王建鑫

（內蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天煤礦基于FLAC3D靠幫開采可行性方案

王建鑫

（內蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

為了最大限度回收煤炭資源，越來越多的露天煤礦采用靠幫開采進行壓覆資源回收，以納林廟災害治理工程為例，從現(xiàn)狀分析、提出方案，到采用FLAC3D三維有限差分程序進行邊坡穩(wěn)定分析論證了端幫角度從37°可以提高至43°，為端幫快速開采、回填提供技術支撐。

露天煤礦；靠幫；開采；回填

0 前 言

我國露天煤礦設計一般采用靜態(tài)、均一、永久性設計，端幫一般設置15 m以上運輸?shù)缆贰?～5 m安全平臺、6～12 m清掃平臺，設計端幫角度一般在35°～37°，即最終幫坡角。而對于近水平露天煤礦，內排期間端幫隨著排土場跟進不斷的暴露與壓幫，端幫時間存在較為短暫，只有在開采終了形成尾坑時存在永久最終幫坡。為了保證永久性安全在開采終了最終幫坡角選取靜態(tài)、均一、永久性設計是合理的，但在短期存在的端幫應合理考慮邊坡的時效性、不同巖層的分布、不同邊坡形態(tài)等來論證邊坡受力狀態(tài)與安全系數(shù)，目前主要的邊坡穩(wěn)定分析方法有極限平衡法、類比法、數(shù)值模擬法[1]，本次采用數(shù)值模擬中具有代表性的FLAC3D有限差分分析軟件，F(xiàn)LAC3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術，能夠非常準確的模擬材料的塑性破壞和流動，基于較小空間能夠求解大范圍的三維問題[2]。

1 工程概況

內蒙古伊泰煤炭股份有限公司納林廟災害治理項目辦位于內蒙古自治區(qū)東勝煤田勃牛川普查區(qū)東南部，井田含煤地層構造形態(tài)與東勝煤田總體構造形態(tài)一致，為一向南西傾斜的單斜構造，傾向210°～230°，傾角1°～3°。確定治理范圍劃分為治理首區(qū)和治理二區(qū)2個治理區(qū)，其中治理首區(qū)一分區(qū)主要開采4#實體煤，平均厚度2.2 m，采用單斗-卡車間斷式工藝，工作線由西向東推進，采用移動坑線開拓。煤層直接頂、底板巖石主要以砂質泥巖為主，抗壓強度27.4～30.8 MPa，軟化系數(shù)0.42～0.48；6-2煤層為全井田可采煤層，直接頂、底板巖石主要以細砂巖、粉砂巖、泥巖為主，抗壓強度25.0～30.9 MPa，泥巖軟化系數(shù)0.46。綜合本井田巖石力學性質，主要以軟弱巖石為主，其次為半堅硬巖石，砂質泥巖及泥巖屬易軟化巖石，中深部巖層巖石質量及巖體質量較好，工程地質類型為第三類、第二型，即層狀巖類中等型，目前治理工程全部實現(xiàn)內排，內排土工作線呈內圓弧狀，工作線中部推進較慢，排土跟進快，為靠幫開采邊坡穩(wěn)定的時效性提供有利條件。

2 靠幫開采方案

靠幫開采的核心是提高端幫幫坡角，回收壓覆資源。本次開采對象為首采區(qū)一分區(qū)北端幫，為主要運輸干線，靠幫開采對治理區(qū)開拓運輸系統(tǒng)影響較大，必須在回采后盡快回填壓幫，由于北端幫設置20 m的1290運輸平臺、5 m的1300安全平臺、20 m的1310運輸平臺，1310平臺以上均為開采初期形成的安全平臺，整體端幫幫坡角度為37°，內排土場排棄標高為1 290、1 310、1 330、1 340、1 360 m5個排土平臺，端幫一側跟進速度快。目前采場主要運輸系統(tǒng)為1290、1310端幫運輸系統(tǒng)，下部1270煤底板運輸系統(tǒng)主要為1270—1280的剝離量服務，所以當進行靠幫開采時必須提前規(guī)劃運輸系統(tǒng)，綜合采場主要剝離平臺位置及排土場跟進速度，采取中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋與端幫回填貫通相結合內排，即在靠幫開采時，主要剝離1280、1290、1300平臺，剝離物經(jīng)1 270 m水平煤底板排棄至1290排土場?；夭赏陦焊操Y源后在端幫快速壓幫預先形成1290運輸系統(tǒng)、逐步形成1310運輸系統(tǒng)，即快速回填貫通端幫道路又保證了邊坡的時效穩(wěn)定性。

