兩礦之間散體邊坡二次剝離及角度優(yōu)化研究

周 游

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

露天開采作業(yè)過(guò)程中，覆蓋物的剝離和排棄形成了大型的排土場(chǎng)巖土構(gòu)造工程。由于剝離過(guò)程中的松碎和挖掘作業(yè)造成了原始巖層的打亂和混合，統(tǒng)一排棄至排土場(chǎng)之后，混合物料呈散體狀態(tài)在排土場(chǎng)堆載形成一定強(qiáng)度的巖土混合物。散體邊坡的強(qiáng)度不同于原巖邊坡的強(qiáng)度，并且在堆載過(guò)程中不斷變化，其強(qiáng)度將決定邊坡穩(wěn)定性及露天礦安全生產(chǎn)。

為了研究黑岱溝露天煤礦轉(zhuǎn)向期間內(nèi)排土場(chǎng)散體邊坡的穩(wěn)定性，并設(shè)計(jì)合理的散體邊坡角度，為準(zhǔn)確期間坑內(nèi)的人員設(shè)備安全和作業(yè)空間提供足夠的技術(shù)保障，本項(xiàng)目采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合性研究方法，針對(duì)黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)堆積散體的自然安歇角度與散體顆粒之間的函數(shù)關(guān)系及其力學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，給出經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的散體邊坡角度。同時(shí)，對(duì)排棄物料特別是大塊巖石滾落規(guī)律進(jìn)行研究，圈定大塊巖石的滾落范圍。

對(duì)于不同強(qiáng)度的重塑壓力與重塑巖體抗剪強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，以及重塑時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)于重塑巖體強(qiáng)度的影響規(guī)律尚不明確，本次研究借助實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定不同重塑壓力及不同重塑時(shí)間的重塑巖體的抗剪強(qiáng)度，揭示它們之間存在的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)露天礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析進(jìn)行改進(jìn)和完善。

1 散體物料堆載變形及力學(xué)強(qiáng)度研究

1.1 散體堆載過(guò)程沉降量

對(duì)于不同粒徑的散體物料在排土場(chǎng)混合排棄，在不同的垂向壓力(堆載高度)條件下，散體物料表現(xiàn)出不同程度的壓密固結(jié)。相同高度的臺(tái)階在排土場(chǎng)進(jìn)行堆載所呈現(xiàn)的堆載壓力為均布荷載，在此條件下，任一垂直截面都是荷載的對(duì)稱面，且側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱?，即x=y=0。側(cè)向應(yīng)力對(duì)稱相等，存在如下關(guān)系：

(1)

式中：σx——x方向應(yīng)力，kN；

σy——y方向應(yīng)力，kN；

σz——z方向應(yīng)力，kN；

μ——泊松比。

根據(jù)散體物料綜合的變形模量E0和泊松比μ這兩個(gè)彈性常數(shù)，可得到物料的垂向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(2)

將式(1)代入式(2)可得：

(3)

在均勻荷載σz的作用下，散體物料會(huì)產(chǎn)生沉降，對(duì)于高度為h的散體物料，其沉降值S為：

(4)

由此可知，隨著垂向壓力(堆載高度)σz的增加，z向應(yīng)變量εz和沉降量S均呈線性增長(zhǎng)。散體物料重塑存在孔隙壓密和排水過(guò)程，這一過(guò)程所需的時(shí)間長(zhǎng)度因巖性不同而異；對(duì)于粘性土，需要很長(zhǎng)一段時(shí)間完成排水固結(jié)；對(duì)于砂質(zhì)土，則只需要很短時(shí)間便可完成重塑過(guò)程中的排水固結(jié)。

1.2 散體物料長(zhǎng)期堆載后的強(qiáng)度測(cè)試

為了準(zhǔn)確測(cè)定散體物料堆載之后的綜合物理力學(xué)參數(shù)，本研究采用原位試驗(yàn)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，原位測(cè)試的是大型巖土試樣的力學(xué)指標(biāo)，即巖土層保持原狀態(tài)不變時(shí)，測(cè)定巖土的工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

按照選定的原位試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，將試驗(yàn)樣品制備成1 m3巖塊，在左右兩側(cè)距離中心各1.4 m處，分別安裝1根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索上安裝有垂壓承載工字鋼梁，工字梁和巖樣頂面之間安裝1個(gè)垂壓千斤頂，最大可施加10 t的垂向荷載。平行于工字鋼梁的巖樣兩個(gè)側(cè)面，選擇其中1個(gè)作為剪切面，在剪切面、剪切基礎(chǔ)面以及巖樣頂面各放置1塊1 m2的承壓鋼板，剪切力由4個(gè)同型號(hào)的千斤頂同時(shí)施加，4個(gè)千斤頂在剪切面等間距放置，在最外側(cè)的兩個(gè)千斤頂上各固定1個(gè)千分表，以記錄巖樣的剪切位移。所有的設(shè)備安裝完畢，并調(diào)試好之后，依次進(jìn)行多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的原位實(shí)驗(yàn)。

