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        露頭殘煤對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及時(shí)序控制開采*

        2016-08-30 13:25:45祖國(guó)林
        采礦技術(shù) 2016年4期

        祖國(guó)林

        (煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司, 遼寧撫順市 113122)

        露頭殘煤對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及時(shí)序控制開采*

        祖國(guó)林

        (煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司, 遼寧撫順市 113122)

        摘 要:以新疆某露天煤礦為例,應(yīng)用剛性極限平衡理論,采用FLAC3D數(shù)值模擬等方法,分析了殘留露頭煤巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)理,并在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,得出邊坡穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)低于安全儲(chǔ)備系數(shù)的結(jié)論,采用多種方法分析計(jì)算了潛在滑坡影響范圍,進(jìn)而提出了一種安全開采“時(shí)序控制”工藝。這種開采工藝可為風(fēng)氧化煤的清理爭(zhēng)取時(shí)間,同時(shí)在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)了人力、資源配置的優(yōu)化。

        關(guān)鍵詞:露頭煤;邊坡;穩(wěn)定系數(shù);時(shí)序控制

        0 引 言

        對(duì)于傾斜煤層的露天煤礦,大多采用沿露頭走向拉溝、傾向推進(jìn)的方式開采。由于露頭煤受風(fēng)化作用強(qiáng)烈,煤質(zhì)較差,因此在進(jìn)行開采設(shè)計(jì)時(shí)往往有不采的露頭煤殘留在非工作幫,形成煤、巖共存的邊坡臺(tái)階。經(jīng)驗(yàn)表明:殘留露頭煤不僅容易自燃,而且對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。在進(jìn)行露頭殘煤的治理時(shí),需重新布置運(yùn)輸?shù)缆?,制定清理方案及排土方案,所涉及的工程量較大,時(shí)間較長(zhǎng),因此勢(shì)必會(huì)對(duì)露天礦正常生產(chǎn)帶來(lái)影響。在解決上述問(wèn)題時(shí),需綜合考慮邊坡治理與原煤生產(chǎn)的時(shí)序關(guān)系,實(shí)現(xiàn)人力、設(shè)備資源高效配置。

        1 工程概況

        研究礦區(qū)地形平緩,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單,屬簡(jiǎn)單單斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀在走向和傾向方向變化較小,區(qū)內(nèi)地層完整,未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)斷煤巖層及其它巖層現(xiàn)象。主采煤層厚度約65m,煤層被泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖及細(xì)粒狀砂巖覆蓋,煤層底板為炭質(zhì)泥巖或泥巖薄層,下部以砂巖地層為主。地層最上部為第四系粉砂層及砂土礫石層。西幫(非工作幫)外是排土場(chǎng),依據(jù)設(shè)計(jì),存在不采的露頭煤殘留在非工作幫,露頭區(qū)域煤層傾角約17°,非工作幫巖層傾向與邊坡臨空方向一致,即順傾邊坡。煤層隱伏露頭區(qū)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的古風(fēng)化期,后被上覆的侏羅系的石樹溝地層覆蓋,又受到現(xiàn)代風(fēng)化作用的疊加,形成了極其復(fù)雜的風(fēng)化煤區(qū),如圖1所示。

        2 風(fēng)氧化煤深度范圍及物理力學(xué)性質(zhì)

        露頭處的煤層受風(fēng)化作用和長(zhǎng)期風(fēng)蝕、殘積作用,煤層一系列固有的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化,在露頭表面的煤變得疏松易碎,失去煤本身原有的光澤,變成褐色軟質(zhì)高炭泥巖,具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。受氧化作用煤層顏色仍為灰黑色、黑色,松散,污手,風(fēng)化成碎塊及粉末狀,無(wú)光澤,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含大量絲炭。與深部鉆孔正常煤的煤質(zhì)相比較,水分、灰分、揮發(fā)分、全硫、總腐植酸明顯偏高,發(fā)熱量明顯降低,風(fēng)化煤屬于中高-高灰分、特低-高硫分、特低-中熱值煤。

        根據(jù)鉆孔成果綜合確定的風(fēng)化帶深度范圍為3.04~54.69m,平均深度為34.40m。

        風(fēng)氧化煤較正常煤物理力學(xué)指標(biāo)低,見表1,正常煤凝聚力為風(fēng)氧化煤的4.8~6.1倍,內(nèi)摩擦角為1.4~1.6倍,因此風(fēng)氧化煤邊坡為邊坡系統(tǒng)易破壞區(qū)域。

