平朔东露天矿陡帮开采边坡稳定性控制方案

任 鹏，李 伟，丁鑫品，李庆尧

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013；4.中煤平朔集团有限公司 东露天矿，山西 朔州 036006）

目前，我国露天煤矿行业平均资源回收率占比95%，影响煤炭资源回收率主要有边帮压煤、矿山地质较为薄弱、不合理开采以及薄煤层数量较多等因素[1]。露天矿开采境界内由于初步设计或者开采技术的限制使得最终帮坡角偏小，进而形成目前技术条件下可以开采但未采出的端帮下压煤叫做“呆滞煤”。大多数情况下，产生残煤的主要原因一方面是地质条件、构造发育复杂，造成工作面难以正常布置，因此就会产生边角块段；另一方面原因是部分未探明的地质构造形成的保护煤柱，再次探测后的可采部分；主要的原因是设计帮破角较小，造成了端帮所压煤量过多[1-2]。

当矿山地质条件、边坡高度一定时，露天煤矿端帮实行靠帮开采虽然能够保证开采境界内的资源量增加或剥离量减少，增加开采的经济效益，但帮坡角变陡，出现滑坡的可能性随之增加。为此结合平朔东露天矿地质以及现场条件，研究了东露天矿在南帮上部平盘到界，4#煤层已全部揭露，顶板以上台阶已并帮靠界的前提下，分析回收下部4#煤压滞资源的途径与方案以及验算此处的边坡稳定性。

1 边坡变形破坏模式

1.1 数值分析模型

通过对东露天矿原有地质资料进行收集和整理，同时对东露天矿南帮边坡工程地质条件进行研究，选取典型位置剖面，建立边坡稳定性分析地质模型，数值模拟模型的建立拟采用有限差分法FLAC3D分析程序[3-4]，研究采用的岩土体物理力学性质指标是在收集和整理平朔矿区和东露天矿已有岩土体试验研究成果的基础上，基于工程类比法，通过归纳和分析获得[5-7]，计算中的岩体采用理想弹塑性本构模型摩尔--库仑屈服强度准则进行描述；根据研究区域的边坡和地貌特征，综合考虑南帮软弱层、回收4#煤及其下部压滞资源对南端帮边坡稳定性的影响[8]，基于典型工程地质剖面构建的FLAC3D有限差分数值分析模型如图1。模型沿边坡倾向长度为444 m，垂直高度为260 m，模型的前、后、左、右边界为截离边界，根据建立的模型和实际条件确定边界条件。基于以上3 点构成位移边界条件，以保持整个计算剖面的受力平衡，通过计算并分析边坡水平位移、竖直位移和剪应变增量云图，确定在回收4#煤及其下部压滞资源区域边坡潜在滑动部位与滑面形状，并依此预计边坡总体变形破坏趋势。

图1 数值分析模型图Fig.1 Numerical analysis model diagram

1.2 模拟结果

研究剖面边坡剪应变增量云图如图2。边坡剪应变增量较明显的位置主要集中在4#煤回采区域内部及11#煤上部并段台阶内部，4#煤回采区域内部剪应变增量比较明显的主要原因是4#煤上部相邻台阶留设的安全平盘宽度不足，多台阶并段致使基岩台阶过高，稳定性降低，11#煤上部并段台阶内部剪应变增量较明显的主要原因是多个台阶并段导致基岩台阶过高且局部坡面角较陡。

图2 剖面剪应变增量云图Fig.2 Section shear strain increment contour

研究剖面边坡水平位移云图如图3，研究剖面边坡竖直位移云图如图4。从水平位移云图可知，标高1 211～1 245 m 并段台阶受4#煤回采的影响较大，有发生局部区域向临空面滑动的趋势；从竖直位移云图可知，4#煤和9#煤上部岩土体均有竖直向下位移的趋势，尤以4#煤上部并段台阶最为明显。

图3 剖面水平位移云图Fig.3 Horizontal displacement cloud map

图4 剖面垂直位移云图Fig.4 Section vertical displacement cloud map

研究剖面边坡塑性区域分布如图5。塑性区域主要分布的位置在软弱层和并段台阶，软弱层中塑性区域比较集中的原因是抗剪强度相对较低且压缩性较强，在塑性区域较集中的位置易发生局部片帮和崩塌[9]，因此，为了保证安全高效生产，必须及时采取有针对性的治理。

图5 剖面塑性区域分布图Fig.5 Section plastic zone distribution map

2 陡帮开采回收边帮压煤可行性

2.1 方案优化

针对南帮4#煤及其下部压滞资源的分布现状，通过对研究剖面边坡稳定现状展开全面评价[10]，探明边坡稳定状况演化趋势，确定边坡安全工作的重点区域；基于此共研究1 228 m 平盘宽度留设5、10、15、20、25、30 m 6 种方案，分析局部和整体的边坡稳定性；其中南帮标高1 228 m 处留设5 m 安全平盘的情况下，建立研究剖面工程地质模型，剖面边坡稳定性极限平衡分析计算结果如图6。

