煤层自燃对高陡露天矿边坡稳定性的影响与防治对策

2022-01-26罗科，高瑜，张斌

煤矿安全 2022年1期

罗科，高瑜，张斌

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，山西河曲 036500）

露天煤矿生产过程中，端帮边坡下部暴露煤层极易发生自燃现象，煤层自燃不仅造成资源的浪费，所形成的空区也会诱发台阶片帮，影响边坡整体稳定性。因此，开展煤层自燃对边坡稳定性影响研究对露天煤矿安全持续生产具有重要意义。

国内外学者就各因素对边坡稳定性影响方面开展了大量研究，并取得了丰硕的成果。Petrovic等[1]利用极限平衡方法分析了水淹后内排土场边坡的稳定性，认为饱水状态排土场稳定状态能够得到保证，露天排土场排水后边坡仍能保持稳定；Azhari等[2]建立了177个受地震影响的露天矿数据库，分析了地震对边坡稳定性的影响；Chen等[3]研究了构造应力和构造面对边坡变形失稳的影响机理，通过对布沼坝露天矿区域构造的分析，确定了布沼坝矿在构造应力作用下的主应力方向为123°，确定了边坡的滑动方式和判别条件；Li等[4]以永平铜矿为例讨论了边坡在不同降雨条件下的响应特征，分析了边坡在降雨过程中和降雨后的安全系数和破坏概率；刘云生等[5]以兴顺露天煤矿为例分析了无水位与雨季水位两种状态下层状软岩边坡的稳定性，并提出了相应的边坡防滑措施；王旭春等[6]分析了影响安太堡露天矿北帮边坡蠕滑因素，提出了该区域边坡蠕滑机理，认为持续降雨是该区域发生蠕滑的主要因素；赵洪宝等[7]借助于相似模拟试验，研究了不同振动频率下排土场边坡不同粒径物料的运移方式，分析了振动作用下散体边坡的失稳机理；崔铁军等[8]以某露天矿为工程背景，借助于颗粒流软件PFC3D软件模拟再现了残煤自燃至不同深度时边坡岩体的破坏过程；田华等[9]采用极限平衡方法计算了不同自燃深度时黑岱沟露天矿端帮边坡的安全系数，认为提高火烧煤层这一关键层的力学参数是保证边坡稳定的合理措施。

综上所述，国内外学者在降雨、振动、煤层自燃等因素对边坡稳定性的研究方面开展了大量的工作，而关于煤层自燃引起边坡失稳的机理探讨方面鲜见报道。为此，以河曲露天煤矿为工程背景，在分析煤层自燃范围对边坡稳定性影响程度的基础上，探讨了煤层自燃引起边坡失稳的机理，并结合露天矿自身工程特点，提出了边坡灭火措施。

1 露天煤矿生产地质条件概况

山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司煤矿位于河曲县城旧县乡范家梁村、硬地峁、何家焉一带，行政区划属河曲县旧县乡。2009年通过兼并重组，原河曲县范家梁石堡子煤业有限公司等8座煤矿，成立的山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，整合后批准开采8#～14#煤，采用露天开采的方式，生产规模300万t/a，矿田面积24.9536km2，于2012年正式开工建设，建设工期36个月。2017年生产能力由300万t/a核增为800万t/a。

露天矿区从老至新发育的地层主要有奥陶系中统上马家沟组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组和下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，新近系上新统，第四系上更新统。岩性以石灰岩、泥岩、砂质泥岩、煤层、砂岩，第四系为主，其中第四系大面积覆盖于各地层之上，厚度为0～112.50m，平均为39.18m，岩性主要为浅黄色亚砂土、砂土，垂直节理发育，直立性好，常形成各种微地貌景观，与下伏地层呈角度不整合接触。

露天矿主要存在F1～F33条断层，其中F1、F2断层均位于矿田东北部边缘，走向NW，倾向NE，落差20～100m；F3断层位于矿田首采区东部，属正断层，走向NW，倾向NE，倾角65°，落差约5～10m，矿田内延伸长度约680m，由采掘揭露控制。

