馬熹焱

（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122）

安家?guī)X露天礦北幫邊坡穩(wěn)定性研究

馬熹焱

（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122）

以采礦科學和力學學科知識為指導思想，采用理論研究、力學參數(shù)測試實驗、數(shù)值計算、現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法，對安家?guī)X露天礦北幫復雜地質(zhì)條件區(qū)域進行研究，為露天礦開采方案優(yōu)化和相應災害的防治措施合理選擇提供理論基礎和科學依據(jù)。

露天礦；邊坡；穩(wěn)定性

0 引言

平朔礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層傾角較小，近水平埋藏，適宜大規(guī)模的露天開采，其采用的生產(chǎn)工藝為單斗卡車剝離工藝[1]。目前安家?guī)X露天礦已經(jīng)形成了一個由露天礦礦坑與內(nèi)排土場、外排土場、井工礦同時多元布局的空間形態(tài)。

安家?guī)X北幫E11400—E11700于2012年10月下旬出現(xiàn)變形，1375平盤出現(xiàn)裂縫，1360—1375臺階出現(xiàn)局部片幫，1360平盤距離擋墻約10 m的范圍內(nèi)形成環(huán)形裂縫。通過對變形區(qū)揭露邊坡體踏勘及該區(qū)地質(zhì)資料查閱，此處為逆斷層影響區(qū)域，按照斷層走向及產(chǎn)狀等指標反推，該片幫區(qū)域為逆斷層破碎帶影響區(qū)域，該區(qū)域變形破壞主要受斷層破碎帶控制[2]。現(xiàn)場調(diào)研確定破碎帶夾雜大量風化泥巖，發(fā)生局部片幫現(xiàn)象。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)域為寧武向斜西部礦井，整體構(gòu)造單斜構(gòu)造，北東傾向。礦區(qū)內(nèi)地層傾角平緩，地層走向北偏西-南東向，局部可見有波狀起伏現(xiàn)象。陷落柱南部傾向南東，最大傾角可達52°。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要有1個背斜，5條斷層，斷層落差均大于10m。本次鉆探布置了6個鉆孔，對其中3條斷層進行了驗證；陷落柱1個，布置了4個鉆孔對其進行驗證。

本井田含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組，共含煤12層。山西組地層厚12.20～94.34 m，平均厚46.79 m，含煤3層。太原組地層厚65.04～108.33 m，平均厚88.31 m，含煤9層，總厚31.41 m。

各煤層顏色均為深黑色，條痕色為黑色，以弱玻璃光澤為主，瀝青光澤為輔，條帶結(jié)構(gòu)，水平層理，參差狀斷口，塊狀構(gòu)造，致密性脆，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，偶見有碳酸鹽類礦物充填，除4-1#、4-2#煤層外其它煤層可見黃鐵礦的結(jié)核、顆粒及薄膜。

在研究區(qū)域布置10個鉆孔，結(jié)合原有地質(zhì)資料，確定斷層走向影響區(qū)域和陷落柱影響范圍，并采集了土樣45個、巖樣598個，共計643個。

2 力學指標的確定

煤巖力學特性是煤巖力學的主要研究對象，也是煤巖工程必須面對的基本問題。從強度、變形以及損傷、斷裂和破壞等各個方面對煤巖力學特性進行了深入而持久的研究，并取得了許多重要的研究成果，以防止或減小與煤巖工程相關(guān)的自然災害，如巖體滑坡、地基失穩(wěn)以及礦柱巖爆等。為分析巖體開挖過程中內(nèi)部應力變化，以合理設計煤礦邊坡及保證邊坡的穩(wěn)定性，需要針對煤巖的物理力學性質(zhì)進行實驗。

本項目研究區(qū)域中，通過巖土物理力學性質(zhì)試驗，選取平朔安家?guī)X露天礦復雜地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的煤、巖試樣，進行了巖石力學性質(zhì)試驗（單軸抗壓試驗、單向抗拉試驗、巖石直剪試驗、彈性參數(shù)測試、含水率和密度試驗），取得了該區(qū)域巖石的相關(guān)力學參數(shù)。通過Hoek-Brown強度準則，計算安家?guī)X露天北幫邊坡巖體強度[3]；由于地質(zhì)條件復雜，與以往揭露地層相比，邊坡巖體破碎，特別是破碎帶區(qū)域巖石風化嚴重，通過反分析，以往平朔礦區(qū)相似地質(zhì)情況下力學試驗參數(shù)及本次北幫邊坡巖體強度，綜合建立了巖體物理力學演化特性的指標體系，為復雜地質(zhì)區(qū)域條件下邊坡穩(wěn)定提供基礎數(shù)據(jù)。

3 安全儲備系數(shù)的確定

3.1 穩(wěn)定分析方法的選取

3.1.1 極限平衡法

極限平衡法是當前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，特點是計算模型簡單、計算參數(shù)量化準確、計算結(jié)果可直接應用。隨著計算機行業(yè)的發(fā)展，又出現(xiàn)了一些更為精確的方法，如Morgenstern-Price法、Spencer法等。

