徐勇超，李苗苗

（1.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特 029100；2.霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 南露天礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

扎哈淖爾露天煤礦開采境界內(nèi)可采原煤儲量為945.06 Mt，初設開采程序為拉溝降深位置在南部煤層露頭處，沿走向布置工作線，沿傾向推進最后平行發(fā)展。扎哈淖爾露天礦主采煤層為52、53、54 煤組，北幫邊坡走向與巖層層理走向平行，巖層與邊坡傾向相反，邊坡內(nèi)511 煤頂板、532、543 煤底板存在泥巖逆傾弱層，對到界北幫邊坡的穩(wěn)定性極為不利，邊坡問題將更加明顯，尤其是北幫邊坡到界邊坡形態(tài)設計、穩(wěn)定性控制及壓煤回采等問題迫切需要解決。

隨著采剝工程及降深工程的發(fā)展，其東部北幫（工作幫）首先到界，針對到界北幫邊坡實際地質(zhì)條件，利用剛體極限平衡理論，先從二維角度科學合理的研究到界北幫邊坡穩(wěn)定性、設計合理邊坡形態(tài)，但二維邊坡穩(wěn)定沒有考慮邊坡三維效應問題，導致其下部積壓一部分煤炭資源[1-3]。為了回采下部積壓的煤炭資源，利用強度折減理論，建立三維數(shù)值分析模型，借助于橫采工作幫、內(nèi)排土場的空間位置關系，在空間上考慮其邊坡三維效應對邊坡穩(wěn)定性的影響，對橫采內(nèi)排位置實施北幫陡幫邊坡穩(wěn)定性研究，在內(nèi)排壓幫前回采這部分煤剝采比小的優(yōu)質(zhì)資源，可以創(chuàng)造更多的效益，減少煤炭浪費，提高回采率，同時推動露天礦邊坡穩(wěn)定性分析理論的發(fā)展具有重要理論及指導意義[4-6]。

1 工程背景

隨著北幫（工作幫）逐步推進及采場重心向西發(fā)展，采場北幫東部逐步到達最終地表境界，地表以下作業(yè)臺階與平盤逐步達到設計線。若北幫邊坡不進行到界設計，將影響內(nèi)排向西發(fā)展，最終導致內(nèi)排空間不足。若不能進行內(nèi)排，將導致邊坡暴露長度增大，對北幫邊坡穩(wěn)定性將產(chǎn)生的不利影響。為了最大限度采出煤炭資源，有必要研究扎哈淖爾露天礦橫采內(nèi)排位置北幫邊坡失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性變化規(guī)律，確定了到界邊坡最優(yōu)邊坡形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)階段采、排位置情況，確定其到界北邊坡位置域，走向長度（東西）2 066 m，傾向?qū)挾龋媳保┳顚?95 m。北幫邊坡穩(wěn)定性計算剖面位置平面圖如圖1。

圖1 北幫邊坡穩(wěn)定性計算剖面位置平面圖

2 北幫到界邊坡穩(wěn)定性

2.1 工程地質(zhì)條件

1）巖、土層及煤層分布及特征。通過分析北幫邊坡揭露情況、現(xiàn)場踏勘及試驗結果可知，橫采內(nèi)排區(qū)域地層總體表現(xiàn)為單斜構造，無較大褶曲，只在靠近斷層附近，受F27斷層影響形成巖層略有彎曲。構成北幫邊坡巖體力學強度普遍較低，巖性組合復雜。511 煤層頂板、532 煤層底板和543 煤層底板存在弱層，考慮到邊坡在垂直方向上的地層巖性、弱層分布及穩(wěn)定性是否存在三維效應等因素，將邊坡自上而下劃分為3 個階段（511 煤頂板以上、511 煤頂板～532 煤底板、532 煤底板煤頂板～543 煤底板），典型地質(zhì)計算剖面如圖2。

圖2 典型地質(zhì)計算剖面圖

2）巖、煤層物理力學參數(shù)。結合試驗結果、扎哈淖爾露天礦初步設計中的數(shù)據(jù)，綜合確定的到界北幫北邊坡穩(wěn)定性分析計算采用的巖、煤體物理力學指標見表1。

