露天煤礦高臺階穩定性分析方法及加固治理措施研究

2022-04-26 10:12:42李志平付一鳴

金屬礦山 2022年4期

李志平付一鳴

(1.國能準能集團公司哈爾烏素露天煤礦,內蒙古鄂爾多斯 010300;2.本溪鋼鐵(集團)礦業有限責任公司歪頭山鐵礦,遼寧本溪 117000)

設備大型化、開采集中化、工藝現代化是露天煤礦技術發展趨勢。黑岱溝露天煤礦率先采用吊斗鏟無運輸倒堆工藝,為礦山經濟效益及高產高效建設提供了重要保障。但由于設備參數限制,倒堆臺階高度較高,坡面角較陡,加之采區轉向后臺階頂部巖體破碎,高臺階片幫現象頻繁發生。

高臺階片幫問題屬于典型邊坡穩定性問題。對于邊坡穩定性研究,主要可劃分為定性分析法、定量分析法、數值模擬法等。定性分析法是借鑒類似工況下邊坡工程經驗,應用統計學、概率學等數學理論建立邊坡穩定性分析系統,主要包含工程類比法、可靠度分析法、模糊數學分析法等[1]。汝佧等[2]應用模糊數學理論分析了地質條件、巖體構造、滑坡類型、人類活動等因素對邊坡穩定性的影響,建立了工程類比模型,并將其應用于汶川縣草坡鄉滑坡預測中。蘇永華等[3]基于響應面思想,應用隱式功能函數替代邊坡穩定系數,提出邊坡穩定性可靠度分析方法,并結合工程算例驗證了方法合理性與準確性。定量分析法是從靜力學分析及物理合理性角度建立邊坡計算模型,進而求得邊坡穩定系數及最危險滑面形態[4]。工程中常用的極限平衡法、極限分析法均屬于定量分析法。章瑞環等[5]基于改進極限平衡法推導多級黃土邊坡各破壞結構對應的安全系數解析式,并應用最優化方法確定了邊坡最小安全系數及臨界滑面形態。王珍等[6]基于最小二乘法建立了非均質邊坡破壞結構計算模型,采用計算機編程技術開發了邊坡穩定性上限分析系統,并將其應用于露天煤礦邊坡工程實踐中,取得了良好的分析效果。數值模擬法是隨著計算機技術高速發展而新興的一種穩定性分析方法,該方法將邊坡土體離散為均質單元體,通過嚴格的應力、應變分析求解邊坡極限平衡狀態,進而進行邊坡穩定性評價[7],其主要分析方法包含有限元法、離散元法、塊體元法等[8]。鄭穎人等[9]采用有限元強度折減法對巖質邊坡破壞機制進行了數值模擬分析,并結合工程算例驗證了該方法的可行性。李龍起等[10]應用離散元方法模擬了邊坡變形演化過程及破壞力學機制,并結合位移、速度監測數據驗證了方法的嚴密性。然而,大量工程實踐表明,邊坡破壞前會在坡頂出現張拉裂縫,即邊坡破壞模式應是以張拉—剪切共同構成的組合破壞,而現階段研究成果大多只考慮了邊坡的剪切破壞,而對于張拉破壞未進行有效考慮。未考慮張拉破壞的分析結果偏于危險,這也是導致滑坡災害發生的主要原因。

基于上述分析,本研究以黑岱溝露天煤礦高臺階為工程背景,建立考慮張拉—剪切漸進破壞的穩定性分析方法,闡明張拉裂縫位置及深度對高臺階穩定性的影響,提出合理的注漿加固治理措施。本研究成果將豐富邊坡穩定性分析方法,促進巖體力學、材料力學、工程地質學等學科融合與發展。

1 地質概況

1.1 采區地質概況

黑岱溝露天煤礦二采區巖體由半堅硬—堅硬層狀碎屑巖巖組構成,地表幾乎全部被第四系松散堆積物覆蓋,地層自下而上由奧陶系、石炭系、二迭系、新近系構成,地層間假整合接觸。石炭系上統太原組為主要含煤地層,該地層內6#煤層平均厚度約30 m,煤層穩定,為二采區主要可采煤層。黑岱溝露天煤礦典型地質剖面如圖1所示。

