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        某露天煤礦拋擲爆破及煤層開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

        2018-03-15 04:41:40汪日生郭飛高劉建國
        現(xiàn)代礦業(yè) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:安全系數(shù)臺階巖土

        陳 壽 汪日生 郭飛高 劉建國

        (葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司)

        露天礦邊坡穩(wěn)定性對于礦山安全高效生產(chǎn)影響較大,目前,主要采用極限平衡法和巖土數(shù)值模擬方法進行邊坡穩(wěn)定性評價[1]。隨著研究的不斷深入,根據(jù)不同的地質(zhì)條件狀況,極限平衡法可進一步分為簡布法、畢肖普法、瑞典條分法、斯賓賽法、不平衡推力傳遞法、摩根斯坦-普拉斯法、薩爾瑪法等[2-3]。在巖土工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬方法主要有有限元極限法[4-6]、離散元法[7]、快速拉格朗日分析法[8]、邊界元法[9]、塊體系統(tǒng)不連續(xù)變形分析法[10]、數(shù)值流形方法[11]等。我國西北地區(qū)某露天煤礦在拋擲爆破和拉斗鏟倒堆開挖過程中,實體高臺階曾發(fā)生多次滑坡,嚴(yán)重威脅著臺階上方鉆機及臺階下方采煤機械和人員安全。為確保該礦安全生產(chǎn),本研究采用Geo-studio和FLAC3D軟件分別對爆破振動、煤層開挖因素影響下的邊坡穩(wěn)定性進行分析,為實體高臺階實時監(jiān)控預(yù)警及滑坡快速治理提供理論依據(jù)。

        1 工程概況

        本研究礦區(qū)拋擲爆破的實體高臺階主要由巖層和煤層組成。煤層為主采的6#復(fù)合煤層,該煤層屬于層狀構(gòu)造,其結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)為線理狀和條帶狀。該煤層平均厚度為28.8 m,整體埋藏十分平緩,傾角為3°~5°,煤層硬度、韌性、密度普遍較大,脆性稍差。6#煤層以上的巖石臺階主要為黏土巖、泥巖、砂泥巖,巖層高度為38~42 m,屬于堅硬—半堅硬巖石,普氏硬度系數(shù)為3.4~6.0。當(dāng)前巖石臺階的設(shè)計傾角為65°,煤層邊坡設(shè)計傾角為75°,巖石高臺階長約2 200 m,煤層開采工作分為東西兩區(qū),工作面長度均為1 000 m左右。本研究以東區(qū)為例,依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50197—2015)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001),并結(jié)合該礦拋擲爆破實體高臺階的存在期較短(1~2個月)的特征,確定實體高臺階邊坡的儲備安全系數(shù)為1.2。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料并結(jié)合現(xiàn)場取樣,在實驗室測得的煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 礦區(qū)煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

        2 爆破振動影響下邊坡穩(wěn)定性分析

        2.1 西區(qū)爆破振動影響分析

        2.1.1 模型構(gòu)建

        本研究運用基于極限平衡法的Geo-studio軟件中QUAKE/W動力有限元模塊根據(jù)西區(qū)的實際情況構(gòu)建了如圖1所示的模型。模型上覆巖層臺階高44 m,坡面傾角65°,中部煤層厚28 m,坡面傾角75°,下部基巖主要為厚72 m的泥巖。整個模型基底長300 m,高144 m。

        圖1 臺階剖面模型

        2.1.2 計算結(jié)果分析

        由Geo-studio軟件自帶的地震波模擬現(xiàn)場爆破振動產(chǎn)生的震動波,在西區(qū)初始模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了歷時10 s的地震波(圖2)。地震波傳播至邊坡的瞬間,邊坡向自由面發(fā)生了劇烈晃動。軟件默認(rèn)以0.02 s作為時間步長記錄地震波對邊坡的影響,故10 s的震動共計500步,按每20個時間步長保存一次記錄。在初始應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上再次添加邊坡穩(wěn)定性分析模塊,基于摩爾-庫倫理論得到的安全系數(shù)為1.15[12],相應(yīng)的安全儲備系數(shù)為1.2,但無法認(rèn)定邊坡會一定發(fā)生破壞。

        圖2 振動過程中的地震波譜

        受地震波的影響,邊坡的安全系數(shù)變化較大,由圖3(a)可知,安全系數(shù)在爆破振動過程中劇烈變化,多次降至1.0以下,因此在分析邊坡受振動影響時是否會發(fā)生坍塌,應(yīng)側(cè)重于分析爆破振動過程中的邊坡位移量。圖3(b)顯示在持續(xù)10 s的振動過程中,實體高臺階邊坡受爆破振動影響產(chǎn)生的永久性位移量約為0.27 m,如此大的位移較易誘發(fā)邊坡在原本不穩(wěn)定的破壞面處發(fā)生滑坡。由此可見,爆破振動對邊坡巖層的破壞較大,是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,因此,在爆破作業(yè)后應(yīng)認(rèn)真確定邊坡的穩(wěn)定性。

