扎哈淖尔露天矿北帮边坡稳定性研究

2020-05-19徐勇超李苗苗

露天采矿技术 2020年2期

徐勇超，李苗苗

（1.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古扎鲁特 029100；2.霍林河露天煤业股份有限公司南露天矿，内蒙古霍林郭勒 029200）

扎哈淖尔露天煤矿开采境界内可采原煤储量为945.06 Mt，初设开采程序为拉沟降深位置在南部煤层露头处，沿走向布置工作线，沿倾向推进最后平行发展。扎哈淖尔露天矿主采煤层为52、53、54 煤组，北帮边坡走向与岩层层理走向平行，岩层与边坡倾向相反，边坡内511 煤顶板、532、543 煤底板存在泥岩逆倾弱层，对到界北帮边坡的稳定性极为不利，边坡问题将更加明显，尤其是北帮边坡到界边坡形态设计、稳定性控制及压煤回采等问题迫切需要解决。

随着采剥工程及降深工程的发展，其东部北帮（工作帮）首先到界，针对到界北帮边坡实际地质条件，利用刚体极限平衡理论，先从二维角度科学合理的研究到界北帮边坡稳定性、设计合理边坡形态，但二维边坡稳定没有考虑边坡三维效应问题，导致其下部积压一部分煤炭资源[1-3]。为了回采下部积压的煤炭资源，利用强度折减理论，建立三维数值分析模型，借助于横采工作帮、内排土场的空间位置关系，在空间上考虑其边坡三维效应对边坡稳定性的影响，对横采内排位置实施北帮陡帮边坡稳定性研究，在内排压帮前回采这部分煤剥采比小的优质资源，可以创造更多的效益，减少煤炭浪费，提高回采率，同时推动露天矿边坡稳定性分析理论的发展具有重要理论及指导意义[4-6]。

1 工程背景

随着北帮（工作帮）逐步推进及采场重心向西发展，采场北帮东部逐步到达最终地表境界，地表以下作业台阶与平盘逐步达到设计线。若北帮边坡不进行到界设计，将影响内排向西发展，最终导致内排空间不足。若不能进行内排，将导致边坡暴露长度增大，对北帮边坡稳定性将产生的不利影响。为了最大限度采出煤炭资源，有必要研究扎哈淖尔露天矿横采内排位置北帮边坡失稳模式与稳定性变化规律，确定了到界边坡最优边坡形态。根据现阶段采、排位置情况，确定其到界北边坡位置域，走向长度（东西）2 066 m，倾向宽度（南北）最宽595 m。北帮边坡稳定性计算剖面位置平面图如图1。

图1 北帮边坡稳定性计算剖面位置平面图

2 北帮到界边坡稳定性

2.1 工程地质条件

1）岩、土层及煤层分布及特征。通过分析北帮边坡揭露情况、现场踏勘及试验结果可知，横采内排区域地层总体表现为单斜构造，无较大褶曲，只在靠近断层附近，受F27断层影响形成岩层略有弯曲。构成北帮边坡岩体力学强度普遍较低，岩性组合复杂。511 煤层顶板、532 煤层底板和543 煤层底板存在弱层，考虑到边坡在垂直方向上的地层岩性、弱层分布及稳定性是否存在三维效应等因素，将边坡自上而下划分为3 个阶段（511 煤顶板以上、511 煤顶板～532 煤底板、532 煤底板煤顶板～543 煤底板），典型地质计算剖面如图2。

图2 典型地质计算剖面图

2）岩、煤层物理力学参数。结合试验结果、扎哈淖尔露天矿初步设计中的数据，综合确定的到界北帮北边坡稳定性分析计算采用的岩、煤体物理力学指标见表1。

表1 岩、煤体物理力学指标

3）安全储备系数。按照GB 50197—2005 煤炭工业露天矿设计规范中的规定，依据采场、内排土场边坡的服务年限、北边坡上、下部存在运输系统及重要程度等因素，在纵采条件下，将到界北帮边坡自上而下确定安全储备系数。具体内容如下：①由于岩土体指标通过反算获得，精度较高，而且现有边坡已经形成，尽管处于蠕滑阶段，典型剖面511 煤顶板以上边坡保持不变，此位置典型剖面边坡安全储备系数为1.05；②511 煤顶板～532 煤底板区段边坡服务年限较长，较长时期不受内排土场压帮作用，确定该阶段边坡安全储备系数为1.15；③532 煤底板～543 煤底板区段可分为2 种情况，采用纵采时边坡暴露时间较长，选取安全储备系数为1.15；④532 煤以下采用横采开采程序，应用内排追踪压帮技术，边坡暴露时间很短，选取安全储备系数为1.10。

4）计算方法。边坡稳定性计算方法有很多种，二维方法以极限平衡法应用最为广泛，三维方法则以有限差分原理为基础的FLAC3D数值模拟手段应用最为普遍。在分析以上2 种方法适用性的基础上，提出方法选择的原则，为各区段不同类型边坡稳定性分析方法的选取提依据[7-8]。

5）边坡潜在滑坡模式。对于扎哈淖尔露天矿横采内排位置北帮到界帮边坡滑移主要受511 煤层顶板、532 煤层底板和543 煤层底板存在弱层控制，在典型地质剖面位置，存在的F27顺倾断层有可能形成滑体的天然界限，但不会影响整体边坡稳定性。鉴于以上分析，横采内排位置北帮到界的潜在滑坡模式为以圆弧为侧界面、以弱层为底界面的切层-顺层滑动[9]。

