寶日希勒露天煤礦南幫邊坡靠幫開采方案

馬婧佳，王 勇，黃浩軒，王 珍

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015；2.黃河科技學院建筑工程學院，河南鄭州 450063）

煤炭資源作為基礎能源和工業原材料，在國民經濟體系中占據重要地位[1]。我國露天煤礦產能占據煤炭總產能的15%左右，且該比例呈現逐年遞增的趨勢[2]。伴隨露天煤礦產能、數量的快速增長，邊坡穩定性問題日益嚴峻[3]。

為保障生產安全與經濟效益，露天煤礦端幫往往設計一個合理的幫坡角。然而，隨著采剝工程的逐步發展，露天煤礦端幫可能存在巨大滑坡隱患。尤其對于軟巖露天煤礦，其端幫穩定性問題已成為制約露天煤礦發展的重要課題。針對該問題，廣大學者從不同角度進行深入研究，并取得了豐碩的科研成果。呂金星等[4]從力學理論角度分析了端幫邊坡時效特性及內排壓幫原理，提出了合理的露天煤礦端幫治理措施；張峰瑋[5]分析了露井聯采下端幫穩定性影響因素，并應用二維極限平衡理論提出露井聯采區域端幫穩定性計算方法；周偉等[6]采用FLAC3D軟件對端幫邊坡進行三維模擬，闡明了靠幫開采中內排壓幫對不平衡應力的收斂效應；陳爽等[7]應用數理統計方法分析了端幫邊坡裂隙分布規律，并結合邊坡位移數據提出合理的端幫監測手段及滑坡防治措施；韓流等[8]分析了露天煤礦開采中采、運、排等工序在空間和時間維度上對端幫邊坡穩定性的影響規律，并提出合理的煤礦開采方案。雖然諸多學者對露天煤礦端幫穩定性進行了深入研究，但由于露天煤礦發展形態復雜，對于內排壓幫下端幫邊坡穩定性變化規律尚無統一定論，尤其對于軟巖露天煤礦，其端幫穩定性問題尚未得到有效解決，而大量端幫滑坡事故均發生于軟巖露天煤礦開采過程中。

綜上所述，軟巖露天煤礦端幫穩定性問題對煤礦安全生產帶來嚴重威脅，而在現階段邊坡穩定性分析領域尚未形成統一認識。為此，選取寶日希勒露天煤礦南幫（端幫）軟巖邊坡作為工程背景，綜合運用地質勘察，室內試驗，理論分析，數值模擬等方法，對南幫邊坡穩定性進行深入研究，闡明內排壓幫對邊坡穩定性的增強效應，并給出合理的邊坡優化措施，為礦山安全生產提供理論保障。

1 工程地質概況

寶日希勒露天煤礦南幫（端幫）邊坡地層自上而下依次由新生界第四系、中生界白堊系以及古生界泥盆系構成。其中，新生界第四系全區發育，由湖積、沖積、洪積的表土構成，巖性為粉質黏土。中生界白堊系按巖性組合主要分為4 個巖段：砂、礫巖段以灰色、暗灰色及灰綠色的礫巖以及砂巖為主，中間夾雜薄層泥礫巖和泥巖；砂、泥巖段以灰白色、灰色、深灰色的泥巖以及粉、細砂巖為主，中間夾雜薄層粗砂巖；泥巖段以灰白色、灰色的泥巖以及粉砂巖為主，中間夾雜薄層細砂巖和少量煤層；含煤段巖性以砂巖以及泥巖為主，中間夾雜6 個煤層群，共含有14 組煤層。古生界泥盆系零星出現，其巖性以片理化安山玢巖、綠簾石、安山玄武玢巖和酸性熔巖為主。地質補勘發現南幫邊坡1 煤煤層中部夾有軟弱夾層，弱層頂底板為煤層，產狀與煤層一致，隨煤層變化而變化，為層間結構面。由于弱層在地下水的侵蝕下，易發生軟化、泥化等現象，導致強度急劇降低，對南幫邊坡穩定極為不利。露天開采過程中，隨著礦山南幫邊坡的逐步降深，坡頂處地表產生局部隆起和裂痕，由監測數據可知南幫邊坡變形破壞嚴重，邊坡處于極不穩定狀態，嚴重影響露天煤礦安全生產。

2 邊坡穩定性定量分析

2.1 典型地質剖面選取

為科學、合理地評價南幫邊坡穩定性，根據地質概況分析，選取南幫邊坡N1 剖面作為典型地質剖面。南幫邊坡N1 剖面地質斷面圖如圖1。

圖1 N1 剖面地質斷面圖Fig.1 N1 geological section

巖體的強度參數將直接影響邊坡穩定性分析結果。因此，科學、可靠地確定巖體強度參數是邊坡穩定分析以及數值模擬計算的關鍵性因素。由地質資料和力學試驗得到南幫巖體力學參數，南幫邊坡穩定性分析中選取的巖體強度參數指標見表1。

表1 巖體強度參數指標Table 1 Parameters of rock mass strength

2.2 邊坡穩定性分析

極限平衡法從靜力平衡以及力矩平衡的角度進行邊坡穩定性分析，計算過程簡單，計算結果準確，是現階段邊坡穩定性分析中應用最為廣泛的一種方法[9-10]。采用極限平衡法中的簡化Bishop 法對南幫邊坡典型地質剖面進行穩定性分析。N1 剖面邊坡高度為101 m，整體邊坡坡面角為24°，計算可得N1 剖面邊坡穩定系數為1.03，N1 剖面穩定性分析結果如圖2。

