露頭殘煤對邊坡穩定性的影響及時序控制開采*

祖國林

（煤科集團沈陽研究院有限公司， 遼寧撫順市 113122）

露頭殘煤對邊坡穩定性的影響及時序控制開采*

祖國林

（煤科集團沈陽研究院有限公司， 遼寧撫順市 113122）

摘 要：以新疆某露天煤礦為例，應用剛性極限平衡理論，采用FLAC3D數值模擬等方法，分析了殘留露頭煤巖質邊坡的變形破壞機理，并在穩定性評價的基礎上，得出邊坡穩定系數遠低于安全儲備系數的結論，采用多種方法分析計算了潛在滑坡影響范圍，進而提出了一種安全開采“時序控制”工藝。這種開采工藝可為風氧化煤的清理爭取時間，同時在保證安全的前提下實現了人力、資源配置的優化。

關鍵詞：露頭煤；邊坡；穩定系數；時序控制

0 引 言

對于傾斜煤層的露天煤礦，大多采用沿露頭走向拉溝、傾向推進的方式開采。由于露頭煤受風化作用強烈，煤質較差，因此在進行開采設計時往往有不采的露頭煤殘留在非工作幫，形成煤、巖共存的邊坡臺階。經驗表明：殘留露頭煤不僅容易自燃，而且對邊坡穩定性影響較大。在進行露頭殘煤的治理時，需重新布置運輸道路，制定清理方案及排土方案，所涉及的工程量較大，時間較長，因此勢必會對露天礦正常生產帶來影響。在解決上述問題時，需綜合考慮邊坡治理與原煤生產的時序關系，實現人力、設備資源高效配置。

1 工程概況

研究礦區地形平緩，地質構造相對比較簡單，屬簡單單斜構造，巖層產狀在走向和傾向方向變化較小，區內地層完整，未發現斷層錯斷煤巖層及其它巖層現象。主采煤層厚度約65m，煤層被泥巖、粉砂質泥巖、砂巖及細粒狀砂巖覆蓋，煤層底板為炭質泥巖或泥巖薄層，下部以砂巖地層為主。地層最上部為第四系粉砂層及砂土礫石層。西幫（非工作幫）外是排土場，依據設計，存在不采的露頭煤殘留在非工作幫，露頭區域煤層傾角約17°，非工作幫巖層傾向與邊坡臨空方向一致，即順傾邊坡。煤層隱伏露頭區經歷了漫長的古風化期，后被上覆的侏羅系的石樹溝地層覆蓋，又受到現代風化作用的疊加，形成了極其復雜的風化煤區，如圖1所示。

2 風氧化煤深度范圍及物理力學性質

露頭處的煤層受風化作用和長期風蝕、殘積作用，煤層一系列固有的物理、化學性質發生了變化，在露頭表面的煤變得疏松易碎，失去煤本身原有的光澤，變成褐色軟質高炭泥巖，具有泥質結構、塊狀構造。受氧化作用煤層顏色仍為灰黑色、黑色，松散，污手，風化成碎塊及粉末狀，無光澤，結構復雜，含大量絲炭。與深部鉆孔正常煤的煤質相比較，水分、灰分、揮發分、全硫、總腐植酸明顯偏高，發熱量明顯降低，風化煤屬于中高-高灰分、特低-高硫分、特低-中熱值煤。

根據鉆孔成果綜合確定的風化帶深度范圍為3.04～54.69m，平均深度為34.40m。

風氧化煤較正常煤物理力學指標低，見表1，正常煤凝聚力為風氧化煤的4.8～6.1倍，內摩擦角為1.4～1.6倍，因此風氧化煤邊坡為邊坡系統易破壞區域。

3 風氧化煤對邊坡穩定性影響

3.1基于數值模擬的穩定性影響分析

風氧化煤作為邊坡系統的一部分，由于其力學性質較差，為邊坡系統穩定的薄弱部位，本文擬采取數值模擬分析方法對邊坡穩定性進行模擬分析。利用FLAC3D技術作為數值模擬手段。該技術實質為FLAC力學分析手段在三維空間領域的拓展。FLAC3D綜合了顯式拉格朗日和混合離散兩種算法，能夠非常準確地模擬邊坡的塑性破壞狀態和流動狀態，并且對邊坡的破壞過程有所反映。在地層初始應力被考慮后，可連續模擬現狀邊坡（露頭殘煤邊坡）的變形與破壞過程。

圖1　典型剖面工程地質模型

表1　風氧化煤及正常煤物理力學指標試驗結果

通過計算可知，邊坡受風氧化煤影響，各平盤處指向臨空面的水平位移較大，但邊坡總體仍表現為沉降；520平盤至490平盤下方出現應力集中現象，520平盤坡底處呈應力剪出狀，易發生剪切破壞；由于煤層底板泥巖力學強度指標相對較低，且呈順傾狀態，為潛在的滑動面。考慮到目前煤層露頭已出現裂隙，應防止裂縫進一步擴大，一旦裂隙與底板貫通，易出現沿煤層底板滑動，造成邊坡失穩。

