露天采場鄰近邊坡下空區(qū)群穩(wěn)定性分析及其治理

李曉路

（山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036702）

山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司由神達(dá)能源、西溝煤業(yè)、賈家堡煤業(yè)等6 座煤礦整合形成，西溝煤業(yè)、賈家堡煤業(yè)等其他煤礦在整合前的開采方式為井工開采，2009 年整合后神達(dá)朝凱煤業(yè)采用露天開采作為開采方式。礦田現(xiàn)可開采煤層包括2#、3#、5#煤層，面積為8.26 km2，生產(chǎn)能力為120 萬t/a。由于歷史原因形成的地下采空區(qū)未充填處理，而采空區(qū)對礦山安全生產(chǎn)具有重大影響[1]。根據(jù)礦山現(xiàn)有采空區(qū)研究報告得知，礦區(qū)南部盤區(qū)采空區(qū)群穩(wěn)定性較差，主要為原賈家堡煤業(yè)所在位置，集中在2#、5#煤層。隨著露天開采計劃的推進(jìn)，可能導(dǎo)致空區(qū)上部邊坡垮塌或者滑坡，為此需對南部該部分空區(qū)群對南部邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，以確保礦山安全生產(chǎn)。空區(qū)群對邊坡穩(wěn)定性影響常用的研究方法包括極限平衡理論分析[2]、數(shù)值模擬[3]和相似實驗[4-5]。本文基于Ansys 軟件對南部盤區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并結(jié)合強(qiáng)度折減理論對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計算，最后根據(jù)模擬結(jié)果為空區(qū)治理提供相應(yīng)建議。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

朝凱煤業(yè)南區(qū)原賈家堡煤業(yè)所處邊坡最高點(diǎn)為1791 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為+1610 m，邊坡傾向約為東北偏北32.3°，傾角為17.5°。2#、5#煤層為本井田賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層，2#煤層厚3.34～7.89 m，平均5.60 m，傾角為8°；5#煤層厚6.83～19.17 m，平均11.24 m，傾角為8°。奧陶系中統(tǒng)的石灰?guī)r在礦田南部邊坡西南側(cè)出露，巖溶發(fā)育，受降雨、河水和沖積層潛水補(bǔ)給。礦田內(nèi)無常年流水性河流，只發(fā)育季節(jié)性排水沖溝，季節(jié)性流水由沖溝排出，水文地質(zhì)條件簡單。

1.2 空區(qū)分布

礦區(qū)南部盤區(qū)原賈家堡煤業(yè)邊坡下2#、5#煤層空區(qū)分布情況為，2#煤層中分布著2-1、2-2、2-3空區(qū)，5#煤層分布著5-1、5-2、5-3、5-4 采空區(qū)。其中，2-3、5-4 采空區(qū)面積分別為9145 m2和13 100 m2。

2 建立有限元模型

2.1 建立地表模型

利用礦山提供的《朝凱煤礦地形圖》CAD 圖提取等高線，經(jīng)由CAD to Ansys 插件生成命令流，而后更改命令流獲得高程點(diǎn)三維坐標(biāo)，將所得高程點(diǎn)導(dǎo)入Surfer 更改不合理高程點(diǎn)，獲得礦區(qū)地表三維模型導(dǎo)出。將所得曲面同Bigmap 中礦區(qū)地形進(jìn)行比較，并同技術(shù)員交流，確認(rèn)無誤后導(dǎo)出修改后的高程點(diǎn)，再導(dǎo)入Rhino 生成曲面模型，并根據(jù)需求裁剪邊界，導(dǎo)出為igs 文件格式，最后利用Ansys軟件導(dǎo)入igs 文件，生成地表三維曲面模型。如圖1。

圖1 地表三維曲面建模過程

2.2 建立數(shù)值模型

根據(jù)2#、5#煤層和地表的相對位置關(guān)系，以及南部盤區(qū)2-1 等7 個采空區(qū)的分布特點(diǎn)，以邊坡最低點(diǎn)為0 m，建立長800 m、寬400 m、高300 m 的邊坡模型。模型各部分材料力學(xué)參數(shù)見表1。設(shè)定采空區(qū)周圍單元size=2 m，邊界單元size=8 m。由于模型內(nèi)部空區(qū)未貫通，因而采用smart mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為372 254 和68 177。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山現(xiàn)有地應(yīng)力數(shù)據(jù)沿x、y 向?qū)δＰ退膫€側(cè)面施加地應(yīng)力，采用單位制為“m-kg-s”，其余單位由此推導(dǎo)。z 向約束值為0，施加重應(yīng)力場g=9.81 m/s2，得到預(yù)應(yīng)力模型后清除模型內(nèi)位移值和應(yīng)力值。最后對模型開挖，建立采空區(qū)。

3 穩(wěn)定性數(shù)值計算及結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果分析

3.1.1 拉應(yīng)力分析

朝凱煤業(yè)南部邊坡下2#煤層和5#煤層各采空區(qū)拉應(yīng)力分布圖如圖2。由圖2（a）可知，2-3 采空區(qū)東面圍巖轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而底板受5#煤層和同水平煤層開采的影響，巖體存在一定的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.28 MPa；2-1 和2-2 采空區(qū)由于采空區(qū)面積和跨度較小、采場較為規(guī)則，因而應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較弱，采空區(qū)穩(wěn)定性較好。由圖2（b）可知，5-2、5-3 和5-4 三個采空區(qū)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，與2#煤層不同之處在于該煤層所在水平下方無開采擾動，即下層巖體應(yīng)力重新分布情況不明顯，因而5#煤層圍巖相較于2#煤層拉應(yīng)力分布范圍減小。根據(jù)兩個煤層空區(qū)拉應(yīng)力分布圖可知，現(xiàn)7 個采空區(qū)較為穩(wěn)定，但有部分應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，2#煤層拉應(yīng)力分布范圍較大，坡角處拉應(yīng)力值較大，隨著露天開采境界降低，邊坡存在一定滑坡危險。

