露头残煤对边坡稳定性的影响及时序控制开采*

2016-08-30祖国林

采矿技术 2016年4期

关键词：边坡

祖国林

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺市 113122）

露头残煤对边坡稳定性的影响及时序控制开采*

祖国林

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺市 113122）

摘要：以新疆某露天煤矿为例，应用刚性极限平衡理论，采用FLAC3D数值模拟等方法，分析了残留露头煤岩质边坡的变形破坏机理，并在稳定性评价的基础上，得出边坡稳定系数远低于安全储备系数的结论，采用多种方法分析计算了潜在滑坡影响范围，进而提出了一种安全开采“时序控制”工艺。这种开采工艺可为风氧化煤的清理争取时间，同时在保证安全的前提下实现了人力、资源配置的优化。

关键词：露头煤；边坡；稳定系数；时序控制

0 引言

对于倾斜煤层的露天煤矿，大多采用沿露头走向拉沟、倾向推进的方式开采。由于露头煤受风化作用强烈，煤质较差，因此在进行开采设计时往往有不采的露头煤残留在非工作帮，形成煤、岩共存的边坡台阶。经验表明：残留露头煤不仅容易自燃，而且对边坡稳定性影响较大。在进行露头残煤的治理时，需重新布置运输道路，制定清理方案及排土方案，所涉及的工程量较大，时间较长，因此势必会对露天矿正常生产带来影响。在解决上述问题时，需综合考虑边坡治理与原煤生产的时序关系，实现人力、设备资源高效配置。

1 工程概况

研究矿区地形平缓，地质构造相对比较简单，属简单单斜构造，岩层产状在走向和倾向方向变化较小，区内地层完整，未发现断层错断煤岩层及其它岩层现象。主采煤层厚度约65m，煤层被泥岩、粉砂质泥岩、砂岩及细粒状砂岩覆盖，煤层底板为炭质泥岩或泥岩薄层，下部以砂岩地层为主。地层最上部为第四系粉砂层及砂土砾石层。西帮（非工作帮）外是排土场，依据设计，存在不采的露头煤残留在非工作帮，露头区域煤层倾角约17°，非工作帮岩层倾向与边坡临空方向一致，即顺倾边坡。煤层隐伏露头区经历了漫长的古风化期，后被上覆的侏罗系的石树沟地层覆盖，又受到现代风化作用的叠加，形成了极其复杂的风化煤区，如图1所示。

2 风氧化煤深度范围及物理力学性质

露头处的煤层受风化作用和长期风蚀、残积作用，煤层一系列固有的物理、化学性质发生了变化，在露头表面的煤变得疏松易碎，失去煤本身原有的光泽，变成褐色软质高炭泥岩，具有泥质结构、块状构造。受氧化作用煤层颜色仍为灰黑色、黑色，松散，污手，风化成碎块及粉末状，无光泽，结构复杂，含大量丝炭。与深部钻孔正常煤的煤质相比较，水分、灰分、挥发分、全硫、总腐植酸明显偏高，发热量明显降低，风化煤属于中高-高灰分、特低-高硫分、特低-中热值煤。

根据钻孔成果综合确定的风化带深度范围为3.04～54.69m，平均深度为34.40m。

风氧化煤较正常煤物理力学指标低，见表1，正常煤凝聚力为风氧化煤的4.8～6.1倍，内摩擦角为1.4～1.6倍，因此风氧化煤边坡为边坡系统易破坏区域。

3 风氧化煤对边坡稳定性影响

3.1基于数值模拟的稳定性影响分析

风氧化煤作为边坡系统的一部分，由于其力学性质较差，为边坡系统稳定的薄弱部位，本文拟采取数值模拟分析方法对边坡稳定性进行模拟分析。利用FLAC3D技术作为数值模拟手段。该技术实质为FLAC力学分析手段在三维空间领域的拓展。FLAC3D综合了显式拉格朗日和混合离散两种算法，能够非常准确地模拟边坡的塑性破坏状态和流动状态，并且对边坡的破坏过程有所反映。在地层初始应力被考虑后，可连续模拟现状边坡（露头残煤边坡）的变形与破坏过程。

图1　典型剖面工程地质模型

表1　风氧化煤及正常煤物理力学指标试验结果

通过计算可知，边坡受风氧化煤影响，各平盘处指向临空面的水平位移较大，但边坡总体仍表现为沉降；520平盘至490平盘下方出现应力集中现象，520平盘坡底处呈应力剪出状，易发生剪切破坏；由于煤层底板泥岩力学强度指标相对较低，且呈顺倾状态，为潜在的滑动面。考虑到目前煤层露头已出现裂隙，应防止裂缝进一步扩大，一旦裂隙与底板贯通，易出现沿煤层底板滑动，造成边坡失稳。

3.2边坡稳定计算

极限平衡法是当前边坡稳定性定量计算最为常见的方法，该方法的主要特点为计算模型简单、参数计算量化准确、计算结果直接实用。极限平衡法理论体系在其形成过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等。不同方法各有优缺点，其适用条件及计算需求有所区别。在分析了不同方法及本次计算需求后，本文采用的计算方法为摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法。该方法的优点是在计算时考虑的平衡条件及边界条件最为全面，因此极大减小了计算方法误差。

安全储备系数的选取参照为“露天煤矿工程设计规范”（GB50197-2005），依据研究矿区工程地质条件及岩土试验实测参数，综合了风氧化煤边坡留存时间、边坡稳定性对露天矿生产的重要程度、边坡失稳后的影响程度等因素后，本文确定的最终边坡安全储备系数为1.2，开采过程中临时边坡稳定系数为1.1。

通过计算，在露头风氧化煤不采条件下，设计边坡安全系数为0.959，不能满足安全储备系数1.2的要求。出现上述结果的主要原因在于：设计方案中保留了风氧化煤，在长期的风化、氧化作用下，风氧化煤物理力学指标较低，且煤岩破碎，在破底板以后风氧化煤台阶坡脚失去约束，在自身重力及底板弱层作用下，易沿底板产生滑动。

4 安全开采时序控制方案

通过前文的分析可知，设计风氧化煤边坡稳定系数小于1.0，远低于安全储备系数，滑动风险较大。从安全角度出发，应尽快将风氧化煤清理，否则风氧化煤以下区域原煤开采始终面临安全隐患。但露天矿面临排土空间不足、清理工作短期无法实施的实际困难。因此需寻求一种短期内不考虑风氧化煤清理，但既能保证安全、又不影响正常开采的可行方案。

4.1滑坡影响范围

若风氧化煤短期内不能尽快清理，一定要做好滑坡预防。在考虑这一问题时首先要确定滑坡影响范围，尽量避免在影响范围内开采作业，保证人员及设备安全。通过经验公式法、森胁宽法及滑距公式法所计算的滑坡距离分别为80，71，136m。为保证安全，本文按三者最大值计算，所确定滑距为136m。因此，可以该值作为滑坡影响边界。计算方法及计算结果详见表2。