平朔东露天矿过端帮采空区边坡稳定性研究与治理

2021-10-05邵宾

露天采矿技术 2021年5期

邵宾

（中煤平朔集团有限公司东露天矿，山西朔州 036000）

平朔东露天煤矿煤层的赋存条件为近水平，在开采过程中，考虑到端帮边坡在开挖与内排过程中周期性的形成以及时效性的消失[1]，故对端帮边坡形态进行合理优化，实行陡帮边坡开采压煤回采[2]技术。众所周知，滑坡是露天开采中存在的最大安全隐患之一；随着采矿规模日趋扩大，边坡暴露高度逐渐增加坡度也渐变陡，再加边坡岩土体本身性质结构极其复杂，而且大规模采空区群存在于当前生产的露天境界内，空区长时间受到运输地压及露天开采爆破震动等影响，原岩应力发生了破坏，空区面积大小、高度以及顶板稳定性均发生了改变。在多因素相互叠加作用下，边坡岩体的应力状态和位移变化相较于单一条件下的开采，变得更加复杂[3-4]。因此探究采空区影响高陡边坡稳定性的规律十分重要，学者们对此问题的研究已经取得了部分成果。包括采用了物探、钻探及三维激光扫描相结合的探测技术，确定采空区规模；运用数值模拟的方法分析了采空区位置、跨度对边坡稳定性的影响[5]；通过时效性内排压帮，减少边坡暴露时间可降低端帮边坡出现滑坡的几率等[6]。但采空区对高陡边坡稳定性的影响权重问题，却较少有人涉及。而东露天矿当前向西推进过程中，在现北端帮1320 运输平盘下部发现与端帮线平行、长约50 m 的裂缝，该区域赋存遗留的钻井矿采空区。裂缝区边坡一旦滑落，巨大滑体量会阻断北帮运输干线，使露天煤矿处于停产状态，严重影响矿区的经济效益与安全生产。因此，对北帮裂缝区边坡进行深入的稳定性研究并提出治理方案。

1 边坡破坏机制

1.1 陡帮开采边坡破坏机制

东露天煤矿区主要可采煤层分别为4#、9#、11#煤，平均厚度约30 m，埋藏深度在100～200 m。2019年东露天矿工作帮在由东向西推进中，为增加原煤回采率降低剥采比，根据东露天矿开采计划，实施下部边坡外扩法，进行陡帮边坡压煤回采。保证矿北帮的上部边坡不动，即1350、1320 以及外包运输平盘仍维持原状，仅对下部边坡局部加陡，对1290、北4 下2平盘进行并帮，只保留1260 平盘。对于边坡的境界而言是上部境界不动，下部境界向外扩，从边坡中部的某一个水平开始，下部平盘缩短并帮向外推进。东露天煤矿下部边坡外扩的局部陡帮边坡开采方式示意图如图1，其中直线AC 为原设计边坡，折线ADB表示加陡后边坡，形成了上缓下陡的凸边坡形态，其中三角形BCD 内的阴影区域表示加陡后多采出的煤炭。但进行陡帮回采后，边坡断面形态发生改变，边坡线改变为AB，直接影响整体边坡角由65°变为73°，边坡角增大，局部边坡加陡，边坡坡脚处的剪应力和坡肩附近的张应力会伴随着边坡角加大加陡而产生变化，当坡脚处出现剪应力集中时就会直接降低边坡的稳定程度。

图1 东露天矿下部边坡外扩法局部陡帮开采方式示意图

1.2 采空区影响下边坡破坏机制

由于东露天赋存大量采空区群且北帮1320 平盘下局部出现长35 m 裂缝，公司地质测量中心对东露天矿北帮1320 平盘探采空钻孔揭露空洞进行扫描，发现有空洞位于北帮1320 平盘下方，扫描模型呈椭球状，长轴40.1 m，短轴30.7 m，空洞平均垂高11 m，空洞面积1 150 m2，位于4#煤上方21 m，空洞顶底高程为1 295～1 276 m，此次扫描的空洞位于搜集的钻井矿2006—2007 年采空区范围内。

采空区上覆岩体是随着地质历史发展而形成的复杂地质体，在一定的时间内和一定的工程荷载条件下，上覆岩层应力平衡状态被打破，当应力集中超过岩石支撑力时，应力获得释放，并逐步发展到地表，就会产生非破坏性的塑性变形、剪切滑移和拉张开裂等破坏，当岩体内某一区域内滑动力超过抗滑力，岩体就沿该区域发生裂缝或者滑动，直至出现上覆岩层塌陷冒落。而此次发现的1320 空区长时间受到运输地压及露天开采爆破震动等工程载荷的影响，空区面积大小、高度以及顶板上覆岩层稳定性均发生了改变，直接改变北帮边坡内部原岩应力分布，在应力重新分布过程中某些结构面附近会产生应力集中现象而产生塑性变形和剪切滑移，导致边坡稳定性下降。

综上分析，东露天进行北帮陡帮压煤回采，以及北帮1320 平盘探测发现采空区空洞是北帮出现裂缝的直接原因。经过长时间爆破开采及运输震动影响，必会引发片帮落石甚至滑坡等地质灾害，须进行端帮边坡稳定性分析与治理，保证东露天安全开采。

2 北帮1320 裂缝区边坡治理

2.1 内排压帮

根据露天煤矿开采与内排2 个过程中的时空发展规律、端帮时效边坡理论，由工作帮的不断向前推进以及内排土场不断向前跟进，采场端帮边坡呈现的是从暴露到掩埋的动态过程。采场开挖前后端帮不平衡应力示意图如图2。