圖1 黑岱溝露天煤礦典型地質剖面Fig.1 Typical geological section of Heidaigou Open-pit Coal Mine

1.2 高臺階概況

6#煤層頂板以上約45 m厚的巖石進行拋擲爆破,經拋擲爆破后吊斗鏟進行倒堆剝離作業。倒堆臺階位于工作幫的最底部,臺階采用傾斜分層,以5#煤層上部砂巖內所夾的薄層泥巖頂板作為臺階坡頂,以6#煤層底板作為臺階坡底。吊斗鏟作業區拋擲爆破實體臺階高度約為45 m,6#煤層平均厚度約為30 m,原煤回采完畢后臺階的高度將達到75 m左右,局部地區臺階高度超過80 m。倒堆臺階坡面角為70°,臺階上部為薄層泥巖,泥巖傾角較小,巖層厚度由西向東逐漸變薄。泥巖下部為一層穩定的砂巖,砂巖內夾有5#煤層。砂巖下部為6#煤層,煤層賦存穩定,為二采區主采煤層。高臺階地質剖面圖如后文圖4所示。

2 高臺階穩定性分析

2.1 潛在破壞模式分析

黑岱溝露天煤礦采區轉向后高臺階頂部出現多次大規模裂縫群,裂縫區域內發生數次巖石垮落及片幫現象。圖2為2018年及2019年發生的2次片幫。

圖2 高臺階破壞簡圖Fig.2 High-step failure diagram

2次片幫均發生于高臺階上部,片幫區域處于同一破碎帶。破碎帶距6#煤層頂板約20 m,產生原因為巖石受剪切應力破裂形成裂隙(共軛節理),橫縱2組節理將巖層切割為若干巖塊。從巖體結構控制理論角度出發,巖體破壞模式主要取決于節理、裂隙的發育情況。對于黑岱溝露天煤礦高臺階,其穩定性主要受臺階頂部破碎帶控制。工程實踐中,高臺階坡頂處產生大量垂直裂縫,該垂直裂縫是由于巖體水平張力形成,同時片幫發生時后緣滑裂面呈現明顯直線形,通過以上兩方面特征可判斷黑岱溝露天煤礦高臺階潛在破壞模式為張拉—剪切共同構成的組合破壞。

2.2 高臺階穩定性分析方法

假定高臺階坡頂處距離坡肩點b段的位置處產生深度為h的張拉裂縫,根據高臺階潛在破壞模式,其滑面形態由張拉裂縫和剪切圓弧共同構成。將滑面內巖土體垂直劃分,則作用于第i個垂直條塊上的力包括:條塊重力Wi,滑面切向力Ti,滑面法向力Ni,條塊側界面法向力Pi、Pi+1,條塊側界面切向力Hi、Hi+1,其受力簡圖如圖3所示。

圖3 條塊作用力簡圖Fig.3 Block force diagram

對于條塊側界面切向力,一般認為Hi與Hi+1大小相等,方向相反,即Hi+1-Hi=0。則對于第i個垂直條塊,根據豎直方向上靜力平衡條件可得:

根據穩定系數定義及滑動面上整體極限平衡條件可得:

將式(2)代入式(1)可得:

其中,

同時,根據滑面整體力矩平衡條件可得:

將式(2)代入式(5)可得:

將式(3)代入式(6),并經過化簡可得穩定系數:

對于式(7),由于mθi中包含穩定系數Fs,可假設穩定系數初始值Fs=1.0,通過逐步迭代的手段最終求得穩定系數。

2.3 張拉裂縫對穩定性的影響

由于片幫發生于高臺階上部,選取典型地質剖面底部高臺階作為研究對象,分析張拉裂縫位置及深度對穩定性的影響規律。高臺階地質剖面如圖4所示,推薦的巖體物理力學參數如表1所示。

圖4 高臺階地質剖面Fig.4 Geological profile of high-step

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

為探究張拉裂縫對高臺階穩定性的影響,自臺階坡肩點起算,每隔2 m取一計算點,算至距離坡肩點20 m為止。應用前文中穩定性分析方法,以整個張拉裂縫作為后緣拉裂面,計算張拉裂縫位于上述位置時不同深度所對應的高臺階穩定系數,計算結果如圖5所示。

圖5 張拉裂縫與高臺階穩定性關系Fig.5 Relation between tensile crack and high-step stability

由圖5可知,當裂縫產生位置距離坡肩點小于16 m時,穩定系數隨裂縫深度的增加而減小,而當裂縫產生位置距離坡肩點大于16 m時,穩定系數隨裂縫深度的增加先減小后增大。同時,當裂縫深度為定值時,穩定系數最小的點位于距離坡肩點10～14 m位置處。因此,在現場施工時應重點監測該位置處產生的張拉裂縫,同時應嚴格控制張拉裂縫深度。