原位試驗(yàn)點(diǎn)1總共施加了4級(jí)垂直荷載，分別是23 kPa、40.95 kPa、51.43 kPa和61.9 kPa，得到的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 原位試驗(yàn)點(diǎn)1的剪切位移曲線

與各級(jí)正壓力對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力分別是19.20 kPa、23.04 kPa、34.56 kPa和38.40 kPa。根據(jù)正壓力與剪應(yīng)力的關(guān)系，得到圖2所示的正壓力—剪應(yīng)力曲線。

圖2 原位試驗(yàn)點(diǎn)1的正壓力-剪應(yīng)力曲線

由圖2可以得出原位試驗(yàn)點(diǎn)1的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：粘聚力C=5.51 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27.72°。

綜合多組原位試驗(yàn)結(jié)果得到散體邊坡的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 排棄物的主要物理力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試

2 兩礦之間散體邊坡穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 散體邊坡穩(wěn)定性分析

黑岱溝露天礦從首采區(qū)轉(zhuǎn)到二采區(qū)后，二采區(qū)工作線與哈爾烏素礦露天工作線出現(xiàn)平行推進(jìn)的狀況。哈爾烏素礦的推進(jìn)位置超前黑岱溝礦5年左右，即在哈爾烏素礦剛壓幫內(nèi)排后，黑岱溝礦就要進(jìn)行二次剝離，從經(jīng)濟(jì)角度考慮不合理。若哈爾烏素礦內(nèi)排時(shí)能夠?yàn)楹卺窚系V二采區(qū)開采時(shí)留溝，黑岱溝礦的二次剝離量就會(huì)減少。哈爾烏素礦的推進(jìn)位置超前黑岱溝礦，按照現(xiàn)狀推進(jìn)進(jìn)度，哈爾烏素礦內(nèi)排土場(chǎng)上部臺(tái)階恰同黑岱溝礦采場(chǎng)上部臺(tái)階共線。哈爾烏素礦壓幫留溝物料排棄完成后，很快又由黑岱溝礦進(jìn)行剝離，最終黑岱溝礦形成松散巖體端幫邊幫。

2.1.1 邊坡穩(wěn)定性分析模型構(gòu)建

黑岱溝露天煤礦采場(chǎng)一側(cè)端幫坡為非松散體幫坡，有足夠的穩(wěn)定性。可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題的是左側(cè)由松散體堆積形成的幫坡。其上部水平長(zhǎng)時(shí)間暴露，松散體會(huì)出現(xiàn)大幅度沉降以及其他方面的變化，下部水平一段時(shí)間后重新開挖，對(duì)上部水平存在擾動(dòng)，上部水平連接下部水平形成高臺(tái)階幫坡，穩(wěn)定性必須分析，所以模型構(gòu)建主要是針對(duì)斷面左側(cè)部分。為分析松散巖體邊坡破壞機(jī)理，選用FLAC軟件對(duì)上述斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模型如圖3所示。模型邊界條件為底部邊界固定，左右兩側(cè)邊界水平方向位移約束，采用平面應(yīng)變模型假設(shè)。在數(shù)值計(jì)算中，巖體變形破壞遵循摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖3 FLAC3D數(shù)值模擬模型

2.1.2 整體邊坡變形破壞機(jī)理分析

為真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬松散巖體在內(nèi)排土場(chǎng)堆載的過(guò)程，在數(shù)值模擬中，內(nèi)排土場(chǎng)的若干排土臺(tái)階逐級(jí)堆載，每次堆載產(chǎn)生的不平衡力會(huì)對(duì)散體物料進(jìn)行逐級(jí)加載，造成不同區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)差異較大。通過(guò)分析得到松散巖體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.29，其剪應(yīng)變情況以及位移矢量分布如圖4所示。由圖4可以看出，邊坡位移量最大位置位于排土場(chǎng)后方，表現(xiàn)為豎直方向的沉降，排土場(chǎng)底部臺(tái)階位移矢量指向右，說(shuō)明邊坡底部臺(tái)階有水平向右的滑動(dòng)趨勢(shì)，但是受排土場(chǎng)前方反坡的壓腳作用，位移量較小，在合理范圍之內(nèi)。結(jié)合邊坡變形矢量方向中可以看出，邊坡堆載至+1240 m平盤時(shí)上部臺(tái)階仍在變形，變形方向以豎直向下的沉降為主，變形速率極小可忽略不計(jì)，排土場(chǎng)底部臺(tái)階變形已經(jīng)完成。