表1 巖、煤體物理力學指標

3）安全儲備系數(shù)。按照GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范中的規(guī)定，依據(jù)采場、內(nèi)排土場邊坡的服務年限、北邊坡上、下部存在運輸系統(tǒng)及重要程度等因素，在縱采條件下，將到界北幫邊坡自上而下確定安全儲備系數(shù)。具體內(nèi)容如下：①由于巖土體指標通過反算獲得，精度較高，而且現(xiàn)有邊坡已經(jīng)形成，盡管處于蠕滑階段，典型剖面511 煤頂板以上邊坡保持不變，此位置典型剖面邊坡安全儲備系數(shù)為1.05；②511 煤頂板～532 煤底板區(qū)段邊坡服務年限較長，較長時期不受內(nèi)排土場壓幫作用，確定該階段邊坡安全儲備系數(shù)為1.15；③532 煤底板～543 煤底板區(qū)段可分為2 種情況，采用縱采時邊坡暴露時間較長，選取安全儲備系數(shù)為1.15；④532 煤以下采用橫采開采程序，應用內(nèi)排追蹤壓幫技術，邊坡暴露時間很短，選取安全儲備系數(shù)為1.10。

4）計算方法。邊坡穩(wěn)定性計算方法有很多種，二維方法以極限平衡法應用最為廣泛，三維方法則以有限差分原理為基礎的FLAC3D數(shù)值模擬手段應用最為普遍。在分析以上2 種方法適用性的基礎上，提出方法選擇的原則，為各區(qū)段不同類型邊坡穩(wěn)定性分析方法的選取提依據(jù)[7-8]。

5）邊坡潛在滑坡模式。對于扎哈淖爾露天礦橫采內(nèi)排位置北幫到界幫邊坡滑移主要受511 煤層頂板、532 煤層底板和543 煤層底板存在弱層控制，在典型地質(zhì)剖面位置，存在的F27順傾斷層有可能形成滑體的天然界限，但不會影響整體邊坡穩(wěn)定性。鑒于以上分析，橫采內(nèi)排位置北幫到界的潛在滑坡模式為以圓弧為側界面、以弱層為底界面的切層-順層滑動[9]。

2.2 縱采條件下邊坡穩(wěn)定性與形態(tài)

1）第1 階段邊坡穩(wěn)定性與形態(tài)（考慮511 煤頂板弱層對北幫到界邊坡穩(wěn)定性的影響）。橫采內(nèi)排位置北幫到界邊坡典型剖面第1 階段（511 煤頂板以上）形態(tài)優(yōu)化與穩(wěn)定性計算結果如圖3。設計臺階高度12 m，臺階坡面角70°，保持運輸平臺不低于30 m，隨著清掃平臺寬度增大，邊坡穩(wěn)定性有所提高，當運輸平臺與清掃平臺寬度均為31 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)剛好滿足安全儲備系數(shù)1.05 的要求。

圖3 運輸平臺31 m、清掃平臺31 m 邊坡穩(wěn)定性計算結果

2）第2 階段邊坡穩(wěn)定性與形態(tài)（考慮532 煤底板弱層對北幫到界邊坡穩(wěn)定性的影響）。橫采內(nèi)排位置北幫到界邊坡典型剖面第2 階段（532 煤底板以上）形態(tài)優(yōu)化與穩(wěn)定性計算結果如圖4。設計臺階高度12 m，臺階坡面角70°，保持運輸平臺不低于30 m，隨著清掃平臺寬度增大，邊坡穩(wěn)定性有所提高，當運輸平臺寬30 m、清掃平臺寬12 m 時，532底板以上邊坡穩(wěn)定系數(shù)剛好滿足安全儲備系數(shù)1.15 的要求。

圖4 運輸平臺31 m、清掃平臺12 m 邊坡穩(wěn)定性計算結果

3）第3 階段邊坡穩(wěn)定性分析與形態(tài)設計（考慮543 煤底板弱層對北幫到界邊坡穩(wěn)定性的影響）。橫采內(nèi)排位置北幫到界邊坡典型剖面第2 階段（543煤底板以上）形態(tài)優(yōu)化與穩(wěn)定性計算結果如圖5。設計臺階高度12 m，臺階坡面角70°，保持運輸平臺不低于30 m，隨著清掃平臺寬度增大，邊坡穩(wěn)定性有所提高；當運輸平臺寬30 m、清掃平臺寬30 m 時，543 底板以上邊坡穩(wěn)定系數(shù)剛好滿足安全儲備系數(shù)1.15 的要求。在二維計算情況下，此時的橫采內(nèi)排位置到界北幫邊坡形態(tài)為最優(yōu)到界形態(tài)。

圖5 運輸平臺30 m、清掃平臺30 m 邊坡穩(wěn)定性計算結果

北幫到界邊坡典型剖面各階段形態(tài)優(yōu)化、穩(wěn)定性計算結果見表2。

表2 北幫到界邊坡典型剖面各階段形態(tài)優(yōu)化、穩(wěn)定性計算結果

2.3 橫采內(nèi)排條件下邊坡穩(wěn)定性與形態(tài)