矿田西边界紧邻黄河，矿田内沟谷平时基本干枯无水，只有雨季时才有降雨排泄，自东而西流入黄河，属黄河流域黄河水系，气候条件表明降雨对边坡稳定性影响不大。

目前，山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司露天煤矿主要进行首采区的开采工作，剥离物排弃已完全由外排转为内排土场排弃作业。露天煤矿生产现状如图1。

图1 露天煤矿生产现状Fig.1 Production status of open-pit mine

由图1可知，东帮、西帮为露天矿两端帮，内排土场已进行了压帮处理，但为了保留最小开采作业空间，仍需暴露端帮部分边坡。西端帮边坡高度121.6m，边坡角度37°，东端帮边坡高度165.1m，边坡角度27°，生产过程中发现西帮边坡主采煤层13#、11#煤层均出现了不同程度的煤层自燃现象，着火点位于边坡下部。随着煤层不断自燃，形成的采空区失去了对边坡上部岩土体的支撑作用，边坡极有可能发生失稳滑坡。

2 煤层自燃对边坡稳定性的影响

2.1 天然状态边坡稳定性

首先计算露天矿两端帮天然状态下现状边坡的稳定性。边坡稳定性计算采用极限平衡方法，该方法在工程中应用广泛，也是纳入设计规程的边坡稳定分析的重要和常用方法，根据地质结构面形成滑体的边界条件，对于圆弧滑动、平面滑动、曲面滑动、楔体滑动等多种滑动模式均有相应的计算公式。该方法是以莫尔-库仑抗剪强度理论为基础，建立滑坡体力或力矩平衡方程，通过一定的假定条件，减少未知量的个数，从而将边坡稳定的超静定问题转化为静定问题，然后求解方程组，得到边坡的安全系数[10-11]。边坡稳定性评价时安全储备系数根据GB50197—2015露天煤矿工程设计规范要求确定，边坡安全系数取值见表1。

表1 边坡安全系数取值Table1 Values of safety factors of slope

根据表1的要求，考虑到露天矿东、西两端帮为非工作帮边坡，且有内排跟进，为临时性边坡，服务年限小于10年，安全储备系数设置为1.1 。

边坡稳定性计算的前提是建立数值计算模型，边坡稳定性计算模型建立包含边坡形态的建立与边坡岩层的确定2个步骤。首先，根据露天矿2020年10月份验收图建立露天矿采掘场三维面模型，借助于3Dmine矿业工程软件中实体切割功能，沿典型计算位置切割形成边坡剖面形态；其次，根据计算位置附近勘察钻孔柱状图确定计算剖面岩层信息。露天矿东西两帮边坡稳定性计算各选取1个典型剖面。

边坡稳定性计算中最重要的是确定各岩层的岩土物理力学参数值，计算过程中涉及的岩层力学参数值均是根据露天矿前期开展的边坡稳定性研究工作报告中选取，计算过程中的岩土体物理力学参数值见表2。

表2 岩土体物理力学参数值Table2 Mechanical parameters of rock and soil mass

利用Rocscience Slide6.0 边坡稳定性分析软件分别计算西帮与东帮边坡稳定性，端帮边坡稳定性计算结果如图2。

图2 端帮边坡稳定性计算结果Fig.2 Calculation results of stability of west section

由图2可知，东、西两端帮计算剖面所处位置均已降深至可采煤层13#煤层底板，所不同的是东帮内排土场还未跟进到计算剖面位置，而西帮考虑到降低二采区回采时剥离量，采取留沟的方式，并未开展内排压帮工程。

计算结果表明，西帮边坡安全储备系数为1.107，东帮边坡安全储备系数为1.202 。两端帮边坡安全储备系数均高于设定的安全系数值，满足设计规范对边坡稳定性的要求，但考虑到西帮安全系数值与储备值较为接近，且西帮不采取内排压帮工程，应注意西帮边坡稳定性情况。

