露天矿构造结构面对端帮靠帮开采过程中稳定性的影响

2022-02-10王术峰杨志勇胡桂林

煤矿安全 2022年12期

王术峰，杨志勇，胡桂林

（新疆天池能源有限责任公司，新疆昌吉 831100）

煤炭的形成过程中会伴随着一系列地质构造，这使得在煤层附近经常出现不同级别和类型的构造结构面，如节理、断层、裂隙、软弱夹层等[1-2]，所以在露天矿端帮两侧边坡内的煤层周围会存在许多复杂的构造结构面[3]。结构面是影响边坡稳定性的一个重要的内部因素[4]，但为了节约资源并提高经济效益，当露天矿端帮压煤较多时，矿区经常会对含有结构面的端帮边坡陡帮开采来回收煤炭资源[5]。而近年来，含断层的露天矿边坡在采动过程中的稳定性问题日益突出，断层地质构造造成滑坡对人们的生产、生活带来巨大损失[6]，因此，在陡帮开采回收端帮压煤过程中研究结构面对边坡的影响具有重要意义。

现有研究中，许多学者对赋存构造结构面边坡稳定性进行了研究。曹兰柱等[7]为研究露天矿含断层复合边坡稳定性，采用刚体极限平衡法与数值模拟的方法，分析得出构造结构面的存在会使边坡稳定性明显下降，而边坡面空间位置的不同对边坡稳定性的影响不明显；蒋军等[8]为研究露天矿含断层边坡敏感性，采用结合正交试验和数值模拟的方法，分析得出构造结构面倾角在边坡稳定性影响中占主导因素；梅开品等[9]采用数值模拟分析对露天矿含断层岩质边坡变形破机理进行研究，分析得出断层对边坡稳定稳定性起到直接控制作用，且断层的位置将会控制整个边坡的滑移面以及滑移区域。基于此，通过对含有不同结构面边坡稳定性的研究，得出了露天矿陡帮内排全过程的稳定特性与潜在滑动面演化特征，为含有结构面边坡选择安全合理的陡帮开采方案提供理论依据。

1 露天矿靠帮开采技术

露天矿进行开采过程中，端帮压煤量巨大，而内排土场在采场中形成组合梁结构，对端帮边坡起到良好的支撑效果[10]，端帮边坡由长期暴露转变为短期暴露后掩埋，采用基于时效边坡理论的陡帮开采技术可回收巨厚煤层下压大量煤炭资源[11]。露天矿陡帮开采及内排土场分布如图1。

图1 露天矿陡帮开采及内排土场分布Fig.1 Mining and distribution of inner dump

传统露天矿边坡设计时，将两侧端帮视为永久性边坡，稳定系数要求较高，一般两侧端帮也布设了相当数量的运输平盘，为了保证开拓运输系统的平稳运行与端帮边坡的稳定，必须牺牲相当数量的端帮下压的煤炭资源，尤其是巨厚煤层的露天矿山，下压煤炭资源浪费尤为严重。针对这一不合理的露天矿山设计方法，基于时效边坡理论的陡帮开采技术已经在越来越多的矿山得到应用。如图1，在保证两侧端帮在其服务周期内稳定的前提下，保持煤台阶顶点B 固定不变，坡脚由D 点推进至C 点，可实现BCD 区域煤炭资源的回收，然后内排土场进行压帮内排，保证了陡帮台阶及整体端帮边坡稳定性，具有显著的经济效益，可实现端帮下压煤炭资源的高效安全回收。

2 数值计算软件及岩土体物理力学参数

数值计算采用GEO-Slope 软件进行边坡稳定性计算。靠帮开采及内排回填过程采用FLAC3D软件对边坡进行建模分析，FLAC3D是一种利用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术来数值模拟分析的三维有限差分软件，FLAC 进行数值模拟时，采用有限差分法进行分析，在计算过程中，其准确性及计算速度与模型结构和网格的疏密程度有直接联系。网格划分的足够精细，得到的最危险滑动面将无限接近与实际滑动面。

分析的边坡岩体共分4 种岩性，从上至下分别为上覆岩层、煤层、基底以及构造结构面，各地层的岩土体物理力学参数见表1。

表1 各地层岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass of each stratum

3 不同结构面参数对边坡稳定性的影响

3.1 构造结构面长度对边坡稳定性的影响

为了探究不同构造结构面长度对于边坡稳定性的影响情况，对含有构造结构面边坡模型进行数值计算分析，建立不同构造结构面长度的边坡模型，构造结构面在边坡模型内部倾角固定为30°，距边坡角固定为50 m，构造结构面的长度从0 m 到400 m，50 m 为1 个间隔。不同结构面长度下端帮边坡稳定性如图2，不同构造结构面长度下边坡稳定性变化如图3。

图2 不同结构面长度下端帮边坡稳定性Fig.2 Stability of side slope at the lower length of different structural faces

