某露天煤礦拋擲爆破及煤層開挖對邊坡穩定性的影響

陳 壽 汪日生 郭飛高 劉建國

(葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司)

露天礦邊坡穩定性對于礦山安全高效生產影響較大，目前，主要采用極限平衡法和巖土數值模擬方法進行邊坡穩定性評價[1]。隨著研究的不斷深入，根據不同的地質條件狀況，極限平衡法可進一步分為簡布法、畢肖普法、瑞典條分法、斯賓賽法、不平衡推力傳遞法、摩根斯坦-普拉斯法、薩爾瑪法等[2-3]。在巖土工程領域常用的數值模擬方法主要有有限元極限法[4-6]、離散元法[7]、快速拉格朗日分析法[8]、邊界元法[9]、塊體系統不連續變形分析法[10]、數值流形方法[11]等。我國西北地區某露天煤礦在拋擲爆破和拉斗鏟倒堆開挖過程中，實體高臺階曾發生多次滑坡，嚴重威脅著臺階上方鉆機及臺階下方采煤機械和人員安全。為確保該礦安全生產，本研究采用Geo-studio和FLAC3D軟件分別對爆破振動、煤層開挖因素影響下的邊坡穩定性進行分析，為實體高臺階實時監控預警及滑坡快速治理提供理論依據。

1 工程概況

本研究礦區拋擲爆破的實體高臺階主要由巖層和煤層組成。煤層為主采的6#復合煤層，該煤層屬于層狀構造，其結構主要呈現為線理狀和條帶狀。該煤層平均厚度為28.8 m，整體埋藏十分平緩，傾角為3°～5°，煤層硬度、韌性、密度普遍較大，脆性稍差。6#煤層以上的巖石臺階主要為黏土巖、泥巖、砂泥巖，巖層高度為38～42 m，屬于堅硬—半堅硬巖石，普氏硬度系數為3.4～6.0。當前巖石臺階的設計傾角為65°，煤層邊坡設計傾角為75°，巖石高臺階長約2 200 m，煤層開采工作分為東西兩區，工作面長度均為1 000 m左右。本研究以東區為例，依據《煤炭工業露天礦設計規范》(GB 50197—2015)和《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)，并結合該礦拋擲爆破實體高臺階的存在期較短(1～2個月)的特征，確定實體高臺階邊坡的儲備安全系數為1.2。根據礦區地質資料并結合現場取樣，在實驗室測得的煤巖體的物理力學參數見表1。

表1 礦區煤巖體物理力學參數

2 爆破振動影響下邊坡穩定性分析

2.1 西區爆破振動影響分析

2.1.1 模型構建

本研究運用基于極限平衡法的Geo-studio軟件中QUAKE/W動力有限元模塊根據西區的實際情況構建了如圖1所示的模型。模型上覆巖層臺階高44 m，坡面傾角65°，中部煤層厚28 m，坡面傾角75°，下部基巖主要為厚72 m的泥巖。整個模型基底長300 m，高144 m。

圖1 臺階剖面模型

2.1.2 計算結果分析

由Geo-studio軟件自帶的地震波模擬現場爆破振動產生的震動波，在西區初始模型的基礎上導入了歷時10 s的地震波(圖2)。地震波傳播至邊坡的瞬間，邊坡向自由面發生了劇烈晃動。軟件默認以0.02 s作為時間步長記錄地震波對邊坡的影響，故10 s的震動共計500步，按每20個時間步長保存一次記錄。在初始應力模型的基礎上再次添加邊坡穩定性分析模塊，基于摩爾-庫倫理論得到的安全系數為1.15[12]，相應的安全儲備系數為1.2，但無法認定邊坡會一定發生破壞。

圖2 振動過程中的地震波譜

受地震波的影響，邊坡的安全系數變化較大，由圖3(a)可知，安全系數在爆破振動過程中劇烈變化，多次降至1.0以下，因此在分析邊坡受振動影響時是否會發生坍塌，應側重于分析爆破振動過程中的邊坡位移量。圖3(b)顯示在持續10 s的振動過程中，實體高臺階邊坡受爆破振動影響產生的永久性位移量約為0.27 m，如此大的位移較易誘發邊坡在原本不穩定的破壞面處發生滑坡。由此可見，爆破振動對邊坡巖層的破壞較大，是影響邊坡穩定性的關鍵因素，因此，在爆破作業后應認真確定邊坡的穩定性。

圖3 爆破振動過程中安全系數及位移隨時間的變化特征

2.2 不同爆破強度下的邊坡穩定性

爆破設計選取的參數不同，產生的爆破振動強度也不同。為研究不同振動強度對邊坡穩定性的影響，本研究設定了4組不同振動強度參數(表2)，在重力場下考慮爆破振動的影響，運用Geo-studio軟件的QUAKE/W模塊，采用摩根斯頓-普賴斯法分析了不同振動強度下的邊坡穩定性，得到的安全系數如表2所示。

表2 振動強度參數設定

由表2可知：隨著爆破振動強度增大，邊坡安全系數趨于減小。數值模擬表明：質點振動加速度超過0.2 g時，邊坡安全系數基本小于1.0，根據《煤炭工業露天礦設計規范》(GB 50197—2015)，安全系數小于1.0的實體高臺階邊坡發生破壞的可能極大。在4種不同振動強度作用下，邊坡產生的位移量如圖4所示。分析圖4可知：當質點的振動加速度a超過0.1 g時，位移大幅高于0.16 m；當a達到0.4 g時，產生的位移量達到1.02 m，產生的位移極大，易導致邊坡產生較大裂縫，在進一步受到降雨、下方煤層開挖擾動的影響后，邊坡極易發生變形破壞。可從降低炸藥量、采用微差爆破、改變裝藥結構、設置人為減振帶、控制爆破頻率減少位移累積等方面采取相關措施，來降低爆破振動危害。