图2 采场开挖前后端帮不平衡应力示意图

东露天采场被开挖之前，端帮两侧提供平衡的水平应力，使采场整体结构处于平衡状态。在采场开挖之后，两侧端帮边坡出露，完整岩体结构被破坏，两侧应力由平衡状态转为不平衡地应力，端帮边坡体内的应力向其内侧临空面卸载，在采场逐步推进端帮暴露后，不平衡应力方向发生改变并且迅速向端帮边坡临空面卸荷，方向由最初的水平状态转化成平行于边坡线指向坡脚的向下方向，其卸荷量随时间线性增大，且边坡坡脚处的应力随时间集中程度加剧，同时不存在有效反作用力或结构体来抵消水平方向上的不平衡应力。因此当应力逐渐增大到边坡岩体能够承受的强度时，坡脚会出现一定的塑性破坏，最终可能导致边坡的失稳破坏。

针对当前北帮边坡失稳状态，提高内排土场的跟进速度，并使追踪距离达到生产允许的最小安全距离。根据生产现状，加速开采9#煤、11#煤，进行大坡道时效空间性改移，即定时定距，改移步距80 m；内排跟进，增加内排北1220 土场、1290 反排土场和1320 土场，共有北1220、1260、1290 反排土场和1320、1350、1380 土场，增加排土空间，实现内排压帮。当端帮边坡被内排土台阶压帮时会在一定程度上延缓或阻止塑性破坏，此时压帮台阶的单元体形成了标准梁支撑结构，产生与边坡临空面近似平行向上的应力，进而抵消一部分边坡体内的不平衡应力，且随着压帮高度的增加更多的不平衡力会被抵消。由于内排压帮的台阶推进规律是由下向上，这样端帮坡脚应力集中区域被内排台阶压帮抵消了大部分的边坡体内不平衡应力。同时排土台阶越多，边坡被压帮的位置越高，端帮边坡暴露的高度会越小，且降低了边坡高度，提高了端帮边坡的稳定性。端帮压帮前后的边坡体内应力变化过程的如图3。

图3 压帮前后不平衡应力示意图

2.2 采空区治理

空区处理的实质是：缓和岩体应力集中的程度，转移应力集中的部位并达到新的相对应力平衡，以达到控制和管理地压，保证安全生产。从国内外空区处理方法和经验分析，使用爆破崩落处理法和充填法进行采空区治理[7]。考虑到填充法需要建立地表充填系统且工艺复杂耗时长成本高，为保证施工人员和设备安全，加快采空区处理进度，消除潜在隐患，建议采用爆破崩落法进行处理。计划方案在1320 平盘处理高程1 327～1 287 m 范围空区，即顶板厚度40 m 以内区域。经验值钻机探孔有效成孔深度37 m 左右，有效爆破药柱据空腔顶板厚度5 m 左右，此次炮区采用导爆管雷管网络连接，为保障施工安全，将采用混装铵油炸药装药。经过统计计算，此次爆破空区面积为980 m2，岩石方量V1为38 000 m3，空腔体积V2为7 350 m3。采空区爆破后空腔体积V3为：

式中：P 为膨胀系数，根据经验矿山岩石一般为1.2～1.3。

故经计算可得：V3为=-250～-4 050 m3。

采空区爆破后，空区爆破部位有明显的塌陷。其深度约为7 m 左右。预估算体积约3 580 m3，与V3比较可知，岩石爆破膨胀后的体积基本接近理论体积。此次爆破区域的顶板岩石破碎达到要求。

从爆后现场观测情况判断空腔基本塌陷，本次爆破效果基本达到预期，但仅仅根据现场观测情况无法完全说明，是否存在其他复杂情况尚不明确，空区爆破后静置一周后再行采掘运输，并及时跟进钻进探孔辅助，加强采空区域巡查工作，确保安全。

3 治理前后边坡稳定性分析

采用刚体极限平衡法对边坡的稳定性进行分析，验证边坡治理方案的合理性。考虑到东露天矿北帮边坡的潜在滑坡模式为圆弧滑面滑动，故采用简化Bishop 法（适合于圆弧滑面）[8]。在北帮1320 干道裂缝区域选取工程地质剖面，对边坡进行技术研究。

根据GB 50197—2005 煤炭工业露天矿设计规范第6.0.8 条（款）[9]，服务年限10～20 年的非工作帮边坡稳定系数Fs宜取用1.2～1.3，小于10 年的宜取用1.1～1.2。基于东露天煤矿端帮边坡各构成部分物理力学指标以及边坡工程地质条件的掌握较为清楚全面，且已实现内排压帮，在时空上缩短端帮边坡的暴露面积和暴露时间，资料统计得到端帮边坡最高点暴露时间为32 月；同时端帮除承担运输功能未铺设任何设备，结合规范的要求选取边坡的安全储备系数为1.1。治理前后边坡稳定性分析结果如图4。

图4 治理前后边坡稳定性分析结果

由计算可知，治理前边坡潜在滑面为圆弧滑动，由1350 平盘延伸至11#煤底板，稳定系数为1.067，如图4（a），低于选取的安全系数；经过内排压帮且实施爆破崩落进行采空区治理后，潜在危险滑面由地表延伸至内排压帮位置，计算边坡稳定系数为1.321，如图4（b），大于选取的安全储备系数。经分析，进行治理后的北帮边坡稳定性得到改善。针对1320 平盘出现裂缝，安排相关部门每日对危险区域进行巡查进行详细记录；同时建议东露天矿在北1320 平盘欠稳定区布置位移监测仪，实现边坡位移数据的连续采集；在边坡变形位移量及变形速率较大时，实现预警，确保人员及设备的安全。