季節性巖土強度差異下的靠幫開采及效益分析

馬忠輝，黃玉凱，陳樹召，潘朝港

（1.國家能源投資集團有限責任公司，北京100013；2.神華寶日希勒能源有限公司 生產技術部，內蒙古 呼倫貝爾021599；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221116）

季凍土一般指冬季凍結、夏季完全融化的土，我國季凍土分布范圍廣泛，約占我國國土面積的55%[1]。在我國內蒙古自治區的一些露天煤礦，氣候季節性分明，存在剝離作業期和剝離停產期，季節大致可分為夏季和冬季。分別受夏季干旱氣候和冬季嚴寒氣候的影響，邊坡巖層物理力學參數在兩季呈現差異，外加冬季邊坡表層凍土的影響，露天礦邊坡穩定性發生變化[2-3]。露天煤礦在生產過程中，出于安全生產的目的，當開采達到最終境界且端幫邊坡角達到設計角度時，端幫邊坡穩定性系數尚有一定的安全余量，邊坡角度偏小會造成部分煤炭資源被端幫壓覆無法采出。靠幫開采是基于時效邊坡理論，通過內排壓幫增大暴露端幫的穩定性，提高端幫邊坡角，增加煤炭資源回收量或者減少剝離工作量的開采方式，具有顯著的經濟效益[4-5]。

煤炭的市場需求一般為冬季大、夏季小。因此，為了適應不同季節的資源需求波動規律，基于凍融作用下巖土強度理論[6]，結合冬夏兩季端幫穩定性差異，在冬夏兩季露天礦的生產中分別設計不同的端幫邊坡角，在保證安全的前提下同時提高冬季的采煤量和經濟效益。在冬季凍結期向夏季過渡的解凍期內，凍土層逐漸發展為融化層，巖層的強度發生衰減，由于端幫邊坡角過高而使得端幫穩定性系數下降，危及露天礦的安全生產。此時，采用增加內排壓幫土方量的方式提高解凍期的端幫穩定性，保障解凍期內露天礦端幫作業的安全性。為此，以內蒙古某露天煤礦二采區北端幫為背景，對巖土強度、穩定性分析結果和效益等指標進行量化研究。

1 凍融作用下巖土強度差異分析

凍土是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。它區別于融土的最本質特征是冰的存在，通常情況下融土是由巖土顆粒、水和空氣組成的三相體系，而凍土是由巖土顆粒、水、空氣和冰組成的四相體系。即使在較低的溫度下，凍土中仍然有一部分未凍水存在。在特定溫度下，凍土在未受力時，未凍水與冰之間處于動態平衡狀態；而在受力過程中，未凍水含量會增大。Othman 和Benson 對一種正常固結土的凍融試驗發現，凍融作用后土的密度增大[7]。

凍土與融土在剪切過程中，剪切面貫穿的物質成分存在差異，融土剪切面經過巖土顆粒、水和空氣，而凍土剪切面經過巖土顆粒、水、空氣和冰。在巖土的凍結過程中，巖土顆粒間一部分孔隙水由于凍結作用變成冰晶，冰的密度小于水，導致巖土體積膨脹。凍土與融土的剪切面貫穿物質成分細觀圖如圖1。

圖1 剪切面貫穿物質成分細觀圖Fig.1 Microstructure of material composition across shear plane

圖1 呈現了由巖土顆粒以及顆粒孔隙間空氣、水和冰組成的細觀結構。由于冰晶的生成，在單位體積內冰晶壓縮了孔隙間空氣的體積，且剪切面貫穿物質成分中含冰量明顯上升。由此推斷凍土抗剪強度高于融土的原因：①冰晶強度高于水的強度，凍土中剪切面貫穿的含冰量高于融土；②冰晶的生成填補了孔隙間的部分空氣體積，使剪切面貫穿的空氣含量減少。