图3 不同构造结构面长度下边坡稳定性变化Fig.3 Change of slope stability under the length of different structural surfaces

可以看出，在不同构造结构面长度下，边坡最危险滑面位置及其形态各异，由此可见，边坡在发生失稳破坏瞬间的滑面形态和构造结构面相关，在无构造结构面的边坡坡体上部区域，边坡滑面呈现典型圆弧滑动面形式，在含构造结构面的边坡下部坡体区域，边坡坡体呈现出明显的沿构造结构面滑动趋势。随着构造结构面长度的增大，边坡稳定性逐渐降低。在无构造结构面情况下，边坡稳定系数较高为1.439，当构造结构面长度为50 m 时，物理力学性质较弱的构造结构面完全位于边坡下部基岩段，与边坡潜在滑面相交，所以其稳定系数与无构造结构面情况下相同都为1.439，随着构造结构面长度的进一步加大，边坡稳定系数持续下降，当构造结构面长度为150 m 时，边坡稳定系数有了大幅下降，当构造结构面长度大于200 m 时，边坡稳定性系数已低于1.1，不能满足矿山临时边坡的稳定系数要求，随着构造结构面长度的进一步加大，边坡稳定系数低于1.0，在这种台阶布设方案下，边坡处于极不稳定状态。

3.2 结构面距坡脚位置对边坡稳定性的影响

为探究构造结构面距离坡脚的不同距离情况下，边坡稳定特性及发生临界失稳时其内部滑移面变化情况，通过建立不同边坡数值计算模型，计算其稳定性及变形特征，采用GEO-Slope 软件建立数值计算模型，设置50、100、150、200、250 m 共5 种构造结构面距离坡脚距离情况下数值模型计算其稳定性。不同构造结构面距坡脚距离边坡稳定性计算如图4，不同构造结构面距坡脚距离下边坡稳定性变化如图5。

图4 不同构造结构面距坡脚距离边坡稳定性计算Fig.4 Stability calculations of slope distance from slope foot of different structural structures

图5 不同构造结构面距坡脚距离下边坡稳定性变化Fig.5 Stability change of slope distance from slope foot of different structural structures

构造结构面距坡脚距离不同时，边坡滑体范围与稳定情况均有所不同，随着构造结构面位置的内移，软件自动搜索的最易滑体的范围与构造结构面相交，分布范围也随之变大。构造结构面在距离坡脚50 m 时边坡稳定系数低于1.10，不能满足矿山对于临时边坡稳定性的要求，随着构造结构面赋存位置距边坡临空面的距离不断变大，边坡稳定系数逐渐增大，在距离超过200 m 时稳定系数增加幅度最大，稳定系数接近无构造结构面情况下的边坡稳定系数，说明构造结构面距坡脚距离大于200 m 时对边坡稳定性影响较小。

4 结构面对靠帮开采及内排回填稳定性的影响

4.1 含结构面端帮靠帮开采数值计算模型

含构造结构面边坡计算模型如图6。

图6 含结构面边坡计算模型Fig.6 Calculation model of structural surface slope

边坡模型长720 m、高240 m，模型参考某巨厚煤层露天矿山实际参数，整体边坡角度为30°，岩台阶高度15 m，煤台阶高度为10 m，坡面角为60°，共布设保安平盘5 个，运输平盘3 个，构造结构面厚度5 m。为了回收端帮下压煤炭资源，本次陡帮开采工程采用上部境界不动方案，即端帮边坡中煤层上覆岩层剥离台阶不再变动，缩减下部煤台阶宽度。在进行陡帮开采后，此端帮边坡下部煤台阶取消运输平盘，原有6 个煤台阶含有4 个保安平盘和2 个30 m 运输平盘，进行陡帮开采后，煤台阶进行并段处理，煤台阶高度由陡帮前10 m 变为30 m，煤台阶区域仅设置1 个5 m 的保安平盘。在陡帮开采结束后，边坡稳定性较矿山其它区域的长期边坡而言，稳定性有所下降，需及时对此端帮临时性边坡进行内排回填，以增加其稳定性，排土台阶高度30 m、宽30 m，内排台阶坡面角度为33°，排土台阶共分2层，下部排土台阶进行4 次排土过程共120 m，上部排土台阶进行3 次排土过程共90 m。

4.2 结构面对端帮靠帮开采期间稳定性的影响

构造结构面位于端帮体内部，其物理力学性质较弱，易使边坡内部裂隙扩展逐渐贯通，形成边坡的变形甚至失稳。在边坡岩体内部，不同构造结构面赋存位置情况下，边坡在破坏模式和滑坡机理都会有所不同，边坡滑体范围及形态也随着构造结构面在边坡内部赋存不同有所差异。为此，探究构造结构面在露天矿边坡岩体内部的不同赋存条件下，如构造结构面在边坡岩体中，构造结构面长度及距离坡角距离对边坡稳定性及陡帮开采及内排回填过程的边坡内部变形破坏演化规律，不同结构面赋存下端帮靠帮开采模型如图7。基准结构面厚度5 m，长度200 m，距离靠帮开采结束后坡脚50 m，长结构面长度为300 m，距坡脚远结构面模型，结构面距离距离靠帮开采结束后坡脚200 m。