通過穩(wěn)定計算，確定邊坡的安全系數(shù)的方法是摩根斯坦-普瑞（Morgenstern-Price）法。該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件，可以更好的消除計算方法上的誤差，更加精確的解答Janbu推導出來的近似解法。對方程式的求解采用的是數(shù)值解法（即微增量法），滑面的形狀為任意的，安全系數(shù)采用力平衡法。

3.1.2 有限元強度折減系數(shù)法

抗剪強度折減系數(shù)定義為在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應力之比[4]。所謂抗剪強度折減系數(shù)就是將土體的抗剪強度指標，用一個折減系數(shù)進行折減，然后用折減后的虛擬抗剪強度指標取代原來的抗剪強度指標，如式（1）—（3）所示。

式中：CF為折減后土體虛擬的粘聚力；φF為折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角；τfF為折減后的抗剪強度。

折減系數(shù)的初始值取得足夠小，然后不斷增加的值。折減后的抗剪強度指標逐步減小到某一個折減抗剪強度，整個土坡發(fā)生失穩(wěn)。那么排土場邊坡體的實際抗剪強度指標與發(fā)生虛擬破壞時折減強度指標的比值，也就是發(fā)生整體失穩(wěn)之前的那個折減系數(shù)值，就是該排土場邊坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 安全儲備系數(shù)的確定

本項目安全儲備系數(shù)的確定主要按照GB50197—2005露天煤礦工程設計規(guī)范之有關(guān)規(guī)定，邊坡穩(wěn)定系數(shù)K見表1，依據(jù)我們對研究區(qū)域工程地質(zhì)條件的認識程度和對所收集到的資料的掌握程度[5-7]，以及邊坡穩(wěn)定性對露天礦生產(chǎn)中的重要性，確定北幫邊坡安全儲備系數(shù)為1.3。

表1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)K

4 采礦方案設計

安家?guī)X露天礦北幫運輸系統(tǒng)從E11400開始，由西向東受FB22逆斷層、蘆子溝背斜、陷落柱等影響。蘆子溝背斜西側(cè)主要受逆斷層影響，煤巖及地表在背斜東翼出現(xiàn)明顯下降趨勢，因此北幫復雜地質(zhì)區(qū)域只開采上盤煤層。目前露天礦北幫E11400～E11900區(qū)間內(nèi)，下方已剝離到1270平盤，上方已剝離完1345平盤，受蘆子溝背斜影響，1345平盤將沿背斜東翼逐漸進行降盤剝離。考慮到北幫受逆斷層、陷落柱、露天礦轉(zhuǎn)向、背斜下降及與930E維修車間安全距離等諸多因素的影響，結(jié)合露天礦生產(chǎn)狀況及已有的采礦設計方案［8]，在保證北幫邊坡安全的基礎上提出3種采礦方案。

根據(jù)露天礦北幫工程地質(zhì)剖面可知，剖面1—剖面5主要受FB22逆斷層與蘆子溝背斜的影響，由工程地質(zhì)鉆探和現(xiàn)場巖層揭露情況可知，此區(qū)域內(nèi)FB22逆斷層走向變化較大。受蘆子溝背斜影響，從剖面1開始煤層底板等高線逐漸抬升，剖面2、3、4、5位于背斜軸部。剖面7—剖面10位于蘆子溝背斜東側(cè)，原設計方案降盤位置主要在該區(qū)域，運輸系統(tǒng)將面臨連續(xù)降盤，需在原設計方案中采取提前降盤措施，減緩車輛連續(xù)爬坡或下坡引起的設備消耗，即提前降盤方案。

4.1 方案1：露天礦原設計方案

露天礦北幫原設計方案將從背斜軸東側(cè)開始降盤，共降低90 m左右，單次降盤高度為15 m，降盤設計不超過8°，連續(xù)降盤中間緩沖平臺不少于80 m。

圖1 露天礦端幫原運輸系統(tǒng)設計方案

4.2 方案2：提前降盤方案

提前降盤方案可以有效降低運輸?shù)缆菲陆?，同時減小陷落柱上方荷載。該方案中將降盤位置提前至背斜軸西側(cè)，而轉(zhuǎn)向位置與原運輸系統(tǒng)設計方案相同。

4.3 方案3：提前轉(zhuǎn)向并降盤方案

提前轉(zhuǎn)向并降盤方案即在逆斷層影響區(qū)域和陷落柱區(qū)間向外擴幫；轉(zhuǎn)向和降盤可以減小陷落柱上方荷載，并且向外轉(zhuǎn)向可以放緩邊坡角，對提高邊坡的穩(wěn)定性有益。該方案中轉(zhuǎn)向和降盤同時進行，均位于背斜軸西翼，轉(zhuǎn)向主要在逆斷層影響區(qū)域和陷落柱區(qū)間，在經(jīng)過陷落柱后運輸系統(tǒng)恢復到原運輸系統(tǒng)設計方案上。