2.2 煤层自燃范围对边坡稳定性的影响

西帮煤层存在自燃现象，自燃煤层为13#煤层，现场采取了剥离物料覆盖，但仍能看出煤层自燃问题并未解决。

煤层自燃是1个复杂的物理化学过程，一般包括水吸附、化学吸附、煤氧复合物生成、燃烧初始、快速燃烧阶段。主要研究煤层自燃程度对边坡稳定性的影响，认为随着煤层的自燃，煤层的强度不断降低，有效支撑体积不断降低，因此，模拟主要考虑煤层燃烧初始阶段与快速燃烧阶段，并且认为煤层自燃引起的温度升高对临近煤层岩体的力学性质影响不大，不考虑温度场变化的影响[12]。

借助于FLAC3D软件研究煤层自燃过程对边坡稳定性的影响，利用建立的西帮地质剖面，考虑平面应变问题，建立三维地质模型，借助于FLAC3D前处理插件Rhino5.0 进行网格细化，Rhino5.0 是1个基于三维CAD软件的通用交互式网格生成插件，能够用于再啮合犀牛表面网格以适应精确大小规格和类型（三角形或四边形区域）。表面网格可以作为Griddle体网格的边界，生成高质量的四面体或六面体网格。体网格能够导入到大多数工程分析软件包，包括FLAC3D。建立的三维数值计算模型如图3。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

为了模拟煤层的自燃过程，采用递进式模拟方法，反映煤层的不同燃空深度，沿煤层倾角方向煤每燃烧5m进行1次模拟计算。不同自燃阶段边坡位移云图如图4。边坡水位移与自燃深度关系曲线如图5。边坡安全系数与自燃深度关系曲线如图6。不同燃烧阶段边坡最大剪切应变量云图如图7。

图4 不同自燃阶段边坡位移云图Fig.4 Cloud image of slope displacement at different stages of spontaneous combustion

图6 边坡安全系数与自燃深度关系曲线Fig.6 Relation curve between safety factor and spontaneous combustion depth

图7 边坡最大剪切应变量云图Fig.7 Cloud images of maximum shear strain of slope

由图4可知，随着煤层不断自燃，边坡位移等值线逐渐下移，最大位移值不断增加，边坡潜在滑移范围逐渐变大。根据文献[13]提供的根据位移等值线判断潜在滑移面的方法，可得在燃烧第1阶段，潜在滑移面出口存在2种可能：950平盘切出与13#煤层底板切出。在燃烧第4阶段，边坡体仅存在1个潜在滑移面，潜在滑移面以第四系黄土层为入口，贯穿边坡整体，由13#煤层底板切出。

由图5可知，随着煤层不断自燃，自燃形成的空区体积越来越大，空区对边坡稳定性的影响越来越大，边坡水平位移随着煤层自燃深度的增加逐渐增大，二者近似呈二次函数规律。

图5 边坡水平位移与自燃深度关系曲线Fig.5 Relation curve between displacement and spontaneous combustion depth

由图6可知，计算所得边坡安全系数随着煤层自燃程度的不断增加而逐渐减小，且边坡安全系数与煤层自燃深度近似呈二次函数规律。煤层第1阶段边坡安全系数为2.86 ，煤层第3阶段边坡安全系数为1.93 ，前3个阶段煤层自燃并未引起边坡整体滑移，安全系数下降32.5 %；燃烧第4阶段边坡安全系数为1.04 ，边坡处于临界失稳滑塌状态，安全系数由燃烧第3阶段至燃烧第4阶段下降了46%，边坡安全系数随着煤层自燃逐渐降低，且降低速率逐渐增加，煤层自燃引起的边坡失稳滑塌具有突发性。

