任 鵬，李 偉，丁鑫品，李慶堯

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013；4.中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

目前，我國露天煤礦行業(yè)平均資源回收率占比95%，影響煤炭資源回收率主要有邊幫壓煤、礦山地質(zhì)較為薄弱、不合理開采以及薄煤層數(shù)量較多等因素[1]。露天礦開采境界內(nèi)由于初步設(shè)計(jì)或者開采技術(shù)的限制使得最終幫坡角偏小，進(jìn)而形成目前技術(shù)條件下可以開采但未采出的端幫下壓煤叫做“呆滯煤”。大多數(shù)情況下，產(chǎn)生殘煤的主要原因一方面是地質(zhì)條件、構(gòu)造發(fā)育復(fù)雜，造成工作面難以正常布置，因此就會(huì)產(chǎn)生邊角塊段；另一方面原因是部分未探明的地質(zhì)構(gòu)造形成的保護(hù)煤柱，再次探測后的可采部分；主要的原因是設(shè)計(jì)幫破角較小，造成了端幫所壓煤量過多[1-2]。

當(dāng)?shù)V山地質(zhì)條件、邊坡高度一定時(shí)，露天煤礦端幫實(shí)行靠幫開采雖然能夠保證開采境界內(nèi)的資源量增加或剝離量減少，增加開采的經(jīng)濟(jì)效益，但幫坡角變陡，出現(xiàn)滑坡的可能性隨之增加。為此結(jié)合平朔東露天礦地質(zhì)以及現(xiàn)場條件，研究了東露天礦在南幫上部平盤到界，4#煤層已全部揭露，頂板以上臺(tái)階已并幫靠界的前提下，分析回收下部4#煤壓滯資源的途徑與方案以及驗(yàn)算此處的邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡變形破壞模式

1.1 數(shù)值分析模型

通過對(duì)東露天礦原有地質(zhì)資料進(jìn)行收集和整理，同時(shí)對(duì)東露天礦南幫邊坡工程地質(zhì)條件進(jìn)行研究，選取典型位置剖面，建立邊坡穩(wěn)定性分析地質(zhì)模型，數(shù)值模擬模型的建立擬采用有限差分法FLAC3D分析程序[3-4]，研究采用的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是在收集和整理平朔礦區(qū)和東露天礦已有巖土體試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，基于工程類比法，通過歸納和分析獲得[5-7]，計(jì)算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型摩爾--庫侖屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行描述；根據(jù)研究區(qū)域的邊坡和地貌特征，綜合考慮南幫軟弱層、回收4#煤及其下部壓滯資源對(duì)南端幫邊坡穩(wěn)定性的影響[8]，基于典型工程地質(zhì)剖面構(gòu)建的FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值分析模型如圖1。模型沿邊坡傾向長度為444 m，垂直高度為260 m，模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，根據(jù)建立的模型和實(shí)際條件確定邊界條件?；谝陨? 點(diǎn)構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個(gè)計(jì)算剖面的受力平衡，通過計(jì)算并分析邊坡水平位移、豎直位移和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，確定在回收4#煤及其下部壓滯資源區(qū)域邊坡潛在滑動(dòng)部位與滑面形狀，并依此預(yù)計(jì)邊坡總體變形破壞趨勢(shì)。

圖1 數(shù)值分析模型圖Fig.1 Numerical analysis model diagram

1.2 模擬結(jié)果

研究剖面邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖2。邊坡剪應(yīng)變?cè)隽枯^明顯的位置主要集中在4#煤回采區(qū)域內(nèi)部及11#煤上部并段臺(tái)階內(nèi)部，4#煤回采區(qū)域內(nèi)部剪應(yīng)變?cè)隽勘容^明顯的主要原因是4#煤上部相鄰臺(tái)階留設(shè)的安全平盤寬度不足，多臺(tái)階并段致使基巖臺(tái)階過高，穩(wěn)定性降低，11#煤上部并段臺(tái)階內(nèi)部剪應(yīng)變?cè)隽枯^明顯的主要原因是多個(gè)臺(tái)階并段導(dǎo)致基巖臺(tái)階過高且局部坡面角較陡。

