露天采场邻近边坡下空区群稳定性分析及其治理

李晓路

（山西忻州神达朝凯煤业有限公司，山西 忻州 036702）

山西忻州神达朝凯煤业有限公司由神达能源、西沟煤业、贾家堡煤业等6 座煤矿整合形成，西沟煤业、贾家堡煤业等其他煤矿在整合前的开采方式为井工开采，2009 年整合后神达朝凯煤业采用露天开采作为开采方式。矿田现可开采煤层包括2#、3#、5#煤层，面积为8.26 km2，生产能力为120 万t/a。由于历史原因形成的地下采空区未充填处理，而采空区对矿山安全生产具有重大影响[1]。根据矿山现有采空区研究报告得知，矿区南部盘区采空区群稳定性较差，主要为原贾家堡煤业所在位置，集中在2#、5#煤层。随着露天开采计划的推进，可能导致空区上部边坡垮塌或者滑坡，为此需对南部该部分空区群对南部边坡稳定性影响进行研究，以确保矿山安全生产。空区群对边坡稳定性影响常用的研究方法包括极限平衡理论分析[2]、数值模拟[3]和相似实验[4-5]。本文基于Ansys 软件对南部盘区进行数值模拟计算，并结合强度折减理论对边坡安全系数进行计算，最后根据模拟结果为空区治理提供相应建议。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

朝凯煤业南区原贾家堡煤业所处边坡最高点为1791 m，最低点标高为+1610 m，边坡倾向约为东北偏北32.3°，倾角为17.5°。2#、5#煤层为本井田赋煤区稳定可采煤层，2#煤层厚3.34～7.89 m，平均5.60 m，倾角为8°；5#煤层厚6.83～19.17 m，平均11.24 m，倾角为8°。奥陶系中统的石灰岩在矿田南部边坡西南侧出露，岩溶发育，受降雨、河水和冲积层潜水补给。矿田内无常年流水性河流，只发育季节性排水冲沟，季节性流水由冲沟排出，水文地质条件简单。

1.2 空区分布

矿区南部盘区原贾家堡煤业边坡下2#、5#煤层空区分布情况为，2#煤层中分布着2-1、2-2、2-3空区，5#煤层分布着5-1、5-2、5-3、5-4 采空区。其中，2-3、5-4 采空区面积分别为9145 m2和13 100 m2。

2 建立有限元模型

2.1 建立地表模型

利用矿山提供的《朝凯煤矿地形图》CAD 图提取等高线，经由CAD to Ansys 插件生成命令流，而后更改命令流获得高程点三维坐标，将所得高程点导入Surfer 更改不合理高程点，获得矿区地表三维模型导出。将所得曲面同Bigmap 中矿区地形进行比较，并同技术员交流，确认无误后导出修改后的高程点，再导入Rhino 生成曲面模型，并根据需求裁剪边界，导出为igs 文件格式，最后利用Ansys软件导入igs 文件，生成地表三维曲面模型。如图1。

图1 地表三维曲面建模过程

2.2 建立数值模型

根据2#、5#煤层和地表的相对位置关系，以及南部盘区2-1 等7 个采空区的分布特点，以边坡最低点为0 m，建立长800 m、宽400 m、高300 m 的边坡模型。模型各部分材料力学参数见表1。设定采空区周围单元size=2 m，边界单元size=8 m。由于模型内部空区未贯通，因而采用smart mesh 进行网格划分，有限元模型单元数和节点数分别为372 254 和68 177。

表1 材料力学参数

根据矿山现有地应力数据沿x、y 向对模型四个侧面施加地应力，采用单位制为“m-kg-s”，其余单位由此推导。z 向约束值为0，施加重应力场g=9.81 m/s2，得到预应力模型后清除模型内位移值和应力值。最后对模型开挖，建立采空区。

3 稳定性数值计算及结果分析

3.1 模拟结果分析

3.1.1 拉应力分析

朝凯煤业南部边坡下2#煤层和5#煤层各采空区拉应力分布图如图2。由图2（a）可知，2-3 采空区东面围岩转角处存在应力集中现象，而底板受5#煤层和同水平煤层开采的影响，岩体存在一定的拉应力，最大拉应力为0.28 MPa；2-1 和2-2 采空区由于采空区面积和跨度较小、采场较为规则，因而应力集中现象相对较弱，采空区稳定性较好。由图2（b）可知，5-2、5-3 和5-4 三个采空区转角处应力集中现象较为显著，与2#煤层不同之处在于该煤层所在水平下方无开采扰动，即下层岩体应力重新分布情况不明显，因而5#煤层围岩相较于2#煤层拉应力分布范围减小。根据两个煤层空区拉应力分布图可知，现7 个采空区较为稳定，但有部分应力集中现象较为显著，2#煤层拉应力分布范围较大，坡角处拉应力值较大，随着露天开采境界降低，边坡存在一定滑坡危险。