3.2邊坡穩定計算

極限平衡法是當前邊坡穩定性定量計算最為常見的方法，該方法的主要特點為計算模型簡單、參數計算量化準確、計算結果直接實用。極限平衡法理論體系在其形成過程中，出現過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等。不同方法各有優缺點，其適用條件及計算需求有所區別。在分析了不同方法及本次計算需求后，本文采用的計算方法為摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法。該方法的優點是在計算時考慮的平衡條件及邊界條件最為全面，因此極大減小了計算方法誤差。

安全儲備系數的選取參照為“露天煤礦工程設計規范”（GB50197-2005），依據研究礦區工程地質條件及巖土試驗實測參數，綜合了風氧化煤邊坡留存時間、邊坡穩定性對露天礦生產的重要程度、邊坡失穩后的影響程度等因素后，本文確定的最終邊坡安全儲備系數為1.2，開采過程中臨時邊坡穩定系數為1.1。

通過計算，在露頭風氧化煤不采條件下，設計邊坡安全系數為0.959，不能滿足安全儲備系數1.2的要求。出現上述結果的主要原因在于：設計方案中保留了風氧化煤，在長期的風化、氧化作用下，風氧化煤物理力學指標較低，且煤巖破碎，在破底板以后風氧化煤臺階坡腳失去約束，在自身重力及底板弱層作用下，易沿底板產生滑動。

4 安全開采時序控制方案

通過前文的分析可知，設計風氧化煤邊坡穩定系數小于1.0，遠低于安全儲備系數，滑動風險較大。從安全角度出發，應盡快將風氧化煤清理，否則風氧化煤以下區域原煤開采始終面臨安全隱患。但露天礦面臨排土空間不足、清理工作短期無法實施的實際困難。因此需尋求一種短期內不考慮風氧化煤清理，但既能保證安全、又不影響正常開采的可行方案。

4.1滑坡影響范圍

若風氧化煤短期內不能盡快清理，一定要做好滑坡預防。在考慮這一問題時首先要確定滑坡影響范圍，盡量避免在影響范圍內開采作業，保證人員及設備安全。通過經驗公式法、森脅寬法及滑距公式法所計算的滑坡距離分別為80，71，136m。為保證安全，本文按三者最大值計算，所確定滑距為136m。因此，可以該值作為滑坡影響邊界。計算方法及計算結果詳見表2。

表2　滑距計算表

4.2邊坡極限平衡條件

現狀條件下，由于風氧化煤以下存在壓腳原煤臺階，穩定系數較高，伴隨坡腳區域原煤的持續開采，風氧化煤邊坡穩定系數逐漸降低，若以1.1作為臨時邊坡安全儲備系數，可視為當Fs＜1.1時，邊坡存在失穩風險。通過調試計算，當滑坡影響范圍內開采至底板7m高度時，邊坡穩定系數為1.103，處于安全臨界狀態。

4.3時序控制開采

當滑坡影響范圍及滑坡條件確定后，可通過控制開采時序，將風氧化煤以下的原煤回采。當滑坡影響范圍開采至安全臨界值（FS=1.1）時，停止開采，人員及設備轉入滑坡影響范圍（安全區）以外繼續開采。如圖2所示，這種開采方式可分以下幾個步驟：

（1）以正常開采方式開采滑坡影響范圍以外原煤（136m安全距離以外）；

（2）滑坡影響范圍以內正常開采至底板以上7m高度后停采；

（3）在滑坡影響邊界設置安全擋墻，滑坡影響范圍內停采后，人員、設備轉移至滑坡影響范圍以外繼續開采；

（4）待排棄條件成熟時，清理風氧化煤，回收滑坡影響范圍內剩余的7m厚原煤。

上述開采工藝的實質為通過煤柱壓腳，為風氧化煤的清理延緩時間，而通過開采時序控制，在邊坡極限平衡狀態下，將滑坡影響區域原煤成功采出。

圖2　時序控制開采示意

5 結 語

（1）研究礦區設計殘留風氧化煤邊坡沿風氧化煤底板易形成塑性貫通帶，并在底板以下形成應力集中區，容易造成沿地面切入、沿底板滑動變形、從煤臺階薄弱處剪出的剪切破壞模式。在這種破壞模式下，設計邊坡穩定系數僅為0.959，處于不穩定狀態。

（2）在風氧化煤短期內無法清理的背景下，通過時序控制開采，在不影響生產前提下，可為風氧化煤的清理爭取時間，在保證安全的前提下實現了人力、資源配置的優化。

（3）在進行同類型煤礦的開采設計時，要充分考慮露頭煤的留存問題，尤其在有外排土場形成復合邊坡時，煤巖臺階失穩將直接影響復合邊坡的穩定性。若在開采設計時沒能考慮上述問題，將可能導致排土場安全距離過小，為邊坡治理工作帶來困難。

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收稿日期：（2016-05-04）

作者簡介：祖國林（1963-），男，安徽樅陽人，高級工程師，主要從事露天煤礦安全開采、礦山災害治理、邊坡穩定等方面研究及管理工作，Email：zugl@fsccri.com。

* 基金項目：國家自然科學基金面上項目（51274122）；國家自然科學基金煤炭聯合基金（U1361211）.