图7 不同结构面赋存下端帮靠帮开采模型Fig.7 Lower side slope mining models for different structural surfaces

在长结构面情况下，进行陡帮开采前，边坡内部最大剪切应变增量分布大致呈圆弧状分布于边坡内部，并未与构造结构面出现相交或重叠，随着陡帮开采的进行，最大剪切剪切应变增量分布范围向边坡临空面处移动，在第4 次陡帮煤台阶被开采结束时，边坡岩体内部最大剪切应变增量分布出现了较大变化，分布范围以左侧大面积圆弧状为主，在与构造结构面相交处也出现了最大剪切应变增量的分布，随着陡帮开采的进一步进行，煤台阶持续并段，最大剪切应变增量分布逐渐向边坡临空面处移动，与构造结构面重叠区域越来越大，表现为典型的剪切圆弧-弱层滑坡模式，到陡帮开采结束时，最大剪切应变增量基本沿构造结构面分布，表现出沿弱层滑动模式，说明本次数值模拟设置的300 m 构造结构面在边坡陡帮开采前期并未起确定性因素，但在陡帮开采过程中，构造结构面为边坡失稳变形的主导因素。随着陡帮开采结束内排压帮的进行，最大剪切应变增量分布范围离开构造结构面，分布于边坡内部呈圆弧状滑坡，当内排台阶次数进一步增加，最大剪切应变增量分布于内排台阶，边坡发生失稳破坏时，首先为内排土场发生破坏。

在距离边坡临空面较远的构造结构面赋存条件下，边坡在临界失稳状态时的最大剪切应变增量分布规律有了较大变化，较无构造结构面和距离坡脚较近的构造结构面赋存下，无论在陡帮开采的哪一阶段，边坡岩体内部的最大剪切应变增量分布范围都更靠近远离边坡临空面侧，基本与构造结构面重叠，为圆弧状滑坡模式。在陡帮开采结束后进行内排回填过程中，在第3 次内排结束后，内排土场平盘宽度达到90 m 后，边坡内部最大剪切应变增量由端帮内部分布转为排土场，随着内排的持续进行及第2 层内排台阶的排弃，最大剪切应变完全分布于排土场，在上下2 层排土场间距为30 m 时，在临界失稳状态时，内排土场出现了最大剪切应变增量的贯通。

不同长度构造结构面下陡帮开采过程边坡稳定性变化如图8，不同构造结构面距坡脚距离下陡帮开采过程边坡稳定性变化如图9。

图8 不同长度构造结构面下陡帮开采过程边坡稳定性变化Fig.8 Slope stability changes of steep mining process under different length structural surfaces

图9 不同构造结构面距坡脚距离下陡帮开采过程边坡稳定性变化Fig.9 Slope stability changes of steep mining process of different structural surfaces from slope foot

露天矿端帮内部构造结构面长度不同，边坡在临界失稳状态下的应力应变情况及滑坡模式会有所不同，稳定性系数也会有所变化。图8 为不同构造结构面长度下陡帮开采过程边坡稳定性变化规律，分为无构造结构面、构造结构面长度为200 m 的基准构造结构面和长度为300 m 的长构造结构面，距边坡临空面距离及构造结构面倾角均一致。由图8 可知，从整体来看，无论是陡帮开采及内排回填的哪一阶段，构造结构面长度越长边坡稳定性越差。在陡帮开采阶段不同长度构造结构面条件下，稳定性变化规律大致相同，随着陡帮开采的进行稳定系数逐渐降低，随着内排回填的进行稳定系数都出现增大的变化，随着内排次数的增加稳定系数增加速率变小。长度不同的构造结构面在内排回填进行到第4次后直至结束，边坡稳定性系数基本一致，由最大剪切应变增量分布规律可知，在内排的持续进行过程中，端帮边坡由于受到压帮作用稳定系数出现上升，边坡临界失稳时的最易滑面也未出现在端帮边坡内部，而出现在内排土场台阶。

由图9 可知，随着陡帮开采的进行，煤台阶进行并段，不同构造结构面距坡脚距离下，边坡稳定系数均逐渐减小。内排压帮过程中，内排物料起到了减小坡脚附近剪应力、增大水平应力的方式来控制坡体内剪切应变增量的发展及位移的增大，从而发挥内排物料的压脚作用，在构造结构面距离边坡临空面距离不同时，内排台阶仍然发挥了较好的压帮作用，随着内排次数的增加，边坡稳定性也随着提高。