露天煤礦壓幫內(nèi)排端幫穩(wěn)定性變化規(guī)律研究

周永利，才慶祥，周 偉，陸 翔

（1.神華準能集團有限責任公司 科學技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 準格爾010300；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116）

保持邊坡穩(wěn)定性在露天煤礦煤炭開采過程中是十分重要的問題。邊坡的失穩(wěn)將會使邊坡維護工作難度加大，滑坡事故發(fā)生后更是會導致極大的經(jīng)濟利益損失以及露天礦生產(chǎn)工作的停滯[1-7]。

對露天礦產(chǎn)生的剝離物進行壓幫內(nèi)排能夠大大減少剝離物的提升高度，縮短運輸距離，降低運輸成本，提高礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益[8-9]。露天煤礦在開采過程中為了保證作業(yè)的安全性，需要預留保護平臺，使邊坡角度處于一個較低的水平，當露天煤礦進行端幫殘煤回收時，會對邊坡底部的煤層進行開挖，從而導致端幫的暴露[6]。內(nèi)排壓腳法是露天煤礦為了避免端幫長時間暴露常采用的一種工藝方法，而端幫的暴露時間就決定于內(nèi)排工作的跟進速度，壓幫內(nèi)排的快速跟進能夠有效減少端幫的暴露時間，所以壓幫內(nèi)排是解決靠幫開采導致端幫穩(wěn)定性下降這一問題的最佳解決途徑[5]?？梢娺吰路€(wěn)定性問題已成為制約露天煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效作業(yè)的主要因素，為此通過力學理論分析及數(shù)值模擬計算方法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，探究內(nèi)排跟進過程中，端幫穩(wěn)定性的變化過程[10-15]，對端幫完全靠幫結(jié)束時逐步進行內(nèi)排這一過程中邊坡穩(wěn)定性變化展開研究。

1 壓幫內(nèi)排對端幫穩(wěn)定性影響的作用機理

回填壓腳是治理邊坡問題常用的一種技術(shù)手段，對于邊坡下部潛在滑動出口位于邊坡坡腳位置，而且邊坡臨空位置空間充足、地勢平坦的情況，回填壓腳技術(shù)相比于其它治理措施有著明顯的優(yōu)勢，因此在邊坡治理中有著非常廣泛的應用。露天煤礦利用回填壓腳的方法則是直接通過將剝離物進行壓幫內(nèi)排，該方法能夠就地取材使用剝離物，一方面減少運輸距離加快了排土工作，增加了經(jīng)濟效益，另一方面提高了端幫穩(wěn)定性[16]。

露天煤礦端幫在進行靠幫開采時往往需要內(nèi)排的及時跟進以減少端幫的暴露時間，剝離物的內(nèi)排能夠?qū)Χ藥偷钠履_進行壓實，避免巖體裂隙的持續(xù)發(fā)育[17]。同時內(nèi)排臺階自身擁有一定的抗剪強度，當端幫開始出現(xiàn)下滑的趨勢時，內(nèi)排臺階能夠阻擋潛在滑面從坡腳位置剪出，從而改變潛在滑動面的位置，以達到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。內(nèi)排土場壓坡腳作用機理如圖1。

內(nèi)排土場安全系數(shù)Fs表達式為:

圖1 內(nèi)排土場壓坡腳作用機理Fig.1 Action mechanism of pressure slope foot of inner dump

式中：p 為內(nèi)排土場對端幫產(chǎn)生的壓力；W 為潛在滑動面上部滑體的重力；C 潛在滑動面上的黏聚力；φ 為潛在滑動面上的內(nèi)摩擦角；L 為潛在滑動面長度；ψ 為內(nèi)排土場壓力方向與潛在滑動面的夾角；β 為潛在滑動面與水平方向的夾角。

式中p（cosψ+sinψtanφ）則是由內(nèi)排土場給端幫提供的抗滑作用力，提高了端幫穩(wěn)定性。然而單單從二維剛體極限平衡法對內(nèi)排土場進行支擋效果分析無法對內(nèi)排跟進距離進行分析，仍然存在與實際不相符的地方，會使計算結(jié)果偏于保守[18]。而FLAC3D能夠從三維角度考慮內(nèi)排跟進時的三維支擋效應，與實際更為相近。

2 端幫邊坡地質(zhì)模型

通過地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該煤礦內(nèi)的煤系地層均無含水地層，基本不存在涌水的問題，受地下水影響較小，所以在進行邊坡穩(wěn)定性分析時不需對水的影響加以考慮。為了分析內(nèi)排過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，建立了4 個邊坡模型，分別為：①模型Ⅰ：未內(nèi)排，即端幫靠幫結(jié)束時的模型；②模型Ⅱ：內(nèi)排壓幫1/3；③模型Ⅲ：內(nèi)排壓幫2/3；④模型Ⅳ：內(nèi)排完全壓幫。其中內(nèi)排臺階高度為30 m，端幫上的每個臺階高度為15 m，內(nèi)排過程的邊坡地質(zhì)模型如圖2。

圖2 內(nèi)排過程的邊坡地質(zhì)模型Fig.2 Slope geological model of the internal discharge process

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 邊坡剪切應變增量狀態(tài)