橫采開采程序?qū)吰路€(wěn)定性的作用實質(zhì)是利用橫采工作幫與內(nèi)排土場對到界北幫邊坡的雙重支擋作用，減小了邊坡的暴露長度與裸露時間，進而改善和提高其穩(wěn)定性。這種效應主要體現(xiàn)在深部邊坡（532 煤以下），隨著邊坡在垂直方向上向淺部過渡，由于邊坡暴露長度越來越大，這種效應將逐漸減小甚至消失。為此，對于橫采條件下的采場北幫到界邊坡，僅考慮壓幫至532 煤層底板，通過對邊坡穩(wěn)定性進行三維模擬分析，進一步優(yōu)化深部邊坡的空間形態(tài)與參數(shù)。

1）模型的建立。考慮到FLAC3D建模的復雜性，采用CAD-ANSYS 建模再導入FLAC3D生成模擬模型，單元類型為8 節(jié)點、4 面體單元，再利用強度折減理論原理，應用簡單可靠的摩爾庫倫（Mohr～Coulomb）做本構模型進行模擬。以典型剖面現(xiàn)狀邊坡為研究對象，分別建立了開挖至543 煤層底板時的邊坡三維模擬模型。每個模型包括北幫、橫采工作幫和內(nèi)排土場3 個部分，開挖位置通過改變局部邊坡角進行調(diào)整，坑底弱層暴露走向長度分別為50、100、150、200、300、400、500 m，開挖角度定在532 煤層底板位置，通過空間三維效應研究暴露長度與開挖角度對邊坡穩(wěn)定性的影響。開挖位置示意斷面圖。開挖位置示意斷面圖如圖6。

2）三維模型數(shù)值模擬結果。通過FLAC3D 計算模擬不同弱層暴露長度及開挖坡角三維模型，模擬計算得到到界回采北幫邊坡弱層暴露長度及不同開挖坡角條件下穩(wěn)定性系數(shù)結果見表3。邊坡穩(wěn)定性隨543 煤層底板弱層暴露長度變化規(guī)律如圖7。

3 北幫到界邊坡最優(yōu)空間形態(tài)

圖6 開挖位置示意斷面圖

表3 到界回采北幫邊坡弱層暴露長度及不同開挖坡角條件下穩(wěn)定性系數(shù)結果

圖7 邊坡穩(wěn)定性隨543 煤底板弱層暴露長度變化規(guī)律

根據(jù)上述縱采與橫采內(nèi)排條件下邊坡穩(wěn)定性計算結果可知，滿足安全儲備系數(shù)1.1 時543 煤底板弱層暴露長度和深部開挖坡角都有確定的值相互對應。當543 煤底板弱層暴露長度為100 m，開挖坡角為33°，滿足安全儲備系1.1 要求，當543 煤底板弱層暴露長度為200 m，開挖坡角為25°，滿足安全儲備系1.1 要求。為了最大限度開采煤炭資源，同時確保北幫到界邊坡的穩(wěn)定性，在邊坡高度一定情況下，應盡量增大開挖角度，利用邊坡穩(wěn)定的三維效應，最大能力的采出煤炭資源，最終確定弱層暴露長度為100 m，開挖坡角為33°為最優(yōu)邊坡空間形態(tài)，相對于第3 階段二維邊坡穩(wěn)定性計算結果22°，下部局部邊坡角度提高11°，使整體北幫邊坡角為由20°變?yōu)?2°，通過軟件計算，按橫采內(nèi)排位置北幫到界邊坡走向長度500 m 計算，可最多開采煤炭資源155.7萬t。

4 結論

1）針對511 煤層頂板、532 煤層底板和543 煤層底板不同弱層層位，考慮采、排場的空間關系、開采程序變化、服務年限及重要程度，分3 個階段分別確定了安全儲備系數(shù)為1.05、1.15、1.15（橫采條件下為1.10）。

2）橫采內(nèi)排位置北幫到界邊坡臨界失穩(wěn)時變形破壞主要受弱層面控制，失穩(wěn)模式為開挖后的臨空面與511 煤層頂板、532 煤層底板和543 煤層底板存在弱層為底界面的切層－順層組合滑動。

3）在縱采條件下，基于剛體極限平衡理論，依據(jù)到界北幫邊坡自上而下分3 個階段確定安全儲備系數(shù)，結合不同弱層層位，分階段確定了北幫到界邊坡形態(tài)。

4）在橫采條件下，基于強度折減法優(yōu)化后，532煤底板至543 煤底板按橫采內(nèi)排開采程序設計，借助邊坡穩(wěn)定的三維效應，可確定543 煤底板弱層暴露長度為100 m，底部開挖坡角33°，局部邊坡角可提高11 °，可使多采出煤炭字眼155.7 萬t。