2.2 纵采条件下边坡稳定性与形态

1）第1 阶段边坡稳定性与形态（考虑511 煤顶板弱层对北帮到界边坡稳定性的影响）。横采内排位置北帮到界边坡典型剖面第1 阶段（511 煤顶板以上）形态优化与稳定性计算结果如图3。设计台阶高度12 m，台阶坡面角70°，保持运输平台不低于30 m，随着清扫平台宽度增大，边坡稳定性有所提高，当运输平台与清扫平台宽度均为31 m 时，边坡稳定系数刚好满足安全储备系数1.05 的要求。

图3 运输平台31 m、清扫平台31 m 边坡稳定性计算结果

2）第2 阶段边坡稳定性与形态（考虑532 煤底板弱层对北帮到界边坡稳定性的影响）。横采内排位置北帮到界边坡典型剖面第2 阶段（532 煤底板以上）形态优化与稳定性计算结果如图4。设计台阶高度12 m，台阶坡面角70°，保持运输平台不低于30 m，随着清扫平台宽度增大，边坡稳定性有所提高，当运输平台宽30 m、清扫平台宽12 m 时，532底板以上边坡稳定系数刚好满足安全储备系数1.15 的要求。

图4 运输平台31 m、清扫平台12 m 边坡稳定性计算结果

3）第3 阶段边坡稳定性分析与形态设计（考虑543 煤底板弱层对北帮到界边坡稳定性的影响）。横采内排位置北帮到界边坡典型剖面第2 阶段（543煤底板以上）形态优化与稳定性计算结果如图5。设计台阶高度12 m，台阶坡面角70°，保持运输平台不低于30 m，随着清扫平台宽度增大，边坡稳定性有所提高；当运输平台宽30 m、清扫平台宽30 m 时，543 底板以上边坡稳定系数刚好满足安全储备系数1.15 的要求。在二维计算情况下，此时的横采内排位置到界北帮边坡形态为最优到界形态。

图5 运输平台30 m、清扫平台30 m 边坡稳定性计算结果

北帮到界边坡典型剖面各阶段形态优化、稳定性计算结果见表2。

表2 北帮到界边坡典型剖面各阶段形态优化、稳定性计算结果

2.3 横采内排条件下边坡稳定性与形态

横采开采程序对边坡稳定性的作用实质是利用横采工作帮与内排土场对到界北帮边坡的双重支挡作用，减小了边坡的暴露长度与裸露时间，进而改善和提高其稳定性。这种效应主要体现在深部边坡（532 煤以下），随着边坡在垂直方向上向浅部过渡，由于边坡暴露长度越来越大，这种效应将逐渐减小甚至消失。为此，对于横采条件下的采场北帮到界边坡，仅考虑压帮至532 煤层底板，通过对边坡稳定性进行三维模拟分析，进一步优化深部边坡的空间形态与参数。

1）模型的建立。考虑到FLAC3D建模的复杂性，采用CAD-ANSYS 建模再导入FLAC3D生成模拟模型，单元类型为8 节点、4 面体单元，再利用强度折减理论原理，应用简单可靠的摩尔库伦（Mohr～Coulomb）做本构模型进行模拟。以典型剖面现状边坡为研究对象，分别建立了开挖至543 煤层底板时的边坡三维模拟模型。每个模型包括北帮、横采工作帮和内排土场3 个部分，开挖位置通过改变局部边坡角进行调整，坑底弱层暴露走向长度分别为50、100、150、200、300、400、500 m，开挖角度定在532 煤层底板位置，通过空间三维效应研究暴露长度与开挖角度对边坡稳定性的影响。开挖位置示意断面图。开挖位置示意断面图如图6。

2）三维模型数值模拟结果。通过FLAC3D 计算模拟不同弱层暴露长度及开挖坡角三维模型，模拟计算得到到界回采北帮边坡弱层暴露长度及不同开挖坡角条件下稳定性系数结果见表3。边坡稳定性随543 煤层底板弱层暴露长度变化规律如图7。

3 北帮到界边坡最优空间形态

图6 开挖位置示意断面图

表3 到界回采北帮边坡弱层暴露长度及不同开挖坡角条件下稳定性系数结果

图7 边坡稳定性随543 煤底板弱层暴露长度变化规律

根据上述纵采与横采内排条件下边坡稳定性计算结果可知，满足安全储备系数1.1 时543 煤底板弱层暴露长度和深部开挖坡角都有确定的值相互对应。当543 煤底板弱层暴露长度为100 m，开挖坡角为33°，满足安全储备系1.1 要求，当543 煤底板弱层暴露长度为200 m，开挖坡角为25°，满足安全储备系1.1 要求。为了最大限度开采煤炭资源，同时确保北帮到界边坡的稳定性，在边坡高度一定情况下，应尽量增大开挖角度，利用边坡稳定的三维效应，最大能力的采出煤炭资源，最终确定弱层暴露长度为100 m，开挖坡角为33°为最优边坡空间形态，相对于第3 阶段二维边坡稳定性计算结果22°，下部局部边坡角度提高11°，使整体北帮边坡角为由20°变为22°，通过软件计算，按横采内排位置北帮到界边坡走向长度500 m 计算，可最多开采煤炭资源155.7万t。