宝日希勒露天煤矿南帮边坡靠帮开采方案

2021-11-23马婧佳黄浩轩

煤矿安全 2021年11期

马婧佳，王勇，黄浩轩，王珍

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015；2.黄河科技学院建筑工程学院，河南郑州 450063）

煤炭资源作为基础能源和工业原材料，在国民经济体系中占据重要地位[1]。我国露天煤矿产能占据煤炭总产能的15%左右，且该比例呈现逐年递增的趋势[2]。伴随露天煤矿产能、数量的快速增长，边坡稳定性问题日益严峻[3]。

为保障生产安全与经济效益，露天煤矿端帮往往设计一个合理的帮坡角。然而，随着采剥工程的逐步发展，露天煤矿端帮可能存在巨大滑坡隐患。尤其对于软岩露天煤矿，其端帮稳定性问题已成为制约露天煤矿发展的重要课题。针对该问题，广大学者从不同角度进行深入研究，并取得了丰硕的科研成果。吕金星等[4]从力学理论角度分析了端帮边坡时效特性及内排压帮原理，提出了合理的露天煤矿端帮治理措施；张峰玮[5]分析了露井联采下端帮稳定性影响因素，并应用二维极限平衡理论提出露井联采区域端帮稳定性计算方法；周伟等[6]采用FLAC3D软件对端帮边坡进行三维模拟，阐明了靠帮开采中内排压帮对不平衡应力的收敛效应；陈爽等[7]应用数理统计方法分析了端帮边坡裂隙分布规律，并结合边坡位移数据提出合理的端帮监测手段及滑坡防治措施；韩流等[8]分析了露天煤矿开采中采、运、排等工序在空间和时间维度上对端帮边坡稳定性的影响规律，并提出合理的煤矿开采方案。虽然诸多学者对露天煤矿端帮稳定性进行了深入研究，但由于露天煤矿发展形态复杂，对于内排压帮下端帮边坡稳定性变化规律尚无统一定论，尤其对于软岩露天煤矿，其端帮稳定性问题尚未得到有效解决，而大量端帮滑坡事故均发生于软岩露天煤矿开采过程中。

综上所述，软岩露天煤矿端帮稳定性问题对煤矿安全生产带来严重威胁，而在现阶段边坡稳定性分析领域尚未形成统一认识。为此，选取宝日希勒露天煤矿南帮（端帮）软岩边坡作为工程背景，综合运用地质勘察，室内试验，理论分析，数值模拟等方法，对南帮边坡稳定性进行深入研究，阐明内排压帮对边坡稳定性的增强效应，并给出合理的边坡优化措施，为矿山安全生产提供理论保障。

1 工程地质概况

宝日希勒露天煤矿南帮（端帮）边坡地层自上而下依次由新生界第四系、中生界白垩系以及古生界泥盆系构成。其中，新生界第四系全区发育，由湖积、冲积、洪积的表土构成，岩性为粉质黏土。中生界白垩系按岩性组合主要分为4 个岩段：砂、砾岩段以灰色、暗灰色及灰绿色的砾岩以及砂岩为主，中间夹杂薄层泥砾岩和泥岩；砂、泥岩段以灰白色、灰色、深灰色的泥岩以及粉、细砂岩为主，中间夹杂薄层粗砂岩；泥岩段以灰白色、灰色的泥岩以及粉砂岩为主，中间夹杂薄层细砂岩和少量煤层；含煤段岩性以砂岩以及泥岩为主，中间夹杂6 个煤层群，共含有14 组煤层。古生界泥盆系零星出现，其岩性以片理化安山玢岩、绿帘石、安山玄武玢岩和酸性熔岩为主。地质补勘发现南帮边坡1 煤煤层中部夹有软弱夹层，弱层顶底板为煤层，产状与煤层一致，随煤层变化而变化，为层间结构面。由于弱层在地下水的侵蚀下，易发生软化、泥化等现象，导致强度急剧降低，对南帮边坡稳定极为不利。露天开采过程中，随着矿山南帮边坡的逐步降深，坡顶处地表产生局部隆起和裂痕，由监测数据可知南帮边坡变形破坏严重，边坡处于极不稳定状态，严重影响露天煤矿安全生产。

2 边坡稳定性定量分析

2.1 典型地质剖面选取

为科学、合理地评价南帮边坡稳定性，根据地质概况分析，选取南帮边坡N1 剖面作为典型地质剖面。南帮边坡N1 剖面地质断面图如图1。

图1 N1 剖面地质断面图Fig.1 N1 geological section

岩体的强度参数将直接影响边坡稳定性分析结果。因此，科学、可靠地确定岩体强度参数是边坡稳定分析以及数值模拟计算的关键性因素。由地质资料和力学试验得到南帮岩体力学参数，南帮边坡稳定性分析中选取的岩体强度参数指标见表1。

表1 岩体强度参数指标Table 1 Parameters of rock mass strength

2.2 边坡稳定性分析

极限平衡法从静力平衡以及力矩平衡的角度进行边坡稳定性分析，计算过程简单，计算结果准确，是现阶段边坡稳定性分析中应用最为广泛的一种方法[9-10]。采用极限平衡法中的简化Bishop 法对南帮边坡典型地质剖面进行稳定性分析。N1 剖面边坡高度为101 m，整体边坡坡面角为24°，计算可得N1 剖面边坡稳定系数为1.03，N1 剖面稳定性分析结果如图2。