1.1 抗剪強度變化規律

根據莫爾-庫倫準則，巖土的抗剪強度τ=σtanφ+C，其中σ 為正應力，φ、C 分別為巖土的內摩擦角和黏聚力。通過試驗證實，莫爾-庫倫準則依然適用凍土的強度[8-9]。當考慮溫度的影響時，抗剪強度為：

式中：φ（T）、C（T）為溫度效應下的內摩擦角與黏聚力。

利用應變控制式直剪儀與凍融箱進行直接剪切試驗，試樣直徑為6.18 cm、高度為2 cm，試樣為粉末狀黃土和矸石，密度分別為1.803、2.104 t/m3。進行4 組黃土和4 組矸石凍融作用下的直接剪切試驗，黃土的抗剪強度線性回歸線如圖2，矸石與黃土的趨勢相似。

由圖2 可知，凍結狀態線性回歸線位于融化狀態線性回歸線的上方，說明抗剪強度的值，凍結狀態下大于融化狀態。從凍結狀態發展到融化狀態的過程中，巖土中發生水分遷移、含冰量減少和土體各種成分的重新排列組合，造成了巖土體孔隙和土骨架特征的變化，力學性質發生改變。

1.2 內摩擦角和黏聚力變化規律

在凍融過程中，巖土結構性的2 個要素：即巖土顆粒的結構形態和巖土顆粒間的聯結發生了改變。前者與內摩擦角φ 密切相關，而后者對黏聚力C 影響更顯著。

依次按照抗剪強度線性回歸線，計算求得各組巖土的內摩擦角φ 和黏聚力C。凍融作用下黃土和矸石的內摩擦角和黏聚力的分析曲線如圖3 和圖4。

圖2 黃土凍結-融化抗剪強度線性回歸線Fig.2 Linear regression line of freeze-melt shear strength of loess

圖3 凍結-融化內摩擦角曲線Fig.3 Internal friction angle curves of freeze-melt

圖4 凍結-融化黏聚力曲線Fig.4 Cohesion curves of freeze-melt

由圖3 可知，根據黃土和矸石凍結-融化內摩擦角曲線，2 種巖性情況下，凍結狀態內摩擦角曲線位于融化狀態內摩擦角曲線的下方，說明內摩擦角的值，凍結狀態下小于融化狀態。由圖4 可知，根據黃土和矸石凍結-融化黏聚力曲線，2 種巖性情況下，凍結狀態黏聚力曲線位于融化狀態黏聚力曲線的上方，說明黏聚力的值，凍結狀態下大于融化狀態。

試驗結果表明，巖土從凍結狀態發展到融化狀態的過程中，內摩擦角φ 和黏聚力C 的變化趨勢相反，即φ 增大，而C 減小。2 個參數在凍融作用下有如此變化趨勢的原因為：內摩擦角的增大是由于凍融過程中大孔隙所占的比例下降，巖土顆粒間的接觸點增多有利于摩擦力的發揮；而黏聚力的降低則是由于冰晶的生長破壞了巖土顆粒間聯結導致結構弱化。

2 季節性端幫穩定性分析

邊坡穩定性的判定依據是抗滑力與下滑力或者抗滑力矩與下滑力矩的比值，并將其與1.0 進行比較來判斷穩定性系數是否達標。在基于時效邊坡理論的邊坡穩定性評價中，端幫屬于臨時性邊坡，穩定性系數應滿足1.10。

某露天礦北端幫剖面地層巖性自上而下依次是：黏土、砂礫巖、1-2 煤、砂泥互層、2-1 煤、砂巖、3煤和砂巖。運用Geo-Slope 穩定性分析軟件，采用Morgenstern-Price 法，分別計算冬夏兩季的北端幫穩定性系數，確定安全、經濟的端幫邊坡角[10-11]。

2.1 模型與參數

在該露天煤礦，每年的10 月下旬到來年的4 月上旬，裸露在外的表土會形成季節性凍土，這一時期為露天礦的凍結期。凍結期持續時間大約為6 個月，凍土層厚度大約為3.0 m。