圖4 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D及位移矢量圖

由于邊坡堆載，引起應(yīng)力重分布，邊坡周圍應(yīng)力跡線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，其總體特征表現(xiàn)為愈靠近臨空面，應(yīng)力愈接近平行于臨空面。由于受到上部排棄物料的作用，在排土場(chǎng)基底后方豎直應(yīng)力較大，但邊坡其他位置水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力均較小，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。邊坡整體失穩(wěn)將發(fā)生于強(qiáng)度軟弱帶或應(yīng)力集中區(qū)，該部位松散體單元將產(chǎn)生不同程度的不可恢復(fù)的塑性變形，若發(fā)生塑性變形的軟弱帶或應(yīng)力集中區(qū)相互貫通，則表明邊坡內(nèi)將在相互貫通的剪切破壞面發(fā)生整體失穩(wěn)。采場(chǎng)塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可以看出，排土場(chǎng)基底后方基巖由于上部載荷較大，產(chǎn)生部分壓剪破壞，但破壞范圍不大，對(duì)邊坡整體的穩(wěn)定性影響較小。

圖5 塑性區(qū)分布圖

在排土場(chǎng)基底煤層底板軟巖層中出現(xiàn)的剪切應(yīng)變較大，且產(chǎn)生大量壓剪破壞，在排土場(chǎng)內(nèi)部有向上發(fā)展的趨勢(shì)，但是塑性區(qū)并未貫通形成連續(xù)的滑面。對(duì)邊坡變形的分析可知，邊坡變形基本已經(jīng)完成，所以邊坡下部臺(tái)階的塑性破壞并不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，因此可以判斷當(dāng)排土場(chǎng)堆載至+1240 m平盤時(shí)，邊坡整體是穩(wěn)定的。

2.2 邊坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于端幫角度決定條區(qū)的二次剝離量，從而進(jìn)一步影響礦區(qū)的平均剝采比，因此提高端幫邊坡角度可以很大程度上降低兩礦之間的二次剝離量?；谶@一思路，對(duì)散體邊坡角度進(jìn)行優(yōu)化，研究其可以保證安全生產(chǎn)的最大安全角度。

2.2.1 南端幫二次剝離邊坡角度優(yōu)化

黑岱溝礦轉(zhuǎn)向期間，涉及的散體邊坡有兩大類：一類是剝離物內(nèi)排形成的排土場(chǎng)松散邊坡，另一類是對(duì)哈爾烏素礦內(nèi)排土場(chǎng)二次剝離揭露的散體邊坡，這兩類散體邊坡的存在時(shí)間不同，沉降效果不同，膠結(jié)程度差異較大。由于哈爾烏素礦二次剝離物的排棄時(shí)間較長(zhǎng)，軟、硬巖交互重塑及膠結(jié)狀態(tài)要明顯優(yōu)于內(nèi)排土場(chǎng)散體邊坡，能夠保持較大角度狀態(tài)下的短期穩(wěn)定，結(jié)合分析結(jié)果，確定其單一臺(tái)階邊坡角度為45°，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行南端幫散體邊坡整體角度的優(yōu)化，通過(guò)不斷的調(diào)整端幫邊坡角度得到散體邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨角度的變化曲線如圖6所示。

2.2.2 北端幫幫內(nèi)排散體邊坡

北端幫內(nèi)排臺(tái)階為轉(zhuǎn)向前首采區(qū)正常推進(jìn)過(guò)程中的主要內(nèi)排土作業(yè)區(qū)，其松散程度遠(yuǎn)大于南端幫，根據(jù)二維和三維模擬結(jié)果，充分考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，確定北幫內(nèi)排土場(chǎng)的臺(tái)階邊坡角為40°，通過(guò)不斷調(diào)整北端幫整體角度，得到其最佳邊坡角度為23°。穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖7所示。

圖6 南端幫二次剝離邊坡不同角度所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)

圖7 北幫邊坡散體邊坡不同角度所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)

通過(guò)對(duì)南、北端幫散體邊坡角度的優(yōu)化，得到了南端幫的最佳角度為25°，北端幫的整體角度為23°，按照這些參數(shù)進(jìn)行開采，可以保證兩個(gè)端幫邊坡在開采期間的安全穩(wěn)定，同時(shí)能保證礦山剝采比達(dá)到最佳值，對(duì)于礦山整體經(jīng)濟(jì)效益較為有利。

3 結(jié)論

黑岱溝與哈爾烏素露天礦共用端幫為排土場(chǎng)散體物料經(jīng)二次剝離之后形成的高陡邊坡，北端幫為內(nèi)排形成的散體邊坡，采用原位試驗(yàn)測(cè)定散體物料的物理力學(xué)參數(shù)，然后借助FLAC數(shù)值模擬評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，并進(jìn)行邊坡角度優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

(1)南端幫為哈爾烏素內(nèi)排土場(chǎng)二次剝離形成的散體邊坡，開采現(xiàn)狀的

穩(wěn)定系數(shù)為1.29，通過(guò)角度調(diào)整可達(dá)到的最佳角度為25°。

(2)北端幫為黑岱溝內(nèi)排土場(chǎng)形成的散體邊坡，初始穩(wěn)定系數(shù)為1.30，通過(guò)角度調(diào)整得到其最佳角度為23°，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為1.10。

(3)優(yōu)化后的南、北端幫散體邊坡角度可以保證露天礦的安全生產(chǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)在礦區(qū)的整體剝采比達(dá)到最優(yōu)。

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