        圖3 爆破振動過程中安全系數(shù)及位移隨時間的變化特征

        2.2 不同爆破強度下的邊坡穩(wěn)定性

        爆破設(shè)計選取的參數(shù)不同,產(chǎn)生的爆破振動強度也不同。為研究不同振動強度對邊坡穩(wěn)定性的影響,本研究設(shè)定了4組不同振動強度參數(shù)(表2),在重力場下考慮爆破振動的影響,運用Geo-studio軟件的QUAKE/W模塊,采用摩根斯頓-普賴斯法分析了不同振動強度下的邊坡穩(wěn)定性,得到的安全系數(shù)如表2所示。

        表2 振動強度參數(shù)設(shè)定

        由表2可知:隨著爆破振動強度增大,邊坡安全系數(shù)趨于減小。數(shù)值模擬表明:質(zhì)點振動加速度超過0.2 g時,邊坡安全系數(shù)基本小于1.0,根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50197—2015),安全系數(shù)小于1.0的實體高臺階邊坡發(fā)生破壞的可能極大。在4種不同振動強度作用下,邊坡產(chǎn)生的位移量如圖4所示。分析圖4可知:當(dāng)質(zhì)點的振動加速度a超過0.1 g時,位移大幅高于0.16 m;當(dāng)a達到0.4 g時,產(chǎn)生的位移量達到1.02 m,產(chǎn)生的位移極大,易導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生較大裂縫,在進一步受到降雨、下方煤層開挖擾動的影響后,邊坡極易發(fā)生變形破壞??蓮慕档驼ㄋ幜?、采用微差爆破、改變裝藥結(jié)構(gòu)、設(shè)置人為減振帶、控制爆破頻率減少位移累積等方面采取相關(guān)措施,來降低爆破振動危害。

        圖4 振動過程中的邊坡累計位移

        3 開挖擾動下邊坡穩(wěn)定性分析

        3.1 模型構(gòu)建

        仍以西區(qū)為例,運用基于數(shù)值模擬法的FLAC3D軟件構(gòu)建了數(shù)值模型進行邊坡穩(wěn)定性分析。模型剖面長250 m,采煤工作面長400 m,模型高144 m,以Z方向-72 m處為模型的底邊界,沿X正方向開挖,最終形成的模型單元數(shù)為95 040個,節(jié)點數(shù) 102 060個(圖5)。

        圖5 三維FLAC3D計算模型

        3.2 模擬結(jié)果分析

        本研究采用開挖上覆巖層的方式來模擬拉斗鏟倒堆作業(yè)的過程。數(shù)值模擬表明:隨著巖層逐步開挖,經(jīng)歷不斷卸載、應(yīng)力釋放、自由變形等一系列過程后,在坡面附近的巖體內(nèi)會發(fā)生應(yīng)力重新分布(圖6)。分析圖6可知:臺階上方位移矢量向下表現(xiàn)為沉降,中部位移矢量幾乎與坡面平行表現(xiàn)為剪切,開挖位置位移矢量向上表現(xiàn)為剪出,開挖后坡底出現(xiàn)剪切破壞,但整體上邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)工作面日采煤進度以及模型尺寸,進行了開挖煤層模擬,每次開挖前進20 m,整個模型開挖分20步完成,最終最大不平衡力逐漸收斂,模型趨于平衡狀態(tài)。

        圖6 上覆巖層開挖后塑形區(qū)分布

        由于煤層開挖次數(shù)較多,故本研究選取開挖第1、10,19步進行了分析。結(jié)果表明:邊坡開挖引起地應(yīng)力釋放,開挖周圍坡體會產(chǎn)生卸載回彈變形,坡體向自由面移動,并且隨著時間積累變形范圍逐漸擴大;在坡體臨空面處,尤其是坡腳位置,易形成剪應(yīng)力增高區(qū)域,向坡體內(nèi)部逐漸減弱;卸載過程中應(yīng)力釋放量最大的位置位于開挖面周圍,從模型側(cè)面來看,坡體由上至下依次呈沉降、剪切、剪出狀態(tài),整體易形成圓弧形剪切破壞。

        開挖卸載使地層特別是開挖后的部分煤巖層隆起現(xiàn)象較明顯,煤層在開挖過程中,基底巖層隆起的程度呈先增大后逐漸減小的趨勢,在開挖至中間位置時隆起程度達到最大。上覆巖層開挖后,煤層隆起量達222.6 mm,煤層全部開挖完畢后,基巖隆起量為233.5 mm,本研究模擬開挖后的位移變化特征基本符合實際情況。本研究數(shù)值模擬得出的邊坡安全系數(shù)為1.18,表明在開挖過程中,邊坡勉強能夠維持穩(wěn)定狀態(tài),但經(jīng)過爆破振動和開挖的復(fù)合作用后,邊坡安全系數(shù)將大大降低,極易造成滑坡或大面積垮落。

        4 結(jié) 語

        以我國西北地區(qū)的某露天煤礦為例,針對該礦在拋擲爆破及煤層開挖過程中高臺階、大坡角邊坡嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)的實際情況,分別運用極限平衡法與數(shù)值模擬法計算出了實體高臺階在爆破振動、煤層開挖影響下的安全系數(shù)。研究表明:拋擲爆破實體高臺階邊坡穩(wěn)定性較為脆弱,生產(chǎn)過程中可通過優(yōu)化邊坡幾何參數(shù)、爆破工藝與網(wǎng)絡(luò)以及開挖順序,并配以雷達監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)來確保礦區(qū)安全高效作業(yè)。

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