進行靠幫開采內排壓幫時，內排壓幫臺階的高度一般為正常工作幫臺階高度的2～3 倍，現采用條分式靠幫開采[12-13]，壓端幫底腳的臺階寬度取40 m，并用與端幫底腳高度相同的內排臺階及時跟進壓幫，臺階高度為24 m。構建的端幫穩定性分析模型如圖5。

圖5 端幫穩定性分析模型Fig.5 Stability analysis model of end-slope

如圖5，冬季模型相對于夏季模型，主要區別在于端幫邊坡夏季3 m 厚的表土層發展為冬季的凍土層。根據Mohr-Coulomb 準則，所需地層的物理力學參數由試驗測得，夏季端幫地層物理力學參數見表1,冬季端幫地層物理力學參數見表2。

表1 夏季端幫地層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of end-slope in summer

表2 冬季端幫地層物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of end-slope in winter

2.2 季節性端幫穩定性

由選取方案及穩定性系數計算得: ①夏季端幫在邊坡角為23°、28°、34°、38°、39°、40°時穩定性系數FsX分別為1.701、1.453、1.235、1.135、1.102、1.079；②冬季端幫在邊坡角為23°、28°、34°、38°、39°、40°、41°、42°時穩定性系數FsD分別為1.804、1.587、1.316、1.217、1.185、1.167、1.149、1.088。

夏季端幫在39°、40°時穩定性系數分別為1.102、1.079，冬季端幫在41°、42°時穩定性系數分別為1.149、1.088，因此滿足端幫穩定性系數大于1.10時，確定的端幫邊坡角夏季為39°，冬季為41°。季節性端幫穩定系數分析結果見表3。

由表3 可知，隨著端幫邊坡角增大，冬夏兩季的端幫穩定性系數都出現明顯下降，不利于端幫的生產安全。端幫邊坡角從23°增大到39°，夏季端幫穩定性系數Fs從1.701 下降到1.102，下降幅度為35.21%，單位角度穩定性系數下降幅度Xd為2.20%；相同角度時，冬季相對于夏季，端幫穩定性系數增大，冬季端幫穩定性更好。根據季節性端幫穩定系數分析結果，不同角度時冬季端幫相對于夏季端幫穩定性系數強化幅度都在6.06%以上，平均強化幅度Qp達到7.34%，說明在合理的端幫邊坡角范圍內，穩定性系數滿足規范要求時，季節性靠幫開采方案可行。

表3 季節性端幫穩定性系數分析結果Table 3 Analysis results of stability coefficients of seasonal end-slope

一般的，當夏季的端幫邊坡角從a 提高到b 時，穩定性系數Fs從m 下降到n，單位角度穩定性系數下降幅度為2.20%，而冬季端幫在邊坡角為b 時穩定性系數為k（k＞n，因為FsD＞FsX）,冬季端幫相對于夏季端幫穩定性系數平均強化幅度達到7.34%，因此季節性穩定性系數平均強化幅度Qp大于單位角度穩定性系數下降幅度Xd；若穩定性系數Fs＞1.10且n＜1.10，k＞1.10，則穩定性系數滿足規范要求，說明靠幫開采將端幫邊坡角從夏季的a 提高到冬季的b 是可行的，而季節性靠幫開采方案最終確定的冬季端幫最大安全角度c，則有可能大于b。

在該實例中，滿足上述結果時，a=39°，b=40°，c=41°。因此當穩定性系數滿足規范要求時，季節性靠幫開采方案可將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°。

3 季節性靠幫開采效益及安全保障措施

基于靠幫開采和內排壓幫技術，進行北端幫季節性靠幫開采效益分析，并提出過渡期端幫安全控制措施。

3.1 靠幫開采經濟效益

根據需要，靠幫開采有2 種方式：①深部境界固定，地表境界內縮，該方式主要是為了減少端幫的剝離量；②地表境界固定，深部境界外擴，該方式主要是為了增加端幫煤炭的回收量。