        3 風(fēng)氧化煤對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

        3.1基于數(shù)值模擬的穩(wěn)定性影響分析

        風(fēng)氧化煤作為邊坡系統(tǒng)的一部分,由于其力學(xué)性質(zhì)較差,為邊坡系統(tǒng)穩(wěn)定的薄弱部位,本文擬采取數(shù)值模擬分析方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。利用FLAC3D技術(shù)作為數(shù)值模擬手段。該技術(shù)實(shí)質(zhì)為FLAC力學(xué)分析手段在三維空間領(lǐng)域的拓展。FLAC3D綜合了顯式拉格朗日和混合離散兩種算法,能夠非常準(zhǔn)確地模擬邊坡的塑性破壞狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài),并且對(duì)邊坡的破壞過(guò)程有所反映。在地層初始應(yīng)力被考慮后,可連續(xù)模擬現(xiàn)狀邊坡(露頭殘煤邊坡)的變形與破壞過(guò)程。

        圖1 典型剖面工程地質(zhì)模型

        表1 風(fēng)氧化煤及正常煤物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

        通過(guò)計(jì)算可知,邊坡受風(fēng)氧化煤影響,各平盤處指向臨空面的水平位移較大,但邊坡總體仍表現(xiàn)為沉降;520平盤至490平盤下方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,520平盤坡底處呈應(yīng)力剪出狀,易發(fā)生剪切破壞;由于煤層底板泥巖力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)較低,且呈順傾狀態(tài),為潛在的滑動(dòng)面。考慮到目前煤層露頭已出現(xiàn)裂隙,應(yīng)防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,一旦裂隙與底板貫通,易出現(xiàn)沿煤層底板滑動(dòng),造成邊坡失穩(wěn)。

        3.2邊坡穩(wěn)定計(jì)算

        極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性定量計(jì)算最為常見的方法,該方法的主要特點(diǎn)為計(jì)算模型簡(jiǎn)單、參數(shù)計(jì)算量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直接實(shí)用。極限平衡法理論體系在其形成過(guò)程中,出現(xiàn)過(guò)一系列簡(jiǎn)化計(jì)算方法,諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等。不同方法各有優(yōu)缺點(diǎn),其適用條件及計(jì)算需求有所區(qū)別。在分析了不同方法及本次計(jì)算需求后,本文采用的計(jì)算方法為摩根斯坦-普瑞斯(Morgenstern-Price)法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在計(jì)算時(shí)考慮的平衡條件及邊界條件最為全面,因此極大減小了計(jì)算方法誤差。

        安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取參照為“露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范”(GB50197-2005),依據(jù)研究礦區(qū)工程地質(zhì)條件及巖土試驗(yàn)實(shí)測(cè)參數(shù),綜合了風(fēng)氧化煤邊坡留存時(shí)間、邊坡穩(wěn)定性對(duì)露天礦生產(chǎn)的重要程度、邊坡失穩(wěn)后的影響程度等因素后,本文確定的最終邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2,開采過(guò)程中臨時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.1。

        通過(guò)計(jì)算,在露頭風(fēng)氧化煤不采條件下,設(shè)計(jì)邊坡安全系數(shù)為0.959,不能滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2的要求。出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因在于:設(shè)計(jì)方案中保留了風(fēng)氧化煤,在長(zhǎng)期的風(fēng)化、氧化作用下,風(fēng)氧化煤物理力學(xué)指標(biāo)較低,且煤巖破碎,在破底板以后風(fēng)氧化煤臺(tái)階坡腳失去約束,在自身重力及底板弱層作用下,易沿底板產(chǎn)生滑動(dòng)。

        4 安全開采時(shí)序控制方案

        通過(guò)前文的分析可知,設(shè)計(jì)風(fēng)氧化煤邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.0,遠(yuǎn)低于安全儲(chǔ)備系數(shù),滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較大。從安全角度出發(fā),應(yīng)盡快將風(fēng)氧化煤清理,否則風(fēng)氧化煤以下區(qū)域原煤開采始終面臨安全隱患。但露天礦面臨排土空間不足、清理工作短期無(wú)法實(shí)施的實(shí)際困難。因此需尋求一種短期內(nèi)不考慮風(fēng)氧化煤清理,但既能保證安全、又不影響正常開采的可行方案。