圖2 N1 剖面穩定性分析結果Fig.2 Calculation results of N1 slope stability

根據邊坡穩定系數選取規范，并結合南幫邊坡重要程度、存在時間以及弱層賦存形態等因素，確定南幫邊坡安全儲備系數為1.2。顯然，南幫邊坡處于極不穩定的狀態，存在巨大的滑坡隱患。由于寶日希勒露天煤礦西幫為內排土場，故在開采過程中，建議選取橫采內排的開采方法提高南幫邊坡穩定性。根據排土設備的規格要求，排土臺階高度為15 m，排土臺階坡面角為33°，排土平盤寬度為50 m，自下而上共布置4 個排土臺階，同時為保證內排土場具有一定空間儲備，將排土臺階工作線長度進行適當延長，內排土場布設簡圖如圖3。

圖3 內排壓幫布設簡圖Fig.3 Schematic diagram of the pressure slope via inner dumping

圖3 中，b 為礦山南幫排土臺階的工作線長度，顯然，b 的取值將直接決定南幫邊坡坡腳的位置，進而對邊坡穩定性分析結果造成顯著影響。

為探究排土臺階工作線長度的合理值，采用簡化Bishop 法分析排土臺階工作線長度取得不同值時所對應的邊坡穩定性，排土臺階工作線長度與所對應的邊坡穩定性之間的關系如圖4。

圖4 排土臺階工作線長度與所對應的邊坡穩定性之間的關系Fig.4 Relationship between the length of working line of waste bench and the corresponding slope stability

由圖4 分析結果可知，內排壓幫可顯著提升南幫邊坡穩定性，當內排土場工作線長度達到140 m時，南幫邊坡穩定系數提升至1.20，可滿足邊坡安全儲備要求，因此建議南幫邊坡排土工作線長度布設應不小于140 m。

3 邊坡穩定性數值模擬

邊坡的破壞屬于空間力學問題，二維分析方法雖然能有效解決邊坡穩定性問題，但對于邊坡空間形態分析勢必存在一定缺陷，而露天煤礦采礦方法的選擇受邊坡空間形態影響顯著。南幫邊坡采用橫采內排的開采方法，其中，內排追蹤距離是橫采內排條件下控制邊坡穩定性的重要影響因素。采用FLAC3D數值模擬軟件分析內排追蹤距離對邊坡穩定性影響規律，并提出合理的露天開采方法。

FLAC3D數值模擬軟件是巖土工程領域應用最為廣泛的一款分析軟件。該軟件通過建立多面體網格擬合實際的結構和構造，對于線性材料以及非線性材料的結構受力特性及塑性流動規律具有良好的模擬效果，同時軟件內嵌的顯式Lagrange 算法和離散分區技術可對建立的非線性偏微分方程進行分析求解。軟件具備運算速率高，占用內存空間小等顯著優勢，可有效解決大范圍三維空間問題[11]。

為分析內排追蹤距離對南幫邊坡穩定性的影響，建立南幫邊坡三維地質模型，并通過FLAC3D數值模擬分析排土工作線長度140 m 前提下，追蹤距離為15、25、35、45、55 m 時所對應的邊坡穩定性。南幫邊坡三維地質模型如圖5。

圖5 南幫邊坡三維地質模型Fig.5 Three-dimensional geological model of south slope

圖5 中，H 為三維地質模型高度，H=180 m，D為三維地質模型長度，D=500 m，L 為底溝的寬度，在靠幫回采方案中，這一寬度一般稱為采場和內排土場之間的追蹤距離。追蹤距離為15、25、35、45、55 m 時對應的位移云圖如圖6。

圖6 邊坡位移云圖Fig.6 Cloud diagrams of slope displacement

由圖6 可知，南幫邊坡最大位移發生于坡面與弱層相交的位置處，其原因是由于弱層力學性質薄弱，南幫邊坡的潛在滑坡模式為以弱層為底界面的切層-順層滑動，在滑面最前端出現應力集中現象，導致坡面與弱層相交位置產生最大位移。同時，在排土工作線長度140 m 前提下，追蹤距離15、25、35、45、55 m 對應最大位移分別為1.05、1.14、1.36、3.04、3.16 m。顯然，隨著追蹤距離增加，1 煤中部賦存弱層逐步暴露，致使采場及內排土場對端幫的支擋效應逐漸減弱，尤其在追蹤距離達到45 m 時，最大位移顯著增長，此時認為采場及內排土場對端幫的支擋效應已喪失。追蹤距離與邊坡穩定性關系如圖7。

圖7 追蹤距離對穩定性影響Fig.7 Impact of tracking distance on stability

由圖7 分析可得，在追蹤距離不超過35 m 時，邊坡穩定系數大于1.20，可滿足南幫邊坡安全儲備要求，此時采場及內排土場對端幫支擋效應顯現明顯。而當追蹤距離達到45 m 時，邊坡穩定系數急劇降低，此時穩定系數與無支擋效應時邊坡穩定系數極為接近，可認為采場及內排土場對端幫的支擋效應近似喪失。因此，建議南幫邊坡內排追蹤距離不超過35 m。

4 結 語

1）南幫N1 剖面邊坡高度101 m，整體邊坡坡面角24°，邊坡穩定系數1.03，未滿足邊坡安全儲備要求，存在巨大滑坡隱患。

2）采用橫采內排的開采方法可顯著提升南幫邊坡穩定性，當排土工作線長度達到140 m 時，可滿足邊坡安全儲備要求，因此建議南幫邊坡排土場工作線長度布設不小于140 m。

3）數值模擬結果表明，當追蹤距離不超過35 m時，采場及內排土場對端幫的支擋效應顯現明顯，邊坡穩定系數滿足安全儲備要求，而當追蹤距離達到45 m 時，采場及內排土場的支擋效應近似喪失，因此建議南幫邊坡內排追蹤距離不超過35 m。