4.4 方案4：避讓陷落柱方案

陷落柱方案即在經(jīng)過陷落柱時，加寬過陷落柱的運輸平盤，將運輸?shù)缆凡贾迷诳拷V坑的一側(cè)，并繞過陷落柱，運輸系統(tǒng)跨過陷落柱后再進行降盤工作。

5 最終方案的選取

最終采礦方案采取優(yōu)化提前降盤為基礎，采取陷落柱區(qū)域避讓方法，優(yōu)化邊坡區(qū)域平盤參數(shù)。具體優(yōu)化方案為陷落柱區(qū)域加寬運輸系統(tǒng)平盤到50 m，1255以上保安平盤加寬至15 m，放緩各個臺階邊坡角至56°；剖面7—剖面10區(qū)間運輸平盤加寬至50 m。

根據(jù)最終設計方案邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，剖面1—剖面3邊坡受FB22逆斷層影響較大，采礦

圖2 北幫運輸系統(tǒng)提前降盤方案

圖3 北幫運輸系統(tǒng)提前轉(zhuǎn)向并降盤方案

圖4 北幫運輸系統(tǒng)避讓陷落柱方案

過程中可能出現(xiàn)單臺階片幫，計算結(jié)果表明在逆斷層破碎帶處邊坡穩(wěn)定性偏低，但邊坡整體安全儲備系數(shù)可以達到1.2以上。由于剖面1—剖面4區(qū)間處于蘆子溝背斜軸部、背斜西翼區(qū)域和安家?guī)X逆斷層下盤區(qū)域；在11煤層采出后，該區(qū)域即可以實現(xiàn)從西向東的內(nèi)排壓腳，因此可認為該區(qū)域滿足安全儲備要求。剖面6、Z1、Z2在陷落柱影響區(qū)域邊坡整體安全儲備系數(shù)均在1.2以上，破碎帶以外區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，而且在破碎帶區(qū)域邊坡臺階預留較寬，因此可以認為邊坡滿足安全儲備要求。其余剖面區(qū)域整體邊坡安全儲備系數(shù)大于1.3，滿足安全儲備要求。

6 結(jié)論

通過對安家?guī)X露天礦北幫復雜構(gòu)造帶工程地質(zhì)條件研究、巖土力學評價指標體系確定、邊坡變形演化機理研究，并通過方案比選和大量邊坡穩(wěn)定性計算，結(jié)合露天礦生產(chǎn)狀況及已有的采礦設計方案，在保證北幫邊坡安全的基礎上提出3種采礦方案，并確定了最終方案。

［1］劉如成，劉峰，許昌．安家?guī)X露天煤礦開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］．露天采礦技術(shù)，2008（8）：11-13．

［2］王振偉，王來貴，王建國，等．弱面控制蠕動邊坡變形機制及滑坡控制技術(shù)［J］．遼寧工程技術(shù)大學學報（自然科學版），2010（2）：197-200．

［3］蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2002．

［4］王敬義.哈爾烏素露天煤礦西排土場變形區(qū)滑坡治理方案研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2011．

［5］王振偉，郝哲，尚文凱，等.安家?guī)X礦北幫滑坡區(qū)深部邊坡穩(wěn)定性分析與評價［J］．采礦技術(shù)，2011（3）：70-72．

［6］李志強，秦建明，王振偉．安家?guī)X礦北端幫E8200—E8600區(qū)段滑坡分析［J］．露天采礦技術(shù)，2006（S1）：1-2．

［7］秦建明，賀昌斌，鄧有燃．安家?guī)X露天礦復雜環(huán)境邊坡穩(wěn)定性研究與控制［J］．露天采礦技術(shù)，2010（6）：35-37．

［8］劉峰，賀昌斌，鄧有燃，等．安家?guī)X露天礦采掘方案與排土空間優(yōu)化方案［J］．露天采礦技術(shù)，2011（2）：17-18．

【責任編輯：解連江】

Study on the stability of north slope in Anjialing Open-pit Mine

MA Xiyan
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

Taking the mining science and mechanics knowledge for guiding ideology,by the methods of theoretical research, mechanical parameter test experiment,numerical calculation,field test,the article researches the complex geological condition of north slope,which provides the theoretical basis and scientific basis for the optimization of open-pit mining scheme and the reasonable selection of the corresponding prevention measures.

open-pit mine;slope;stability

TD824.7

B

1671-9816（2017）05-0008-05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.003

馬熹焱.安家?guī)X露天礦北幫邊坡穩(wěn)定性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（5）：8-11.

2017-01-23

國家自然科學基金面上資助項目（51274122）；國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金資助項目（U1361211）

馬熹焱（1984—），女，遼寧沈陽人，碩士，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學環(huán)境工程專業(yè)，從事露天開采安全研究工作。