根據(jù)目前開采現(xiàn)狀、地區(qū)巖性結構、及相鄰礦山端幫形式，從端幫下部推進，對1 310 m以下水平進行推進加陡幫坡角，即1 310 m以上境界不動。設計將1310運輸平臺縮減為12 m，不通行寬體車，且將1300與1310平臺進行并段，不設1300平臺，將1290平臺縮減為15 m，整體將幫坡角從37°提高至43°，經(jīng)計算底部推進寬度30 m。

北端幫處采場工作線與排土場工作線最短距離為50 m，靠幫開采時為了縮小變坡暴露面積與時間，采用每50 m步距為一個循環(huán)開采單元，開采完畢迅速回填，待排土場推進至50 m附近進行下一個開采單元，底部推進寬度為30 m，經(jīng)計算一個開采單元需要剝離土石6.06萬m3，目前每日平均剝離量為8萬m3，雖然可以滿足端幫1 310 m以下回填壓幫量，但由于端幫排土空間受限，在開采完壓覆資源后，在端幫處從采場和排土場對向排土，一個工作日內可將1 290 m水平進行壓幫回填，減少邊坡暴露時間。經(jīng)計算一個開采單元可回收煤炭資源4 224 t。

3 FLAC3D理論基礎

邊坡分析理論一般有極限平衡法、有限元法、有限差分法、滑移線場法等，極限平衡法近似的把巖土體看作剛性材料，假定滑移面根據(jù)邊坡的滑體或滑塊的力學原理，分析各種破壞模式下的受力狀態(tài)。有限差分強度折減法不需要對滑動面形式和位置做假定，通過強度折減當計算不收斂時，對應的值即為最小穩(wěn)定安全系數(shù)。采用FLAC3D有限差分程序采用摩爾-庫倫本構模型及自帶的強度折減法求解[3-4]。

1）摩爾-庫倫模型適用于巖土體、混凝土體等材料，對于應力變化范圍不大的一般巖土體，其摩爾包絡線可用庫倫強度公式表示，其屈服準則公式為：

σ′1、σ′3分別指土中一點的大小主應力，φ′為內摩擦角。

2）有限差分強度折減法認為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)可以定義為使巖土體剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對巖土體的內聚力和內摩察角進行折減的程度[5-6]，即定義安全系數(shù)為巖土體的抗剪強度與臨界破壞時折減后的剪切強度的比值，強度折減公式為：

CF是折減后土體虛擬的粘聚力，φ′F是折減后土體虛擬的內摩擦角，C和φ′為內聚力和內摩察角，F(xiàn)s為折減系數(shù)。強度折減法的要點是利用上述公式調整巖土體強度指標的內聚力和內摩擦角，通過反復折減對邊坡巖土體進行數(shù)值模擬。

4 邊坡穩(wěn)定分析

采用FLAC3D有限差分程序對首采區(qū)北端幫進行力學模擬，主要模擬端幫在自身重力作用下的邊坡穩(wěn)定情況，模型選取北端幫代表性勘探線剖面圖建立力學模型。模型根據(jù)北端幫巖性分布將網(wǎng)格劃分為5組。邊坡巖體自上而下分布為砂土層、泥巖層、細粒砂巖層、砂質泥巖層、煤層、砂質泥巖層，計算所取物理力學參數(shù)見表1。由于巖土在外力作用下不但會產生彈性變形、還會產生不可恢復的塑性變形，則本構模型選取摩爾-庫倫彈塑性模型，安全系數(shù)求解采用FLAC3D自帶的強度折減法求解[7]。

根據(jù)實際條件確定模型的邊界條件為：①模型從前后左右4個方向同時施加約束力，使得邊界各個方向沒有位移；②固定模型底部邊界，使模型在底部任何方向都沒有位移；③模型的頂部和坡面設置成自由邊界，能夠自由運動。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

通過FLAC3D進行數(shù)值分析，得出模型的最大不平衡力收斂曲線圖、最大位移圖、剪切應變增量云圖及安全系數(shù)、Z方向位移云圖。

不平衡力是數(shù)值計算迭代過程中產生的系統(tǒng)內外力之差，在靜態(tài)求解模式中用它來判斷是否達到平衡狀態(tài)，從圖1看出最大不平衡力無限趨近于0，此時模型體系達到平衡狀態(tài)，即邊坡未出現(xiàn)坍塌或塑性變形。