圖4 振動過程中的邊坡累計位移

3 開挖擾動下邊坡穩定性分析

3.1 模型構建

仍以西區為例，運用基于數值模擬法的FLAC3D軟件構建了數值模型進行邊坡穩定性分析。模型剖面長250 m，采煤工作面長400 m，模型高144 m，以Z方向-72 m處為模型的底邊界，沿X正方向開挖，最終形成的模型單元數為95 040個，節點數 102 060個(圖5)。

圖5 三維FLAC3D計算模型

3.2 模擬結果分析

本研究采用開挖上覆巖層的方式來模擬拉斗鏟倒堆作業的過程。數值模擬表明：隨著巖層逐步開挖，經歷不斷卸載、應力釋放、自由變形等一系列過程后，在坡面附近的巖體內會發生應力重新分布(圖6)。分析圖6可知：臺階上方位移矢量向下表現為沉降，中部位移矢量幾乎與坡面平行表現為剪切，開挖位置位移矢量向上表現為剪出，開挖后坡底出現剪切破壞，但整體上邊坡仍處于穩定狀態。根據工作面日采煤進度以及模型尺寸，進行了開挖煤層模擬，每次開挖前進20 m，整個模型開挖分20步完成，最終最大不平衡力逐漸收斂，模型趨于平衡狀態。

圖6 上覆巖層開挖后塑形區分布

由于煤層開挖次數較多，故本研究選取開挖第1、10，19步進行了分析。結果表明：邊坡開挖引起地應力釋放，開挖周圍坡體會產生卸載回彈變形，坡體向自由面移動，并且隨著時間積累變形范圍逐漸擴大；在坡體臨空面處，尤其是坡腳位置，易形成剪應力增高區域，向坡體內部逐漸減弱；卸載過程中應力釋放量最大的位置位于開挖面周圍，從模型側面來看，坡體由上至下依次呈沉降、剪切、剪出狀態，整體易形成圓弧形剪切破壞。

開挖卸載使地層特別是開挖后的部分煤巖層隆起現象較明顯，煤層在開挖過程中，基底巖層隆起的程度呈先增大后逐漸減小的趨勢，在開挖至中間位置時隆起程度達到最大。上覆巖層開挖后，煤層隆起量達222.6 mm，煤層全部開挖完畢后，基巖隆起量為233.5 mm，本研究模擬開挖后的位移變化特征基本符合實際情況。本研究數值模擬得出的邊坡安全系數為1.18，表明在開挖過程中，邊坡勉強能夠維持穩定狀態，但經過爆破振動和開挖的復合作用后，邊坡安全系數將大大降低，極易造成滑坡或大面積垮落。

4 結 語

以我國西北地區的某露天煤礦為例，針對該礦在拋擲爆破及煤層開挖過程中高臺階、大坡角邊坡嚴重影響了礦山安全生產的實際情況，分別運用極限平衡法與數值模擬法計算出了實體高臺階在爆破振動、煤層開挖影響下的安全系數。研究表明：拋擲爆破實體高臺階邊坡穩定性較為脆弱，生產過程中可通過優化邊坡幾何參數、爆破工藝與網絡以及開挖順序，并配以雷達監測預警系統來確保礦區安全高效作業。

[1] 鄭穎人.巖土數值極限分析方法的發展與應用[J].巖石力學與工程學報，2012，31(7)：1297-1316.

[2] 王玉平，曾志強，潘樹林.邊坡穩定性分析方法綜述[J].西華大學學報(自然科學版)，2012，31(2)：101-105.

[3] 劉漢東，賈金祿.巖土工程數值計算方法[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[4] 鄭穎人，趙尚毅，鄧楚鍵，等.有限元極限分析法發展及其在巖土工程中的應用[J].中國工程科學，2006，8(12)：39-62.

[5] 賈住平，鄭祿璟，姚 松.極限平衡法與有限元強度折減法在露天礦邊坡穩定性分析中的應用對比[J].現代礦業，2016(9)：38-41.

[6] 周瑞龍，鐘 豫.FLAC軟件在某露天采場邊坡穩定性分析中的應用[J].現代礦業，2016(8)：46-47.

[7] 王衛華，李夕兵.離散元法及其在巖土工程中的應用綜述[J].巖土工程技術，2005，19(4)：177-181.

[8] 寇曉東，周維垣，楊若瓊.FLAC3D進行三峽船閘高邊坡穩定分析[J].巖石力學與工程學報，2001，19(5)：630-633.

[9] 竇寶松，陳秀軍.邊界元法及其在巖土工程中的應用[J].水利水電技術，2013，44(10)：49-51.

[10] 黃盛銓，劉 君，孔憲京.強度折減DDA法及其在邊坡穩定分析中的應用[J].巖石力學與工程學報，2008(S)：1799-1806.

[11] 張國新，趙 妍，石根華，等.模擬巖石邊坡傾倒破壞的數值流形法[J].巖土工程學報，2007，29(6)：800-805.

[12] 劉 杰，李建林，王樂華，等.三種邊坡安全系數計算方法對比研究[J].巖石力學與工程學報，2011(S)：2896-2903.