露頭殘煤對邊坡穩(wěn)定性的影響及時(shí)序控制開采*

祖國林

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司， 遼寧撫順市 113122）

露頭殘煤對邊坡穩(wěn)定性的影響及時(shí)序控制開采*

祖國林

（煤科集團(tuán)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(yīng)用剛性極限平衡理論，采用FLAC3D數(shù)值模擬等方法，分析了殘留露頭煤巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)理，并在穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)上，得出邊坡穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)低于安全儲備系數(shù)的結(jié)論，采用多種方法分析計(jì)算了潛在滑坡影響范圍，進(jìn)而提出了一種安全開采“時(shí)序控制”工藝。這種開采工藝可為風(fēng)氧化煤的清理爭取時(shí)間，同時(shí)在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)了人力、資源配置的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：露頭煤；邊坡；穩(wěn)定系數(shù)；時(shí)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(jìn)的方式開采。由于露頭煤受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，煤質(zhì)較差，因此在進(jìn)行開采設(shè)計(jì)時(shí)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(jīng)驗(yàn)表明：殘留露頭煤不僅容易自燃，而且對邊坡穩(wěn)定性影響較大。在進(jìn)行露頭殘煤的治理時(shí)，需重新布置運(yùn)輸?shù)缆罚贫ㄇ謇矸桨讣芭磐练桨福婕暗墓こ塘枯^大，時(shí)間較長，因此勢必會對露天礦正常生產(chǎn)帶來影響。在解決上述問題時(shí)，需綜合考慮邊坡治理與原煤生產(chǎn)的時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人力、設(shè)備資源高效配置。

1 工程概況

研究礦區(qū)地形平緩，地質(zhì)構(gòu)造相對比較簡單，屬簡單單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀在走向和傾向方向變化較小，區(qū)內(nèi)地層完整，未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)斷煤巖層及其它巖層現(xiàn)象。主采煤層厚度約65m，煤層被泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖及細(xì)粒狀砂巖覆蓋，煤層底板為炭質(zhì)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(jù)設(shè)計(jì)，存在不采的露頭煤殘留在非工作幫，露頭區(qū)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(qū)經(jīng)歷了漫長的古風(fēng)化期，后被上覆的侏羅系的石樹溝地層覆蓋，又受到現(xiàn)代風(fēng)化作用的疊加，形成了極其復(fù)雜的風(fēng)化煤區(qū)，如圖1所示。

2 風(fēng)氧化煤深度范圍及物理力學(xué)性質(zhì)

露頭處的煤層受風(fēng)化作用和長期風(fēng)蝕、殘積作用，煤層一系列固有的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)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(zhì)高炭泥巖，具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。受氧化作用煤層顏色仍為灰黑色、黑色，松散，污手，風(fēng)化成碎塊及粉末狀，無光澤，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含大量絲炭。與深部鉆孔正常煤的煤質(zhì)相比較，水分、灰分、揮發(fā)分、全硫、總腐植酸明顯偏高，發(fā)熱量明顯降低，風(fēng)化煤屬于中高-高灰分、特低-高硫分、特低-中熱值煤。

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

風(fēng)氧化煤較正常煤物理力學(xué)指標(biāo)低，見表1，正常煤凝聚力為風(fēng)氧化煤的4.8～6.1倍，內(nèi)摩擦角為1.4～1.6倍，因此風(fēng)氧化煤邊坡為邊坡系統(tǒng)易破壞區(qū)域。

3 風(fēng)氧化煤對邊坡穩(wěn)定性影響

3.1基于數(shù)值模擬的穩(wěn)定性影響分析

風(fēng)氧化煤作為邊坡系統(tǒng)的一部分，由于其力學(xué)性質(zhì)較差，為邊坡系統(tǒng)穩(wěn)定的薄弱部位，本文擬采取數(shù)值模擬分析方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。利用FLAC3D技術(shù)作為數(shù)值模擬手段。該技術(shù)實(shí)質(zhì)為FLAC力學(xué)分析手段在三維空間領(lǐng)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(zhǔn)確地模擬邊坡的塑性破壞狀態(tài)和流動狀態(tài)，并且對邊坡的破壞過程有所反映。在地層初始應(yīng)力被考慮后，可連續(xù)模擬現(xiàn)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(zhì)模型

表1　風(fēng)氧化煤及正常煤物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算可知，邊坡受風(fēng)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(xiàn)為沉降；520平盤至490平盤下方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，520平盤坡底處呈應(yīng)力剪出狀，易發(fā)生剪切破壞；由于煤層底板泥巖力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)相對較低，且呈順傾狀態(tài)，為潛在的滑動面。考慮到目前煤層露頭已出現(xiàn)裂隙，應(yīng)防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，一旦裂隙與底板貫通，易出現(xiàn)沿煤層底板滑動，造成邊坡失穩(wěn)。

3.2邊坡穩(wěn)定計(jì)算

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

安全儲備系數(shù)的選取參照為“露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范”（GB50197-2005），依據(jù)研究礦區(qū)工程地質(zhì)條件及巖土試驗(yàn)實(shí)測參數(shù)，綜合了風(fēng)氧化煤邊坡留存時(shí)間、邊坡穩(wěn)定性對露天礦生產(chǎn)的重要程度、邊坡失穩(wěn)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(shù)為1.2，開采過程中臨時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.1。

