平庄矿压煤边坡陡帮开采三维稳定性分析

张国锋，解 毅，季毛伟 (1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 10008；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 10008；.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 10008)



采选技术

平庄矿压煤边坡陡帮开采三维稳定性分析

张国锋1，2，解 毅1，2，季毛伟3
(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

平庄西露天煤矿设计采用的到界边坡角偏于保守，造成岩石剥离耗费过多，并且坡脚积压大量优质煤层。本文应用MADIS有限元程序，对西露天矿陡帮边坡压煤区不同开挖宽度的变形规律进行了分析，结果显示开挖空间的最大位移随开挖长度的增加呈现出先陡增、接着缓增、最后趋近水平的扁“S”型增长规律，并且存在一个临界开挖宽度，使得该点可以界定为两个变形差异明显的变形阶段。据此建立边坡三维变形体力学与基于刚体极限平衡分析的MSRAMA法边坡稳态分析的关系式，提出陡帮开采下边坡三维稳定性系数计算方法，并得出陡帮开采下边坡三维稳定性随压煤分步开挖宽度的变化规律，优化压煤最佳开挖宽度。在平庄西露天煤矿Ι区坡脚压煤开采时，利用三维变形效应，采取分段开挖，跟进回填，反压护坡等措施，维护了边坡稳定，取得了良好的经济社会效益。

露天煤矿；边坡工程；陡帮开采；三维变形效应；稳定系数

平庄煤田西露天煤矿是20世纪50年代就开始建成投产的煤矿项目，岩石台阶高12m，煤层台阶高6m，坑底标高+374m，工作帮最终边坡角28°。目前西露天矿已经达到其基本设计参数，按规划要求应当进行深井开采接续，但为了实现资源利用率的最大化，延长浅部露天开采期限，采用安全可靠的陡帮开采工艺成为该矿所面临的一个突出问题。

陡帮开采的实现需要对现状边坡在各种外界因素同时作用下的稳定性进行正确评价，以分析现状边坡的稳定系数储备；同时采取何种开采工艺既能对坡脚压煤区进行陡帮开采，既避免资源浪费，又能保证陡帮开采下边坡稳定，又如何评价陡帮开采下的边坡稳定性。本文提出利用边坡变形三维稳定效应，通过最佳开挖宽度，实现陡帮开采，并建立边坡三维变形体力学与基于刚体极限平衡分析的MSRAMA法边坡稳态分析的关系式，提出陡帮开采下边坡三维稳定性系数计算方法，从理论和实践上为该类采矿问题提供有益的借鉴和指导。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

平庄西露天煤矿位于平庄镇西南4km处，交通十分便利。设计生产能力150万t/a，露天与井工联合开采。西露天煤矿位于平庄煤田中部，平面呈一个南宽北窄的三角形，南部以1700剖面与五家煤矿四井相邻，北部有古山煤矿和六家煤矿，属山坡凹陷相结合区域，坑底标高+374～+402m，走向长3.8km，倾向宽0.7～1.2km，煤层平均厚度38m，倾角12～27°，为倾斜煤层。工作帮现状边坡角：第三系不整合面以上岩体边坡角17～23°，侏罗系上部岩体边坡角29～32°，侏罗系中部岩体边坡角35～42°。

矿区地层整体为一弧形单斜构造，大型断裂构造多发育于工作帮深部，对边坡不产生影响，丘陵山地地貌，西部高，东部低，南部1.5km有五条干河流过，但对矿区影响较小。矿区地层有侏罗系、第三系和第四系沉积地层，以及第三系侵入辉绿岩和喷出玄武岩，有工业价值的煤层位于元宝山含煤段中段，有1煤、2-1煤、2煤三个煤层，地层分布见图1。根据辽宁工程技术大学和俄罗斯国立矿山力学与测量研究院的研究资料，考虑岩体结构面的影响，确定工作帮岩体物理力学参数见表1。

图1 凹型坡面2100地质剖面图/m

表1 平庄西露天矿工作帮岩体物理力学参数

岩组名称岩样厚度/m天然容重/(g/cm3)粘聚力/MPa内摩擦角/(°)抗压强度/Mpa抗拉强度/MPa泊松比弹性模量/GPa上侏罗系砂泥岩组中侏罗系砂泥岩组46.3149.32.212.270.71.621241.372.650.150.100.430.78煤层岩组71.01.870.14203.230.0330.350.53煤层底板砂岩组98.02.280.35203.620.150.430.65