圖2 剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.2 Section shear strain increment contour

研究剖面邊坡水平位移云圖如圖3，研究剖面邊坡豎直位移云圖如圖4。從水平位移云圖可知，標(biāo)高1 211～1 245 m 并段臺(tái)階受4#煤回采的影響較大，有發(fā)生局部區(qū)域向臨空面滑動(dòng)的趨勢(shì)；從豎直位移云圖可知，4#煤和9#煤上部巖土體均有豎直向下位移的趨勢(shì)，尤以4#煤上部并段臺(tái)階最為明顯。

圖3 剖面水平位移云圖Fig.3 Horizontal displacement cloud map

圖4 剖面垂直位移云圖Fig.4 Section vertical displacement cloud map

研究剖面邊坡塑性區(qū)域分布如圖5。塑性區(qū)域主要分布的位置在軟弱層和并段臺(tái)階，軟弱層中塑性區(qū)域比較集中的原因是抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低且壓縮性較強(qiáng)，在塑性區(qū)域較集中的位置易發(fā)生局部片幫和崩塌[9]，因此，為了保證安全高效生產(chǎn)，必須及時(shí)采取有針對(duì)性的治理。

圖5 剖面塑性區(qū)域分布圖Fig.5 Section plastic zone distribution map

2 陡幫開采回收邊幫壓煤可行性

2.1 方案優(yōu)化

針對(duì)南幫4#煤及其下部壓滯資源的分布現(xiàn)狀，通過對(duì)研究剖面邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀展開全面評(píng)價(jià)[10]，探明邊坡穩(wěn)定狀況演化趨勢(shì)，確定邊坡安全工作的重點(diǎn)區(qū)域；基于此共研究1 228 m 平盤寬度留設(shè)5、10、15、20、25、30 m 6 種方案，分析局部和整體的邊坡穩(wěn)定性；其中南幫標(biāo)高1 228 m 處留設(shè)5 m 安全平盤的情況下，建立研究剖面工程地質(zhì)模型，剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 DLT-NB-L5-01 極限平衡分析計(jì)算結(jié)果Fig.6 DLT-NB-L5-01 limit equilibrium analysis calculation results

1 228 m 處留5 m 平盤方案中研究剖面邊坡巖土體沿4#煤層頂板相鄰臺(tái)階發(fā)生局部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.008，小于安全儲(chǔ)備系數(shù)，邊坡失穩(wěn)的可能性將增加，因此該方案雖然能夠回采更多的煤炭資源，但需要投入更多的人力物力，增大成本，同時(shí)對(duì)礦山安全生產(chǎn)也帶來很大的隱患，不推薦此種回采方案。6 種安全平盤留設(shè)方案的整體和局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖7（邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs＞1.2 時(shí)邊坡穩(wěn)定，1.1＜Fs＜1.2 時(shí)基本穩(wěn)定，1.0＜Fs＜1.1 時(shí)邊坡存在一定風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)s＜1.0 時(shí)邊坡不穩(wěn)定）。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的最終幫坡角如圖8。

圖7 方案中整體和局部邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.7 Overall and local slope stability calculation results

圖8 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的最終幫坡角Fig.8 The final slope angle corresponding to the slope stability calculation result

圖7 表明，標(biāo)高1 228 m 處原設(shè)計(jì)留設(shè)安全平盤25 m 的情況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.236，大于安全儲(chǔ)備系數(shù)，正常情況下發(fā)生整體邊坡失穩(wěn)的可能性較低；安全平盤留設(shè)5、10、15 m 的3 種方案，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.1，雖然能夠回收較多煤炭資源，經(jīng)濟(jì)效益可觀，但受4#煤層靠幫影響，南幫邊坡應(yīng)力場再次重新分布，整體臺(tái)階穩(wěn)定性將顯著降低，存在局部滑塌、片幫的可能，故此3 種方案不可??；標(biāo)高1 228 m 處留設(shè)安全平盤20 m 時(shí)，邊坡整體和局部穩(wěn)定性系數(shù)均介于 1.1～1.2 之間，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)還是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但基本穩(wěn)定，因此，在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，采取留設(shè)20 m 安全平盤的方案。原設(shè)計(jì)留設(shè)25 m 安全平盤寬度，為了回采更多的煤炭資源，設(shè)計(jì)幫坡腳提高1°，且留設(shè)20 m 安全平盤，經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)如下：