图2 N1 剖面稳定性分析结果Fig.2 Calculation results of N1 slope stability

根据边坡稳定系数选取规范，并结合南帮边坡重要程度、存在时间以及弱层赋存形态等因素，确定南帮边坡安全储备系数为1.2。显然，南帮边坡处于极不稳定的状态，存在巨大的滑坡隐患。由于宝日希勒露天煤矿西帮为内排土场，故在开采过程中，建议选取横采内排的开采方法提高南帮边坡稳定性。根据排土设备的规格要求，排土台阶高度为15 m，排土台阶坡面角为33°，排土平盘宽度为50 m，自下而上共布置4 个排土台阶，同时为保证内排土场具有一定空间储备，将排土台阶工作线长度进行适当延长，内排土场布设简图如图3。

图3 内排压帮布设简图Fig.3 Schematic diagram of the pressure slope via inner dumping

图3 中，b 为矿山南帮排土台阶的工作线长度，显然，b 的取值将直接决定南帮边坡坡脚的位置，进而对边坡稳定性分析结果造成显著影响。

为探究排土台阶工作线长度的合理值，采用简化Bishop 法分析排土台阶工作线长度取得不同值时所对应的边坡稳定性，排土台阶工作线长度与所对应的边坡稳定性之间的关系如图4。

图4 排土台阶工作线长度与所对应的边坡稳定性之间的关系Fig.4 Relationship between the length of working line of waste bench and the corresponding slope stability

由图4 分析结果可知，内排压帮可显著提升南帮边坡稳定性，当内排土场工作线长度达到140 m时，南帮边坡稳定系数提升至1.20，可满足边坡安全储备要求，因此建议南帮边坡排土工作线长度布设应不小于140 m。

3 边坡稳定性数值模拟

边坡的破坏属于空间力学问题，二维分析方法虽然能有效解决边坡稳定性问题，但对于边坡空间形态分析势必存在一定缺陷，而露天煤矿采矿方法的选择受边坡空间形态影响显著。南帮边坡采用横采内排的开采方法，其中，内排追踪距离是横采内排条件下控制边坡稳定性的重要影响因素。采用FLAC3D数值模拟软件分析内排追踪距离对边坡稳定性影响规律，并提出合理的露天开采方法。

FLAC3D数值模拟软件是岩土工程领域应用最为广泛的一款分析软件。该软件通过建立多面体网格拟合实际的结构和构造，对于线性材料以及非线性材料的结构受力特性及塑性流动规律具有良好的模拟效果，同时软件内嵌的显式Lagrange 算法和离散分区技术可对建立的非线性偏微分方程进行分析求解。软件具备运算速率高，占用内存空间小等显著优势，可有效解决大范围三维空间问题[11]。

为分析内排追踪距离对南帮边坡稳定性的影响，建立南帮边坡三维地质模型，并通过FLAC3D数值模拟分析排土工作线长度140 m 前提下，追踪距离为15、25、35、45、55 m 时所对应的边坡稳定性。南帮边坡三维地质模型如图5。

图5 南帮边坡三维地质模型Fig.5 Three-dimensional geological model of south slope

图5 中，H 为三维地质模型高度，H=180 m，D为三维地质模型长度，D=500 m，L 为底沟的宽度，在靠帮回采方案中，这一宽度一般称为采场和内排土场之间的追踪距离。追踪距离为15、25、35、45、55 m 时对应的位移云图如图6。

图6 边坡位移云图Fig.6 Cloud diagrams of slope displacement

由图6 可知，南帮边坡最大位移发生于坡面与弱层相交的位置处，其原因是由于弱层力学性质薄弱，南帮边坡的潜在滑坡模式为以弱层为底界面的切层-顺层滑动，在滑面最前端出现应力集中现象，导致坡面与弱层相交位置产生最大位移。同时，在排土工作线长度140 m 前提下，追踪距离15、25、35、45、55 m 对应最大位移分别为1.05、1.14、1.36、3.04、3.16 m。显然，随着追踪距离增加，1 煤中部赋存弱层逐步暴露，致使采场及内排土场对端帮的支挡效应逐渐减弱，尤其在追踪距离达到45 m 时，最大位移显著增长，此时认为采场及内排土场对端帮的支挡效应已丧失。追踪距离与边坡稳定性关系如图7。

图7 追踪距离对稳定性影响Fig.7 Impact of tracking distance on stability

由图7 分析可得，在追踪距离不超过35 m 时，边坡稳定系数大于1.20，可满足南帮边坡安全储备要求，此时采场及内排土场对端帮支挡效应显现明显。而当追踪距离达到45 m 时，边坡稳定系数急剧降低，此时稳定系数与无支挡效应时边坡稳定系数极为接近，可认为采场及内排土场对端帮的支挡效应近似丧失。因此，建议南帮边坡内排追踪距离不超过35 m。