2.2 陡帮开采边坡角

根据西露天矿经过大量研究工作[1-3]，认为工作帮破坏模式为：上部玄武岩、沙泥岩沿内部裂隙剪切变形和下部弱层组成组合滑面；或者岩体沿圆弧滑面变形破坏。研究采用相似材料模拟实验对2100剖面不同边坡角下的边坡稳定性进行了模拟分析，模拟结果发现，该剖面下的工作帮在开采进行到坡角43°时，▽488水平附近首先出现滑坡，紧接▽488水平以下岩体下滑，▽488水平以上岩体则稳定。根据现场观测资料显示，综合确定西露天矿出现滑坡的极限采矿边坡角为42.4°。

西露天矿帮坡角由设计的28°增加到临界滑坡交42.4°时，从已到界500平盘收口，帮坡角增加1°，则可增加煤量75万t，剥离量增加105万m3，按现剥离成本和商品煤价格计算，能够取得8910万元经济效益，陡帮开采极限坡角压煤可释放12.8亿效益产能。

2.3 设计与陡帮边坡角边坡稳定性

采用“边坡工程稳定性MSARMA 评价分析系统”对Ι区2100剖面边坡进行计算，计算将边坡岩土体内分为3 种含水状态，即饱水状态( 排水率0%) 、一般状态(排水率50%) 和干燥状态(排水率100%)，并结合当地的地震基本烈度进行分析。MSARMA法计算力学模型见图2。

表2显示，在无地震及半干与干燥状态下，2100剖面边坡工程处于稳定状态；在无地震天然饱水状态下，边坡的稳定系数均小于1.0，边坡发生失稳破坏现象。采用42.4°边坡角进行开采，各种状态下边坡稳定系数小于1，处于不稳定状态。

图2 MSARMA法计算力学模型

表2 Ι区2100剖面现状及陡帮开采边坡稳定系数

3 陡帮开挖三维稳定变形效应

3.1 计算模型

以平庄矿西露天煤矿Ι区凹型坡2100地质剖面为工程背景(图1)，研究在一定坡高和边坡角下、在分步开挖过程中，随边坡长度的变化而显现出来的三维变形效应，采用MADIS软件构建了如下的三维计算模型，采用M-C准则，模型限制两侧水平移动，底部固定，见图3。

图3 计算模型网格划分

3.2 分析方案

在自重场下处于应力平衡状态的岩土体，随着采矿活动而形成露天矿边坡工程。为模拟边坡在分步开挖过程中显现出来的三维变形效应及力学响应规律，对边坡自上而下分五步开挖，在42.4°陡帮下，按边坡长度的不同(10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、800m、900m和100m)分别进行了十个方案的计算分析。

3.3 变形结果分析

在其他条件相同的情况下，图4、图5所示的边坡的最大水平位移及最大垂直位移随着边坡长度的增加呈现出扁“S”形增长的变化规律，位移曲线呈现出先陡增、接着缓增、最后趋近水平的变化趋势。此外，由图5和图6可见，如以边坡开挖长度100m为界，可将其划分为两个增长速率明显不同的阶段：边坡开挖长度小于100m，位移增长速率较陡；边坡开挖长度大于100m，位移增长速率显著减缓。即可将边坡长度100m作为边坡位移增长速率由陡增到缓增过渡的拐点。

图4 槽中间最大水平位移随开采条宽变化曲线

图5 槽中间最大垂直位移随开采条宽变化曲线

由于该计算模型中边坡开挖长度100m恰为开挖边坡的最大高度，因而，可以推知，当边坡开挖长度小于边坡最大坡高时，在边坡开挖中由于受到两侧岩体较强的夹制作用，致使边坡的三维变形效应显著；而当边坡的开挖长度逐渐大于最大坡高时，两侧岩体对开挖边坡的夹制约束作用趋于减弱，边坡的三维变形效应也将趋于不明显。

基于上述计算结果，在边坡工程实践中，应合理确定边坡的开挖长度，充分利用边坡工程在分步开挖过程中显现出来的三维变形效应，以减小边坡的有害变形。

4 边坡稳定性分析

根据三维陡帮开采数值计算结果中的边坡变形分布图(图6)及前述分析，得到随着开采条宽的增加，边坡变形逐渐增大，两侧岩体对陡帮边坡的夹制约束作用也逐渐减弱，三维效应相应随之减小。在80m时存在拐点，边坡增长的斜率发生突变，这一点看作三维效应失去作用的点，也就是边坡完全变为42.4°边坡的点。在该拐点以前，由于三维效应的存在，边坡的稳定系数处于F28°与F42.4°之间。根据安太堡试验及室内相似材料模拟试验研究，发现三维陡帮开采边坡稳定系数与开采条带宽度近似成线性关系变化。