3 高臺階加固治理措施

當高臺階穩定系數小于1.05時,存在巨大片幫隱患,一般需進行注漿加固治理。結合前文中穩定性分析結果,對張拉裂縫位于不同位置時需注漿加固的臨界深度進行分析,其分析結果如圖6所示。

由圖6可知,當張拉裂縫距坡肩點0～4 m時,高臺階片幫發生于破碎區泥巖底板,此時由于裂縫距離坡肩點較近,建議以增強巡視為主。當張拉裂縫距離坡肩點5～16 m時,片幫發生于破碎區砂巖底板,此類片幫工程實踐中發生頻率較高,片幫量較大,建議進行注漿加固治理。當張拉裂縫距離坡肩點17～20 m時,片幫發生于5#煤頂板,此類片幫需裂縫發育深度較深,工程實踐中一般不會發生。因此,本次重點對張拉裂縫距離坡肩點5～16 m時的注漿加固治理措施進行研究。

根據漿液擴散速度及固化時間,漿液擴散半徑選取為2 m,應用前文中穩定性分析方法,對張拉裂縫處于臨界深度,距離坡肩點5～16 m時不同注漿高度穩定性進行分析,其分析結果如圖7所示。

由圖7可知,當張拉裂縫距離坡肩點5～12 m及15～16 m時,注漿后高臺階穩定系數收斂至1.14,該穩定系數與不含裂縫時高臺階穩定系數一致,表明通過注漿手段可使張拉裂縫處應力集中現象完全消失。張拉裂縫距離坡肩點12～15 m時,注漿后高臺階穩定系數稍大于1.14,這是由于不含裂縫時最危險滑面通過漿液擴散區,注漿加固后無法沿漿液擴散區形成貫通滑面,致使穩定系數進一步提升。本文建議注漿后高臺階穩定系數選取為1.14,建議注漿高度如圖8所示。

圖8為穩定系數選取1.14時所對應的注漿高度。當張拉裂縫距離坡肩點12～15 m時,對應的注漿高度分別為 2.5、2.7、3、3.2 m。此時,張拉裂縫處的應力集中現象并未完全消失。若注漿高度達到2.7、3.2、3.4、3.7 m時,張拉裂縫處應力集中現象將完全消失,此時對應的高臺階穩定系數分別為1.143、1.145、1.144、1.143,顯然穩定系數提升效果并不明顯。而隨著注漿高度的增加,注漿量呈指數倍增長。因此,工程實踐中不必追求過高的注漿高度,本文推薦采用圖8的注漿高度。

圖8 推薦注漿高度分析結果Fig.8 Analysis results of recommended grouting height

4 注漿前后數值模擬分析

為深入分析注漿前后高臺階變形破壞規律,本研究采用FLAC3D數值模擬軟件對注漿前后高臺階穩定性進行數值模擬。該軟件優勢在于能較好地模擬巖體材料在達到屈服強度時的塑性流動行為,對于漸進破壞特征和大變形模擬具有良好適用性。由于篇幅所限,僅列出張拉裂縫處于臨界深度,并距離坡肩點 8、12、16 m時注漿前后位移分布云圖,見圖9～圖11。

圖9 張拉裂縫距離坡肩點8 m時位移分布云圖Fig.9 Displacement distribution of tension crack is 8 m away form slope shoulder

圖10 張拉裂縫距離坡肩點12m時位移分布云圖Fig.10 Displacement distribution of tension crack is 12m away form slope shoulder

圖11 張拉裂縫距離坡肩點16m時位移分布云圖Fig.11 Displacement distribution of tension crack is 16 m away form slope shoulder

位移分布云圖描述了高臺階內部位移分布特征,近似描繪了最危險滑面形態。分析位移分布云圖可知,當張拉裂縫距離坡肩點8m及16m時,在達到臨界注漿高度前,最危險滑面以張拉裂縫為后緣滑裂面。而當達到臨界注漿高度時,最危險滑面為剪切圓弧滑面,此時張拉裂縫對高臺階穩定性不產生任何影響。當張拉裂縫距離坡肩點12 m時,在達到臨界注漿高度時,高臺階穩定系數與不含裂縫時穩定系數相等,但此時最危險滑面仍以張拉裂縫為后緣滑裂面,表明張拉裂縫對高臺階穩定性仍存在一定影響。而在注漿高度達到2.7m時,最危險滑面為剪切圓弧滑面,此時張拉裂縫對高臺階穩定性不產生任何影響,但穩定系數提升效果并不明顯,因此推薦采用圖8中的注漿高度。