图2 各煤层采空区拉应力分布图

3.1.2 等效体应力分析

朝凯煤业南部边坡下2#煤层和5#煤层各采空区等效体应力分布图如图3，由图3（a）可知，2#煤层3 个采空区各处压应力值较小，但2-3 采空区东侧转角处的压应力较大，约为12.3 MPa，2-1 和2-2 采空区由于两者相距较近，在采动应力场的叠加影响下，2-1 和2-2 采空区相邻处应力值为7.69 MPa。由图3（b）可知，5#煤层5-1 采空区南侧转角处围岩应力集中现象较为显著，这是受2#煤层2-1采空区影响，该处最大压应力为13.8 MPa，其余采空区应力分布较为均匀，且围岩受相邻空区间采动应力场叠加影响较弱。结合两图可知，7 个采空区的压应力值较小，边坡坡角处无应力集中现象。

图3 各采空区等效应力分布图

3.2 边坡安全系数计算

为得到南部边坡安全系数，采用式（1）和式（2）对边坡粘聚力和内摩擦角进行强度折减计算，工具软件为Ansys。当边坡失稳时折减系数即为安全系数Fs，公式如下：

式中：c`和φ`为折减后的抗剪强度指标；Fsr为每次计算的折减系数。

边坡稳定性研究过程中折减系数依次设为1.0、1.1、1.2……1.5，通过式（1）和式（2）对内聚力c和内摩擦角φ进行折减计算。将所得值结合表1 中的材料参数赋予建立的几何模型，划分网格、数值计算过程与本文第二部分相同。结合3.1.1 节中拉应力分布情况，本文针对朝凯煤业南部边坡稳定性研究过程中以坡脚水平位移陡增为判据。经多次数值计算，南部边坡安全性系数为1.2，当折减系数Fsr=1.3时，边坡出现张裂缝—圆弧型滑面，贯通2-2、5-3 采空区。

4 空区及边坡治理

4.1 空区及边坡治理方案

结合空区距离边坡较近等赋存特点，设计采用“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”的综合治理方案。将采空区至地表的上覆岩土体崩落，并采用铲运机将坡顶处的岩土对采坑进行修整，形成3 个+15 m的台阶，平台宽度30 m，台阶边坡角15°。边坡坡脚采用全球定位系统（GPS）测量法，平时采用人工简易监测，以巡查为主，主要查看坡体上裂缝等发育、变化情况。边坡西南侧岩溶发育，受降水影响较大，在坡顶设置截水沟，加强地表水疏排，减小地表水渗透。

4.2 治理效果

经采空区顶板崩落、修整采坑并形成3 个台阶后，边坡拉应力分布图如图4。由图可知，边坡拉应力主要分布在边坡上部，较图2 拉应力分布范围减小明显，且拉应力值由0.28 MPa 降至0.019 MPa，可有效提高边坡的稳定性。

图4 治理后边坡拉应力分布图

边坡各测点位移变化趋势如图5。边坡在施工后前10 个月位移变化较大，边坡初始移动较大的原因为边坡爆破和施工扰动较大导致应力重新分布，且填埋岩土在自重应力场作用下逐步压实。后6 个月整体位移趋势逐渐趋于稳定，且根据现场调查发现，边坡无明显隆起、变形特征，发生滑坡可能性较小。

图5 南部边坡各测点位移-时间曲线

5 结论

（1）基于数值模拟结果，现各个空区和边坡较为稳定，但2-3、5-2、5-3、5-4 四个空区应力集中现象较为显著，且2#煤层及其下部岩体和坡角处拉应力值较大，最大拉应力为0.28 MPa。

（2）2#煤层3 个采空区各处压应力值较小，2-1和2-2 采空区在采动应力场的叠加影响下应力值为7.69 MPa，5#煤层5-1 采空区受2-1 采空区影响，其南侧转角处围岩最大压应力为13.8 MPa，其余采空区应力分布较为均匀，且围岩受相邻空区间采动应力场叠加影响较弱。

（3）采用强度折减法得到边坡安全系数Fs=1.2，失稳形式为张裂缝—圆弧型失稳。

（4）提出“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”的综合治理方案，有效减小了边坡拉应力分布范围，且应力值降至0.019 MPa，边坡位移量逐渐趋于稳定。