為了增加煤炭資源的采出量，提高經濟效益，采用靠幫開采的第②種方式，將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°，季節性靠幫開采示意圖如圖6。

圖6 季節性靠幫開采示意圖Fig.6 Sketch map of seasonal steep mining

該露天煤礦年工作日天數取300 d，年推進距離為300 m；靠幫開采時間為凍結期和解凍期內工作日天數之和取163 d；剝離單位成本取6 元/m3；采煤單位成本取8 元/m3；原煤售價取100 元/t；原煤密度取1.15 t/m3。北端幫季節性靠幫開采的剝離成本約為100.63 萬元，采煤成本約為56.42 萬元，采出原煤的銷售收入約為811.10 萬元；因此，季節性靠幫開采經濟效益為654.05 萬元。由此可見，季節性靠幫開采產生的經濟效益十分顯著。

3.2 過渡期端幫安全保障措施

根據氣象數據繪制的該露天煤礦的月氣溫變化曲線如圖7。

圖7 月氣溫變化曲線Fig.7 Monthly temperature change curves

由圖7 可知，冬季氣溫大約是從4 月中旬達到0 ℃以上，此時凍結期結束、解凍期開始，5 月時日均氣溫范圍為3～18 ℃，大致可以認為5 月初解凍期結束，因此解凍期持續時間大約為0.5 個月。解凍期內原本裸露在外的凍土層發展為融化層。融化層巖體含水率增加，密度增大，物理力學參數發生變化。融化層穩定性計算指標為：①巖性：表層巖土混合體；②厚度：3.0 m；③黏聚力：20 kPa；④內摩擦角：30°；⑤密度：2.05 t/m3。

經計算，解凍期內端幫保持在41°時的穩定性系數為1.036，較冬季的穩定性系數1.149 有明顯下降，不再滿足端幫穩定性系數1.10 的要求。為了增強解凍期的端幫穩定性，保障端幫的安全，采用增加內排壓幫土方量的方式，提高解凍期的端幫穩定性系數。解凍期內排壓幫土方量的增加值△V 如圖8。

圖8 解凍期端幫安全保障措施Fig.8 Safety control measures during thawing time

以5 m 為單位依次增加內排壓幫臺階的寬度，經過穩定性計算，內排壓幫臺階寬度為50 m 時的端幫穩定性系數為1.105，滿足穩定性系數1.10 的要求。因此，解凍期內滿足端幫穩定性要求的內排壓幫臺階尺寸為：臺階高度24 m，臺階寬度50 m。

解凍期增加的內排壓幫土方量：

式中：△V 為增加的內排壓幫土方量，m3；S0為增加的內排壓幫面積，m2；v 為工作面推進速度，m/d；t0為解凍期持續時間，d。

t0取15 d，計算出內排壓幫土方量為3 600 m3。

解凍期內利用增加土方量的方式進行內排壓幫，經濟性合理；保障了端幫在靠幫開采時的安全性，具有良好的經濟與安全效益。

4 結 語

1）綜合季凍土強度理論以及黃土于矸石的直接剪切試驗，表明凍融作用下抗剪強度降低，內摩擦角增大，黏聚力降低。

2）基于凍融作用下巖土強度的差異性，對季節性端幫穩定性進行分析。隨著邊坡角的增大，夏季端幫單位角度穩定性系數下降幅度Xd為2.20%；當端幫保持相同的邊坡角時，計算得到的冬夏兩季的端幫穩定性系數Fs不同，冬季相較于夏季強化幅度在6.06%以上，平均強化幅度Qp達到7.34%，在合理的端幫邊坡角范圍內，穩定性系數滿足規范要求時，季節性靠幫開采方案可行。

3）由于凍結期內存在凍土層以及季節性巖土物理力學性質變化，季節性靠幫開采方案可將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°，提高煤炭回收量8.11 萬t，增加經濟效益654.05 萬元；利用增加內排壓幫土方量3 600 m3的方式，作為過渡期端幫安全保障措施，端幫穩定性系數從1.036 提高到1.105，滿足規范要求。