圖2 各煤層采空區(qū)拉應(yīng)力分布圖

3.1.2 等效體應(yīng)力分析

朝凱煤業(yè)南部邊坡下2#煤層和5#煤層各采空區(qū)等效體應(yīng)力分布圖如圖3，由圖3（a）可知，2#煤層3 個采空區(qū)各處壓應(yīng)力值較小，但2-3 采空區(qū)東側(cè)轉(zhuǎn)角處的壓應(yīng)力較大，約為12.3 MPa，2-1 和2-2 采空區(qū)由于兩者相距較近，在采動應(yīng)力場的疊加影響下，2-1 和2-2 采空區(qū)相鄰處應(yīng)力值為7.69 MPa。由圖3（b）可知，5#煤層5-1 采空區(qū)南側(cè)轉(zhuǎn)角處圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，這是受2#煤層2-1采空區(qū)影響，該處最大壓應(yīng)力為13.8 MPa，其余采空區(qū)應(yīng)力分布較為均勻，且圍巖受相鄰空區(qū)間采動應(yīng)力場疊加影響較弱。結(jié)合兩圖可知，7 個采空區(qū)的壓應(yīng)力值較小，邊坡坡角處無應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 各采空區(qū)等效應(yīng)力分布圖

3.2 邊坡安全系數(shù)計算

為得到南部邊坡安全系數(shù)，采用式（1）和式（2）對邊坡粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行強(qiáng)度折減計算，工具軟件為Ansys。當(dāng)邊坡失穩(wěn)時折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs，公式如下：

式中：c`和φ`為折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Fsr為每次計算的折減系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定性研究過程中折減系數(shù)依次設(shè)為1.0、1.1、1.2……1.5，通過式（1）和式（2）對內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行折減計算。將所得值結(jié)合表1 中的材料參數(shù)賦予建立的幾何模型，劃分網(wǎng)格、數(shù)值計算過程與本文第二部分相同。結(jié)合3.1.1 節(jié)中拉應(yīng)力分布情況，本文針對朝凱煤業(yè)南部邊坡穩(wěn)定性研究過程中以坡腳水平位移陡增為判據(jù)。經(jīng)多次數(shù)值計算，南部邊坡安全性系數(shù)為1.2，當(dāng)折減系數(shù)Fsr=1.3時，邊坡出現(xiàn)張裂縫—圓弧型滑面，貫通2-2、5-3 采空區(qū)。

4 空區(qū)及邊坡治理

4.1 空區(qū)及邊坡治理方案

結(jié)合空區(qū)距離邊坡較近等賦存特點(diǎn)，設(shè)計采用“采空區(qū)頂板崩落+坡腳位移監(jiān)測”的綜合治理方案。將采空區(qū)至地表的上覆巖土體崩落，并采用鏟運(yùn)機(jī)將坡頂處的巖土對采坑進(jìn)行修整，形成3 個+15 m的臺階，平臺寬度30 m，臺階邊坡角15°。邊坡坡腳采用全球定位系統(tǒng)（GPS）測量法，平時采用人工簡易監(jiān)測，以巡查為主，主要查看坡體上裂縫等發(fā)育、變化情況。邊坡西南側(cè)巖溶發(fā)育，受降水影響較大，在坡頂設(shè)置截水溝，加強(qiáng)地表水疏排，減小地表水滲透。

4.2 治理效果

經(jīng)采空區(qū)頂板崩落、修整采坑并形成3 個臺階后，邊坡拉應(yīng)力分布圖如圖4。由圖可知，邊坡拉應(yīng)力主要分布在邊坡上部，較圖2 拉應(yīng)力分布范圍減小明顯，且拉應(yīng)力值由0.28 MPa 降至0.019 MPa，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖4 治理后邊坡拉應(yīng)力分布圖

邊坡各測點(diǎn)位移變化趨勢如圖5。邊坡在施工后前10 個月位移變化較大，邊坡初始移動較大的原因為邊坡爆破和施工擾動較大導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，且填埋巖土在自重應(yīng)力場作用下逐步壓實。后6 個月整體位移趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，且根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊坡無明顯隆起、變形特征，發(fā)生滑坡可能性較小。

圖5 南部邊坡各測點(diǎn)位移-時間曲線

5 結(jié)論

（1）基于數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)各個空區(qū)和邊坡較為穩(wěn)定，但2-3、5-2、5-3、5-4 四個空區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，且2#煤層及其下部巖體和坡角處拉應(yīng)力值較大，最大拉應(yīng)力為0.28 MPa。

（2）2#煤層3 個采空區(qū)各處壓應(yīng)力值較小，2-1和2-2 采空區(qū)在采動應(yīng)力場的疊加影響下應(yīng)力值為7.69 MPa，5#煤層5-1 采空區(qū)受2-1 采空區(qū)影響，其南側(cè)轉(zhuǎn)角處圍巖最大壓應(yīng)力為13.8 MPa，其余采空區(qū)應(yīng)力分布較為均勻，且圍巖受相鄰空區(qū)間采動應(yīng)力場疊加影響較弱。

（3）采用強(qiáng)度折減法得到邊坡安全系數(shù)Fs=1.2，失穩(wěn)形式為張裂縫—圓弧型失穩(wěn)。

（4）提出“采空區(qū)頂板崩落+坡腳位移監(jiān)測”的綜合治理方案，有效減小了邊坡拉應(yīng)力分布范圍，且應(yīng)力值降至0.019 MPa，邊坡位移量逐漸趨于穩(wěn)定。