式中：S 為留設(shè)20 m 安全平盤回收壓滯煤炭資源的經(jīng)濟(jì)效益，元；L1為設(shè)計(jì)留設(shè)安全平盤寬度，m；L2為留設(shè) 20 m 安全平盤寬度，m；Hi為煤層厚度，m;H1、H2、H3分別為 4#煤、9#煤、11#煤層厚度，H1=17.94 m，H2=11.43 m，H3=7.92 m；L0為煤層走向長度，m；K 為原煤密度，t/m3；C 為噸煤價(jià)格，元/ t。

計(jì)算中原煤密度為1.4 t /m3，煤層走向長度約3 km，噸煤價(jià)格250 元/t；此種方案多回收煤炭資源為78.309 萬t，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約1.95 億元。

2.2 陡幫開采邊坡安全對(duì)策

目前，國內(nèi)外關(guān)于邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的治理措施主要有排水、減載、壓腳、加固等幾種方法[11-12]。綜合考慮東露天礦實(shí)際工況，提出2 種方案：①為了保證邊坡穩(wěn)定，建議盡快將下部9#煤和11#煤采出，實(shí)現(xiàn)內(nèi)排壓腳；②該回采區(qū)域邊坡多臺(tái)階并段靠幫，建議在潛在失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行削坡減載。

2 種方案都能保證該回采區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，但結(jié)合現(xiàn)場工況，坡面角度較大，降雨、爆破振動(dòng)等因素致使巖體強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)松散，對(duì)斜坡下方平盤造成一定損害，已不具備削坡減載條件；而壓腳改變了邊坡破壞發(fā)生的部位和程度，在上1 個(gè)臺(tái)階壓腳的同時(shí)，下1 個(gè)臺(tái)階也要在原有壓腳量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加壓腳，只有這樣才能保證在下1 個(gè)臺(tái)階上不會(huì)出現(xiàn)新的塑性集中區(qū)域[13]。內(nèi)排壓腳所達(dá)標(biāo)高對(duì)應(yīng)計(jì)算成果見表1。

表1 內(nèi)排壓腳所達(dá)標(biāo)高對(duì)應(yīng)計(jì)算成果Table 1 The elevation of the internal pressure foot

由表1 可知,當(dāng)內(nèi)排壓腳標(biāo)高達(dá)到1 228 m 時(shí)，壓腳量29.66 m3，回采區(qū)域邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可達(dá)到1.215，潛在滑坡危險(xiǎn)即可得到有效控制，通過對(duì)比分析內(nèi)排壓腳成為保證該區(qū)域邊坡穩(wěn)定的首選方案。

3 結(jié) 語

基于東露天礦南幫邊坡工程地質(zhì)與現(xiàn)場條件，建立工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬分析的方法研究了回收4#煤及其下部壓滯資源影響區(qū)域邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)理，探明邊坡變形模式；針對(duì)現(xiàn)場實(shí)際情況提出6 種回收4#煤及其下部壓滯資源的方案，通過穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)比分析，確定留設(shè)20 m 安全平盤的回收方案，該方案中提高設(shè)計(jì)幫坡腳1°，多回收煤炭資源約為78.309 萬t；提出采用留設(shè)20 m 安全平盤的回采方案時(shí)影響區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的治理方案：內(nèi)排壓腳和削坡減載，通過對(duì)比分析內(nèi)排壓腳成為當(dāng)前治理該區(qū)域邊坡變形切實(shí)可行且有效的方法。