图6 DLT-NB-L5-01 极限平衡分析计算结果Fig.6 DLT-NB-L5-01 limit equilibrium analysis calculation results

1 228 m 处留5 m 平盘方案中研究剖面边坡岩土体沿4#煤层顶板相邻台阶发生局部滑动的边坡稳定性系数为1.008，小于安全储备系数，边坡失稳的可能性将增加，因此该方案虽然能够回采更多的煤炭资源，但需要投入更多的人力物力，增大成本，同时对矿山安全生产也带来很大的隐患，不推荐此种回采方案。6 种安全平盘留设方案的整体和局部边坡稳定性系数如图7（边坡稳定性系数Fs＞1.2 时边坡稳定，1.1＜Fs＜1.2 时基本稳定，1.0＜Fs＜1.1 时边坡存在一定风险，Fs＜1.0 时边坡不稳定）。边坡稳定性计算结果对应的最终帮坡角如图8。

图7 方案中整体和局部边坡稳定性计算结果Fig.7 Overall and local slope stability calculation results

图8 边坡稳定性计算结果对应的最终帮坡角Fig.8 The final slope angle corresponding to the slope stability calculation result

图7 表明，标高1 228 m 处原设计留设安全平盘25 m 的情况下，边坡稳定性系数为1.236，大于安全储备系数，正常情况下发生整体边坡失稳的可能性较低；安全平盘留设5、10、15 m 的3 种方案，边坡稳定性系数均小于1.1，虽然能够回收较多煤炭资源，经济效益可观，但受4#煤层靠帮影响，南帮边坡应力场再次重新分布，整体台阶稳定性将显著降低，存在局部滑塌、片帮的可能，故此3 种方案不可取；标高1 228 m 处留设安全平盘20 m 时，边坡整体和局部稳定性系数均介于 1.1～1.2 之间，边坡稳定状态还是存在一定的风险，但基本稳定，因此，在保证边坡稳定的前提下，采取留设20 m 安全平盘的方案。原设计留设25 m 安全平盘宽度，为了回采更多的煤炭资源，设计帮坡脚提高1°，且留设20 m 安全平盘，经济效益评价如下：

式中：S 为留设20 m 安全平盘回收压滞煤炭资源的经济效益，元；L1为设计留设安全平盘宽度，m；L2为留设 20 m 安全平盘宽度，m；Hi为煤层厚度，m;H1、H2、H3分别为 4#煤、9#煤、11#煤层厚度，H1=17.94 m，H2=11.43 m，H3=7.92 m；L0为煤层走向长度，m；K 为原煤密度，t/m3；C 为吨煤价格，元/ t。

计算中原煤密度为1.4 t /m3，煤层走向长度约3 km，吨煤价格250 元/t；此种方案多回收煤炭资源为78.309 万t，产生直接经济效益约1.95 亿元。

2.2 陡帮开采边坡安全对策

目前，国内外关于边坡潜在失稳区域的治理措施主要有排水、减载、压脚、加固等几种方法[11-12]。综合考虑东露天矿实际工况，提出2 种方案：①为了保证边坡稳定，建议尽快将下部9#煤和11#煤采出，实现内排压脚；②该回采区域边坡多台阶并段靠帮，建议在潜在失稳区域进行削坡减载。

2 种方案都能保证该回采区域的边坡稳定性，但结合现场工况，坡面角度较大，降雨、爆破振动等因素致使岩体强度降低、结构松散，对斜坡下方平盘造成一定损害，已不具备削坡减载条件；而压脚改变了边坡破坏发生的部位和程度，在上1 个台阶压脚的同时，下1 个台阶也要在原有压脚量的基础上，进一步增加压脚，只有这样才能保证在下1 个台阶上不会出现新的塑性集中区域[13]。内排压脚所达标高对应计算成果见表1。

表1 内排压脚所达标高对应计算成果Table 1 The elevation of the internal pressure foot

由表1 可知,当内排压脚标高达到1 228 m 时，压脚量29.66 m3，回采区域边坡稳定性系数可达到1.215，潜在滑坡危险即可得到有效控制，通过对比分析内排压脚成为保证该区域边坡稳定的首选方案。

3 结 语

基于东露天矿南帮边坡工程地质与现场条件，建立工程地质模型，采用数值模拟分析的方法研究了回收4#煤及其下部压滞资源影响区域边坡的变形失稳机理，探明边坡变形模式；针对现场实际情况提出6 种回收4#煤及其下部压滞资源的方案，通过稳定性计算，对比分析，确定留设20 m 安全平盘的回收方案，该方案中提高设计帮坡脚1°，多回收煤炭资源约为78.309 万t；提出采用留设20 m 安全平盘的回采方案时影响区域边坡稳定性的治理方案：内排压脚和削坡减载，通过对比分析内排压脚成为当前治理该区域边坡变形切实可行且有效的方法。