        4.1滑坡影響范圍

        若風(fēng)氧化煤短期內(nèi)不能盡快清理,一定要做好滑坡預(yù)防。在考慮這一問(wèn)題時(shí)首先要確定滑坡影響范圍,盡量避免在影響范圍內(nèi)開采作業(yè),保證人員及設(shè)備安全。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法、森脅寬法及滑距公式法所計(jì)算的滑坡距離分別為80,71,136m。為保證安全,本文按三者最大值計(jì)算,所確定滑距為136m。因此,可以該值作為滑坡影響邊界。計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果詳見表2。

        表2 滑距計(jì)算表

        4.2邊坡極限平衡條件

        現(xiàn)狀條件下,由于風(fēng)氧化煤以下存在壓腳原煤臺(tái)階,穩(wěn)定系數(shù)較高,伴隨坡腳區(qū)域原煤的持續(xù)開采,風(fēng)氧化煤邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低,若以1.1作為臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù),可視為當(dāng)Fs<1.1時(shí),邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)試計(jì)算,當(dāng)滑坡影響范圍內(nèi)開采至底板7m高度時(shí),邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.103,處于安全臨界狀態(tài)。

        4.3時(shí)序控制開采

        當(dāng)滑坡影響范圍及滑坡條件確定后,可通過(guò)控制開采時(shí)序,將風(fēng)氧化煤以下的原煤回采。當(dāng)滑坡影響范圍開采至安全臨界值(FS=1.1)時(shí),停止開采,人員及設(shè)備轉(zhuǎn)入滑坡影響范圍(安全區(qū))以外繼續(xù)開采。如圖2所示,這種開采方式可分以下幾個(gè)步驟:

        (1)以正常開采方式開采滑坡影響范圍以外原煤(136m安全距離以外);

        (2)滑坡影響范圍以內(nèi)正常開采至底板以上7m高度后停采;

        (3)在滑坡影響邊界設(shè)置安全擋墻,滑坡影響范圍內(nèi)停采后,人員、設(shè)備轉(zhuǎn)移至滑坡影響范圍以外繼續(xù)開采;

        (4)待排棄條件成熟時(shí),清理風(fēng)氧化煤,回收滑坡影響范圍內(nèi)剩余的7m厚原煤。

        上述開采工藝的實(shí)質(zhì)為通過(guò)煤柱壓腳,為風(fēng)氧化煤的清理延緩時(shí)間,而通過(guò)開采時(shí)序控制,在邊坡極限平衡狀態(tài)下,將滑坡影響區(qū)域原煤成功采出。

        圖2 時(shí)序控制開采示意

        5 結(jié) 語(yǔ)

        (1)研究礦區(qū)設(shè)計(jì)殘留風(fēng)氧化煤邊坡沿風(fēng)氧化煤底板易形成塑性貫通帶,并在底板以下形成應(yīng)力集中區(qū),容易造成沿地面切入、沿底板滑動(dòng)變形、從煤臺(tái)階薄弱處剪出的剪切破壞模式。在這種破壞模式下,設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅為0.959,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        (2)在風(fēng)氧化煤短期內(nèi)無(wú)法清理的背景下,通過(guò)時(shí)序控制開采,在不影響生產(chǎn)前提下,可為風(fēng)氧化煤的清理爭(zhēng)取時(shí)間,在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)了人力、資源配置的優(yōu)化。

        (3)在進(jìn)行同類型煤礦的開采設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮露頭煤的留存問(wèn)題,尤其在有外排土場(chǎng)形成復(fù)合邊坡時(shí),煤巖臺(tái)階失穩(wěn)將直接影響復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性。若在開采設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)能考慮上述問(wèn)題,將可能導(dǎo)致排土場(chǎng)安全距離過(guò)小,為邊坡治理工作帶來(lái)困難。

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        收稿日期:(2016-05-04)

        作者簡(jiǎn)介:祖國(guó)林(1963-),男,安徽樅陽(yáng)人,高級(jí)工程師,主要從事露天煤礦安全開采、礦山災(zāi)害治理、邊坡穩(wěn)定等方面研究及管理工作,Email:zugl@fsccri.com。

        * 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274122);國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金(U1361211).

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