由图7可知，随着煤层自燃体积不断增加，边坡最大剪切应变量云图上集中带范围逐渐增大。集中带范围可反映煤岩体破断情况，煤层第1阶段燃烧后，应变集中带处于煤层顶板靠近坡面处，第1阶段煤层燃烧后其上部岩层可能发生小范围的破断；第2阶段与第3阶段随着煤层自燃形成的空区体积进一步增大，应变集中带范围也继续增大，向边坡上部与深部扩展，表明煤层自燃范围增大后，上部岩层发生更大范围的破断，但边坡并未形成整体的滑移破断趋势；第四阶段煤层自燃后，形成的空区进一步增大，煤层上部岩体发生更大范围的破坏，下部岩体不足以支撑边坡整体稳定性，边坡体出现贯穿的应变集中带，边坡发生失稳滑坡。

综上所述，煤层自燃引起的边坡失稳是煤层上部岩体损伤渐进累积引起的突然破断过程。随着煤层的不断自燃，煤层上部岩体会“悬空”，形成“悬臂梁”，煤层自燃早期，空区体积不大，形成的悬臂梁暴露面积不大，上部岩体能够自稳，仅发生局部损伤；随着煤层自燃范围不断扩大，悬臂梁暴露范围也不断加大，当上覆岩层受到应力超过其抗拉强度时，岩层会发生突然的破断，大范围岩层的突然破断带来的冲击振动极有可能诱发边坡的失稳滑塌。

2.3 边坡稳定性防护措施

由上述分析可知，任由边坡中煤层自燃，必然会引起大范围的边坡失稳滑坡，且考虑到西帮需留沟并不开展内排压帮工程，露天矿西帮需要采取边坡煤层的防灭火措施。常用的边坡煤层防灭火措施主要有以下几种：

1）水消法。水消法主要分为2种：①煤层表面防灭火，主要借助人工或滴灌的方式向煤层洒水，熄灭火源；②煤层内部防灭火，借助于钻孔或沟槽向煤层内部注水，实现降温灭火的功能[14]。

2）注浆/复合胶体法。注浆法是通过钻孔将浆液/复合胶体注入煤层内部，一方面可以降低煤层内部温度，另一方面起到隔绝氧气的作用，从而实现煤层灭火的目的。

3）挖除火源法。挖除火源法是在确定煤层自燃范围后通过直接开挖的方式将着火煤层挖除，该方法最为直接也是非常有效的方法，但考虑到高陡边坡稳定性问题，存在一定风险，该方法在高陡边坡中应用不多。

4）喷洒化学阻剂法。该方法直接在自燃煤层表面喷洒化学阻化剂溶液，阻化剂溶液覆盖并渗入煤层内部，隔绝空气，达到煤层灭火目的。

5）覆盖法。覆盖法主要是在自燃煤层上部覆盖黄泥浆、土岩物料实现隔绝氧气的功效，从而达到防灭火的目的。

河曲露天煤矿坑内并无积水，采用水消法需要重新建井，并且该方法需不间断喷水，对水资源与能源消耗量较大，水消法不适合于露天矿的防灭火工程；注浆法可以很好地解决煤层自燃问题，但考虑到露天矿边坡长度较大，该方法工序繁琐，成本较高，注浆法亦不适合于露天矿的防灭火工程；喷洒化学阻剂法的缺点是有效性比较短，并不适合与露天矿长期防灭火的要求。河曲露天煤矿目前采用了岩土物料掩埋自燃煤层的覆盖法，应用效果并不理想。

综上所述，传统的煤层防灭火方法并不适合于露天矿自身的工程特点，考虑各传统方法的优势及防灭火的原理，提出采用挂网锚喷的方式实现对露天矿边坡煤层台阶的封闭与防灭火。挂网锚喷方法通过向煤层台阶喷射混凝土实现煤层与氧气的隔绝，达到防灭火的目的，为了保证混凝土喷层长久可靠性，在混凝土喷层中加入金属网，并采用锚杆固定金属网。该方法一方面可以解决煤层自燃问题，另一方面可以提高煤层台阶强度，起到边坡防护作用。