通過計(jì)算，在露頭風(fēng)氧化煤不采條件下，設(shè)計(jì)邊坡安全系數(shù)為0.959，不能滿足安全儲備系數(shù)1.2的要求。出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因在于：設(shè)計(jì)方案中保留了風(fēng)氧化煤，在長期的風(fēng)化、氧化作用下，風(fēng)氧化煤物理力學(xué)指標(biāo)較低，且煤巖破碎，在破底板以后風(fēng)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(chǎn)生滑動。

4 安全開采時(shí)序控制方案

通過前文的分析可知，設(shè)計(jì)風(fēng)氧化煤邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，遠(yuǎn)低于安全儲備系數(shù)，滑動風(fēng)險(xiǎn)較大。從安全角度出發(fā)，應(yīng)盡快將風(fēng)氧化煤清理，否則風(fēng)氧化煤以下區(qū)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(shí)施的實(shí)際困難。因此需尋求一種短期內(nèi)不考慮風(fēng)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(fēng)氧化煤短期內(nèi)不能盡快清理，一定要做好滑坡預(yù)防。在考慮這一問題時(shí)首先要確定滑坡影響范圍，盡量避免在影響范圍內(nèi)開采作業(yè)，保證人員及設(shè)備安全。通過經(jīng)驗(yàn)公式法、森脅寬法及滑距公式法所計(jì)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(jì)算，所確定滑距為136m。因此，可以該值作為滑坡影響邊界。計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2　滑距計(jì)算表

4.2邊坡極限平衡條件

現(xiàn)狀條件下，由于風(fēng)氧化煤以下存在壓腳原煤臺階，穩(wěn)定系數(shù)較高，伴隨坡腳區(qū)域原煤的持續(xù)開采，風(fēng)氧化煤邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，若以1.1作為臨時(shí)邊坡安全儲備系數(shù)，可視為當(dāng)Fs＜1.1時(shí)，邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。通過調(diào)試計(jì)算，當(dāng)滑坡影響范圍內(nèi)開采至底板7m高度時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.103，處于安全臨界狀態(tài)。

4.3時(shí)序控制開采

當(dāng)滑坡影響范圍及滑坡條件確定后，可通過控制開采時(shí)序，將風(fēng)氧化煤以下的原煤回采。當(dāng)滑坡影響范圍開采至安全臨界值（FS=1.1）時(shí)，停止開采，人員及設(shè)備轉(zhuǎn)入滑坡影響范圍（安全區(qū)）以外繼續(xù)開采。如圖2所示，這種開采方式可分以下幾個(gè)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(nèi)正常開采至底板以上7m高度后停采；

（3）在滑坡影響邊界設(shè)置安全擋墻，滑坡影響范圍內(nèi)停采后，人員、設(shè)備轉(zhuǎn)移至滑坡影響范圍以外繼續(xù)開采；

（4）待排棄條件成熟時(shí)，清理風(fēng)氧化煤，回收滑坡影響范圍內(nèi)剩余的7m厚原煤。

上述開采工藝的實(shí)質(zhì)為通過煤柱壓腳，為風(fēng)氧化煤的清理延緩時(shí)間，而通過開采時(shí)序控制，在邊坡極限平衡狀態(tài)下，將滑坡影響區(qū)域原煤成功采出。

圖2　時(shí)序控制開采示意

5 結(jié) 語

（1）研究礦區(qū)設(shè)計(jì)殘留風(fēng)氧化煤邊坡沿風(fēng)氧化煤底板易形成塑性貫通帶，并在底板以下形成應(yīng)力集中區(qū)，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(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅為0.959，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在風(fēng)氧化煤短期內(nèi)無法清理的背景下，通過時(shí)序控制開采，在不影響生產(chǎn)前提下，可為風(fēng)氧化煤的清理爭取時(shí)間，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)了人力、資源配置的優(yōu)化。

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

參考文獻(xiàn)：

［1]祖國林，李紹臣，王啟瑞，等.軟巖邊坡變形破壞規(guī)律及對城市設(shè)施的影響［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1999（4）.

［2]祖國林，王建國，陳 敏，等.承載黃土微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999（11）.

［3]紀(jì)玉石，孫豁然，劉晶輝.露天礦閉坑環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2006（3）：305-309.

［4]紀(jì)玉石，孫豁然，劉晶輝.深大型露天煤礦閉坑前后滑坡及地表變形地質(zhì)災(zāi)害分析與防治［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（1）：2848-2853.

［5]韓 猛，紀(jì)玉石.控制開采技術(shù)在軟巖邊坡露天煤礦的實(shí)踐［J］.露天采礦技術(shù)，2015（7）.

［6]王振偉.基于極限平衡與突變理論的邊坡綜合評價(jià)方法［J］.煤礦安全，2009（8）.

［7]紀(jì)玉石，申 力，劉晶輝.采礦引起的傾倒滑移變形機(jī)理及其變形控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（19）.

［8]楊天鴻，芮勇勤，李連崇，等.順層蠕動邊坡變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性動態(tài)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003（02）：155-161.

［9]黃潤秋，許 強(qiáng).工程地質(zhì)廣義系統(tǒng)科學(xué)分析原理及應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1997：61-62.

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(zāi)害治理、邊坡穩(wěn)定等方面研究及管理工作，Email：zugl@fsccri.com。

* 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51274122）；國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金（U1361211）.