坡模式可能變?yōu)橐缘诙畬訛榈捉缑娴那袑?順層組合滑動(dòng)。不同追蹤距離下的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4，邊坡穩(wěn)定系數(shù)與追蹤距離關(guān)系曲線如圖5。

圖4 不同追蹤距離下的數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與追蹤距離關(guān)系曲線

分析可知，追蹤距離對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大；當(dāng)追蹤距離較小時(shí)，受采場(chǎng)工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的雙重支檔作用的影響，三維支擋效應(yīng)明顯，第二含水層底板以下深部巖體位移相對(duì)較小[16]，追蹤距離對(duì)三維邊坡穩(wěn)定性系數(shù)幾乎無(wú)影響。

當(dāng)L≤100 m 時(shí)，邊坡的三維穩(wěn)定性滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.30 的要求[17]，隨著追蹤距離的繼續(xù)增加，邊坡的三維穩(wěn)定性逐漸降低[18]。

基于以上分析，南幫到界邊坡的追蹤距離應(yīng)該控制在100 m。到界邊坡最優(yōu)斷面形態(tài)如圖6。

圖6 到界邊坡最優(yōu)斷面形態(tài)

相比原設(shè)計(jì)，基于空間形態(tài)效應(yīng)優(yōu)化后的到界邊坡整體邊坡角增大2°，穩(wěn)定性提高，回采煤炭資源增加8.858×106t，剝采比為0.5，充分凸顯空間形態(tài)效應(yīng)的潛在經(jīng)濟(jì)效益。原設(shè)計(jì)與空間形態(tài)優(yōu)化后的邊坡形態(tài)及采剝量對(duì)比如圖7。

圖7 原設(shè)計(jì)與空間形態(tài)優(yōu)化的邊坡形態(tài)及采剝量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1）優(yōu)化了塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊露天礦南幫到界邊坡空間形態(tài)，為露天礦實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2）當(dāng)追蹤距離L≤100 m 時(shí)，邊坡的三維穩(wěn)定性系數(shù)小于1.30，滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。確定了到界邊坡最優(yōu)形態(tài)為：＋6 m 水平的平盤(pán)寬度為46 m；其余運(yùn)輸平盤(pán)寬為30 m，保安平盤(pán)寬度為5 m。

3）采用二維與三維相結(jié)合的分析方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，優(yōu)化后的邊坡整體邊坡角增大2°，回采煤炭資源增加8.858×106t，剝采比為0.5，充分凸顯空間形態(tài)效應(yīng)的潛在經(jīng)濟(jì)效益。