图6 三维边坡稳定性系数计算分析图

据此建立了如式(1)、式(2)所示关系式。

F=F28°+AL

(1)

(2)

式中：F为三维边坡的稳定性系数；F28°为边坡角28°的平面边坡稳定性系数；F42.4°为边坡角42.4°的平面边坡稳定性系数；L为三维边坡的开挖长度m。

例如，无地震作用时饱和状态下，平庄矿西露天煤矿Ι区凹型坡2100剖面，原有边坡设计(28°)和实行陡帮开采设计(42.4°) 边坡的稳定性系数分别为0.9773和0.4957，即F28°= 0.9773，F42.4°= 0.4957，L= 80m，则饱和状态下三维陡帮开采边坡稳定系数计算公式：F=1.2084-0.00488L。

从表4看出在排水率达到75%以后，给定一个三维陡帮开采边坡稳定系数，其开采条宽变化不大，趋于一个定值。图7给出了三维开采边坡下设计安全系数为1.0、1.05、1.1、1.15下，在不同排水率下对应的开采条宽变化曲线，我们可以结合现场的排水条件，确定排水率，然后确定三维陡帮开采边坡的设计稳定系数，进而从图中得到对应的开采条宽。

根据表3、图7可知，为了保证三维陡帮开采边坡的安全性，在排水率75%的情况下，Ι区凹型边坡三维陡帮开采的最佳宽度为60m，即应用一次采长60m，回填压脚护坡后再采60m的控制开采技术，使边坡的最大变形量控制在安全范围，采用新开采工艺，多采煤炭增产值达5.69亿元。

5 结 论

1) 边坡开挖过程中，边坡向临空区最大位移及最大水平位移随着开挖长度的增加呈现出扁“S”形增长的变化规律，即位移曲线呈现出先陡增、接着缓增、最后趋近水平的变化趋势。边坡位移增长速率由陡增到缓增存在一个过渡的拐点，该拐点可视为边坡三维效应失去的临界点。

2)由于陡边坡的夹制约束，在开挖宽度小于边坡高度时，变形显著，当开挖宽度大于边坡高度时，变形逐渐趋于平缓。

表3 给定三维边坡稳定系数下不同排水率下开采条宽

图7 给定三维边坡稳定系数下不同排水率下开采条宽

3)采用基于边坡三维变形体力学与基于刚体极限平衡分析的MSRAMA法边坡稳态分析的关系式，提出的陡帮开采下边坡三维稳定性系数计算方法，可以得出陡帮开采下边坡三维稳定性随压煤分步开挖宽度的变化规律，给出不同含水率下压煤边坡的最佳开挖宽度。采用该方法既维护了边坡稳定，又取得显著经济效益。

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Three-dimensional stability analysis of pingzhuang opencast coal steep slope mining

ZHANG Guo-feng1，2，Xie Yi1，2，JI Mao-wei3

(1.Institute of Geotechnical engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.Civil & Environment Engineering school，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

The boundary of slope angle incline to conservative in Pingzhuang West opencast mine design，resulting in peeling take too much rock and slope toe large backlog of high-quality coal.In this paper，MADIS finite element program was applied for the analysis of west surface mine of steep slope coal area deformation regularity of different excavation width.The results show that the maximum displacement of excavation space along with the increase of excavation length shows first increased sharply，then slowly increasing，then finally reaching the level of flat “S” type growth law，and there is a critical excavation width，so that the point can be defined as two deformation difference obvious deformation stage.Accordingly establishing three-dimensional slope deformation mechanics and based on the limit equilibrium analysis of MSRAMA law of slope stability analysis relationship，the paper puts forward under the mining of steep slope three-dimensional slope stability coefficient calculation method，and draws steep slope mining excavation by steps the law of three-dimensional stability variation and the optimum of excavation width.This new computational method was successfully applied to the slope in Pingzhuang west opencast mine，obtaining a technical，economic，and social benefit.

opencast mine；slope engineering；steep slope mining；3D deformation effect；the stability factor

2015-01-17

教育部高校博士点基金项目资助(编号：20130023120011)；中央高校基本科研基金项目资助(编号：2012800015DQ)

张国锋(1982-)，男，河南灵宝人，博士后，1982年毕业于中国矿业大学(北京)岩土工程专业，讲师，硕导，主要从事软岩巷道与无煤柱开采方面的教学研究工作。E-mail：zhanggf1982@163.com。

TD85

A

1004-4051(2015)09-0088-05