各個模型的剪切應變增量云圖如圖3。模型Ⅰ～模型Ⅲ3 個模型中巖體產(chǎn)生的最大剪切應變均在坡腳位置，隨著內(nèi)排的跟進，高剪切應變區(qū)域范圍一直在向臨空位置縮小、轉(zhuǎn)移。坡腳剪應力集中程度越為明顯，巖體剪切應變量的降低表明了巖體破壞程度的下降。模型Ⅳ中的最大剪切應變位置甚至轉(zhuǎn)移到了應力水平較高邊坡后方。未內(nèi)排的初始模型中最大應變增量為2.48×10-2左右，當內(nèi)排跟進到第2 個階段（模型Ⅲ）時，最大應變增量9.93×10-6，可見內(nèi)排壓幫的進行有效減少了坡腳位置巖體的應變破壞變形。

圖3 剪切應變增量云圖Fig.3 Slope geological model of the internal discharge process

3.2 邊坡變形狀態(tài)

不同內(nèi)排跟進距離下的邊坡變形情況如圖4。內(nèi)排跟進距離為0、110、220、330 m 所對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.05、1.17、1.23、1.27。當端幫靠幫結(jié)束后，邊坡安全系數(shù)為1.05，邊坡幾乎處于極限平衡狀態(tài)，同時邊坡巖體朝臨空面的方向變形量也比較大，邊坡最大變形量達到了33 cm。當內(nèi)排跟進了110 m 時，邊坡的安全系數(shù)得到了較大提高，達到了1.17，而且邊坡巖體最大變形量也降到了3 mm。隨著后續(xù)內(nèi)排工作的跟進，邊坡安全系數(shù)也在一直增加，但是邊坡安全系數(shù)的增加幅度呈現(xiàn)出了減小的趨勢。

圖4 不同內(nèi)排跟進距離下的邊坡變形情況Fig.4 Slope deformation under different follow-up distances of the internal discharge

根據(jù)不同內(nèi)排跟進距離的云圖可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)排的跟進對邊坡巖體的變形產(chǎn)生了很大的影響，尤其是當端幫由未內(nèi)排-內(nèi)排跟進110 m 時的這一過程，邊坡的最大變形位置從整個邊坡底部轉(zhuǎn)移到了未進行內(nèi)排壓幫的邊坡底部位置。當內(nèi)排跟進距離為220 m 時，產(chǎn)生大變形的范圍進一步縮小，基本完全集中在了最下部2 個平盤位置。當內(nèi)排跟進距離達到330 m 時，大變形的范圍轉(zhuǎn)移到了上部未進行壓幫內(nèi)排的平盤位置，也呈現(xiàn)出一種整體滑動的趨勢，但是最大變形量相比較于未內(nèi)排的情形已經(jīng)有了很明顯的下降。可見端幫巖體的變形范圍和變形量在內(nèi)排跟進過程中得到了有效的控制，內(nèi)排臺階對端幫起到了非常有效的保護和阻擋作用。

為了詳細地分析內(nèi)排跟進時端幫變形的變化過程，在FLAC3D中對第三級平盤的坡頂線每隔30 m設置了1 個位移監(jiān)測點，共12 個監(jiān)測點。其中未內(nèi)排模型在每個臺階上的變形量完全一致，未內(nèi)排模型在第三級平盤的變形量為0.264 m，第三級平盤坡頂線監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖略）。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，未進行內(nèi)排的跟進時，通過未內(nèi)排模型（模型Ⅰ）可以發(fā)現(xiàn)邊坡的位移量很大，各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)均處在分米級，最大位移量達到了0.275 m。在內(nèi)排跟進110 m 的模型（模型Ⅱ）內(nèi)前5 個監(jiān)測點位移值均很小，這5 個監(jiān)測點均位于內(nèi)排臺階上部，第10 個以及后面的監(jiān)測點相比于前面監(jiān)測點變形量處于一個較高的水平。內(nèi)排跟進220 m 的模型（模型Ⅲ）和內(nèi)排跟進330 m 的模型（模型Ⅳ）的整體變形量極小，但是也表現(xiàn)出了各自的變形規(guī)律，其中模型Ⅲ與模型Ⅱ的變形規(guī)律較為一致，只是在變形增加階段的每個監(jiān)測點的變形量相比較于上一個監(jiān)測點較小。模型Ⅳ的最大變形位置位于邊坡中部，隨著與中部位置距離的增加，變形量在持續(xù)減小，位移分布形式與未內(nèi)排情況一致，呈現(xiàn)近似的對稱分布。

4 結(jié) 語

對露天煤礦靠幫結(jié)束后并進行內(nèi)排壓幫提高邊坡穩(wěn)定性這一過程進行了機理分析，提出了內(nèi)排壓幫后的二維邊坡穩(wěn)定性計算公式。通過FLAC3D軟件對端幫靠幫結(jié)束后未進行內(nèi)排的狀態(tài)進行了穩(wěn)定性分析，得到的安全系數(shù)為1.05。然后又將內(nèi)排壓幫過程分成3 個階段（每次內(nèi)排跟進110 m）進行了穩(wěn)定性分析。當內(nèi)排跟進了110 m，邊坡的安全系數(shù)有了很大的提升，同時邊坡的變形量也由0.264 m 降到了3 mm 左右。后期內(nèi)排的繼續(xù)跟進使得邊坡安全系數(shù)也一直有著小幅度的增加趨勢?？梢娫趦?nèi)排工作的前期，則是工作進度越快邊坡穩(wěn)定性的提升速度越快。根據(jù)計算結(jié)果云圖可以看出內(nèi)排的跟進明顯的減小了端幫巖體的變形范圍和變形量，內(nèi)排臺階的壓坡腳作用有效的增加了邊坡穩(wěn)定性。