圖1 最大不平衡力收斂曲線圖

從圖2最大位移圖可以明顯看出邊坡滑動位置，且位于北端幫頂部及4#煤位置位移量最大，且位于坡頂區(qū)段位移有明顯下沉趨勢，坡角有逐漸伸出趨勢，從位移云圖可看出4條較為明顯的圓弧滑移面，并存在最大的位移滑移面，即第四系與第三系砂土層與煤層及上層砂質泥巖圓弧滑移面，但中部沒有形成與上下部位相同數(shù)量級位移量。結合位移云圖可知在北端幫邊坡體內部可能形成潛在位移圓弧滑動面。

從圖3剪切應變增量圖可以看出破壞面位于邊坡內部及坡角處，且坡頂與坡角尚未形成貫通塑性區(qū)，但坡角與坡頂中部形成塑性貫通區(qū)域，位于邊坡上部細粒砂巖區(qū)巖層強度較大，潛在破壞為從細粒砂巖以下至煤層底板出現(xiàn)滑動，且通過計算顯示安全系數(shù)為1.22，邊坡應盡可能減少暴露時間保證穩(wěn)定[8]。

圖2 最大位移圖

圖3 剪切應變增量圖

從圖4 Z方向位移云圖可以看出Z方向出現(xiàn)位移主要在煤層底板處，邊坡坡底穩(wěn)定性較差。以上分析表明，邊坡穩(wěn)定處于較危險狀態(tài)，煤層底板處穩(wěn)定性差，可能形成沿煤底板切出的圓弧滑動面。

圖4 Z方向位移云圖

5 工程實例

納林廟露天災害治理工程從2016年6月進行北端幫壓覆資源回收，到2017年2月結束，將端幫幫坡角提高至43°，成功回收端幫壓覆資源，并形成1290、1310、1330排土平臺，共形成中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋與端幫回填貫通相結合內排3條運輸系統(tǒng)。開采與排土壓幫緊密銜接，端幫幫坡角穩(wěn)定未出現(xiàn)坍塌或滑移現(xiàn)象。

在靠幫開采過程中為了保障邊坡的穩(wěn)定性，做了以下預防預報措施：①分別在北端幫坡頂、1 310 m水平布設邊坡監(jiān)測點進行固定位移監(jiān)測，在煤底板處進行不定期位移監(jiān)測，定期利用I-site長距離紅外掃描儀進行邊坡位移監(jiān)測分析；②在靠幫開采過程中煤底板處設置警戒、專人在安全區(qū)域進行觀察監(jiān)測；③露天作業(yè)開采過程改變爆破傳導方向、減少對北端幫的震動影響、到界邊坡采取預裂爆破；④加強剝離進度、加快壓幫速度。

6 結 論

1）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析，北端幫邊坡可能發(fā)生的破壞形式為圓弧滑動面且從4#煤底板處滑移，靠幫開采時需加強監(jiān)測。

2）在4#煤底板處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，可能發(fā)生剪切破壞，需及時進行壓幫。

3）靠幫開采在回收壓覆資源后，必須及時壓幫、減少邊坡暴露時間與面積，按照日常的剝離量在端幫開采后1 d即可對1 290 m水平進行壓幫回填，具備快速壓幫條件。

4）為了在靠幫開采初期設計與規(guī)劃好運輸系統(tǒng)，避免出現(xiàn)開采中和開采后帶來運輸?shù)淖铚?，導致不能及時壓幫，在中部采空區(qū)沿煤層頂板搭單橋，運輸系統(tǒng)良好，對快速壓幫形成有利條件。

5）通過邊坡角度設計、運輸系統(tǒng)規(guī)劃等方案論證進而對邊坡穩(wěn)定力學模擬分析，從而得出靠幫開采方案可行。

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【責任編輯：張 夙】

Feasibility scheme of steep slopem ining based on Flac3D

WANG Jianxin
(Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

In order to maximize the recovery of coal resources,more and more open-pit coal mines adopts steep slope mining pressure resource recovery.Taking Nalinmiao disaster control engineering as an example,from the current situation analysis, scheme to using Flac3Dthree-dimensional finite difference program,the article carries out slope stability analysis and demonstrates end slope angle from 37 degrees to 43 degrees,which provide technical support for fastmining and backfill.

open-pit coalmine;steep slopemining;backfill

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0017－04

2017-05-28

王建鑫（1987—），男，內蒙古巴彥淖爾人，學士，2011年畢業(yè)于內蒙古科技大學采礦工程專業(yè)，現(xiàn)就職于內蒙古伊泰煤炭股份有限公司，從事露采技術管理。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.005

王建鑫.露天煤礦基于FLAC3D靠幫開采可行性方案［J］.露天采礦技術，2017，32（9）：17-20.