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        平朔東露天礦邊坡變形機理分析及穩(wěn)定性控制措施

        2021-10-05 06:31:04李桂艷
        露天采礦技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:變形水平評價

        李桂艷

        (中煤平朔集團公司 露天工程服務(wù)分公司,山西 朔州 036006)

        在露天礦生產(chǎn)中,采場邊坡的穩(wěn)定性是礦山能否正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一,露天煤礦邊坡最常見的破壞形式即為滑坡[1-2]。導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑坡的影響因素眾多,可將眾多影響因素大致劃分為2 類,即外在因素和內(nèi)在因素;內(nèi)在原因主要為地質(zhì)構(gòu)造、采礦活動、水文地質(zhì)條件等,外在原因主要有邊坡受到冰凍、雨雪以及日曬等[3-4],另外人們在邊坡技術(shù)管理方面弱也是造成邊坡滑坡的原因。為保障采場邊坡的穩(wěn)定,避免邊坡滑坡事故的出現(xiàn),對提升礦山經(jīng)濟效益安全性具有重要意義。為此,根據(jù)平朔東露天礦的地質(zhì)特征和開采條件,采用數(shù)值模擬進行北幫和南幫變形機理的分析,采用理論分析與現(xiàn)場實測的方式進行邊坡穩(wěn)定性的評價。

        1 工程概況

        中煤平朔集團有限公司東露天礦開采4#煤、9#煤和11#煤,目前礦山已開采至11#煤層,礦坑最大深度已經(jīng)超過250 m,且隨著開采工作進行,首采區(qū)向西側(cè)推進,南幫及北幫潛在不穩(wěn)定邊坡逐漸揭露,根據(jù)井田地質(zhì)資料可知,北幫榆嶺村區(qū)域,隨著采剝作業(yè)逐漸推進,將在該處形成近60 m 高的土質(zhì)邊坡,這對上方榆嶺村村民的安全將構(gòu)成極大威脅;南幫向西繼續(xù)推進,煤層底板逐漸走低,形成的邊坡越來越高,且該處邊坡向西上覆土層越來越厚,存在較大不穩(wěn)定隱患,因此,對采場內(nèi)北幫和南幫的穩(wěn)定性進行分析與評價勢在必行。

        2 邊坡變形分析

        2.1 橫數(shù)值模擬模型

        為有效分析采場在現(xiàn)有開采條件下北幫和南幫邊坡的變形機理,現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行變形的模擬分析,基于極限平衡法和現(xiàn)場實際進行分析,數(shù)值模擬模型圖如圖1。

        圖1 數(shù)值模擬模型圖

        北幫邊坡變形機理選用北幫1-1 剖面進行研究分析,邊坡模型如圖1(a),邊坡巖土體主要包括粉土、粉質(zhì)黏土、砂巖、泥巖、泥砂巖互層及煤層,模型尺寸為940 m×150 m×280 m;南幫邊坡變形機理選南幫用3-2 剖面進行分析,邊坡模型如圖1(b),巖土體主要包括粉土、粉質(zhì)黏土、軟弱層、砂巖、泥巖、泥砂巖互層、破碎帶及煤層,模型尺寸為150 m×800 m×314 m,模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果進行賦值,模型邊界條件為底部固定、左右和前后邊界分別固定x 和y 方向的位移。

        2.2 北幫變形機理分析

        模型建立后先進行初始地應(yīng)力的平衡,當(dāng)應(yīng)力平衡后進行開采作業(yè),開采至現(xiàn)狀邊坡,然后計算至平衡,由于邊坡開采、卸荷效應(yīng)引發(fā)了位移、塑性區(qū)狀態(tài)和最大剪應(yīng)變等變化,北幫1-1 剖面開采到現(xiàn)狀后計算收斂,北幫開采到現(xiàn)狀水平應(yīng)力計塑性區(qū)分布圖如圖2。

        圖2 北幫開采到現(xiàn)狀水平應(yīng)力計塑性區(qū)分布圖

        由圖2 可以看出,北幫邊坡最大水平位移發(fā)生在粉質(zhì)黏土層區(qū)域,約42 cm,明顯大于邊坡其它區(qū)域,表明上部土層邊坡穩(wěn)定性較差,需加強監(jiān)測,必要時需采取一定處治措施;坡面部分塑性區(qū)分布較多,很少部分存在于采場深部,表明邊坡局部穩(wěn)定性狀況較差,建議將上部臺階削坡放緩;另外根據(jù)邊坡最大剪應(yīng)變增量云圖可知,邊坡僅上部粉質(zhì)黏土層出露地表局部存在較大剪應(yīng)變增量,表明該處相對變形較大,而其它區(qū)域相對變形都較小。

        綜合上述計算結(jié)果,并結(jié)合現(xiàn)場實際,當(dāng)前狀態(tài)下北幫1-1 剖面采場處邊坡整體是穩(wěn)定的,但粉質(zhì)黏土層邊坡較陡、變形過大,有局部失穩(wěn)可能,需加強監(jiān)測,必要時采取處治措施。

        2.3 南幫變形機理分析

        南幫邊坡變形的模擬過程同北幫,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出開采到現(xiàn)狀,計算能夠自動平衡,南幫邊坡水平位移云圖如圖3。

        圖3 南幫開采到現(xiàn)狀水平位移云圖

        由圖3 可以看出,南幫1 380 m 水平平臺以上至1 420 m 水平平臺的土質(zhì)邊坡位移相對較大,位移較大部分呈圓弧形滑動,這即表明土質(zhì)邊坡不穩(wěn)定;坡面塑性區(qū)主要集中在1 380~1 420 m 水平平臺的土體處以及下部臺階處,局部臺階已經(jīng)產(chǎn)生破壞,產(chǎn)生剪切破壞,邊坡穩(wěn)定性較差。另外根據(jù)南幫剪應(yīng)變增量云圖可知1 350 m 水平平臺以上局部存在較大剪應(yīng)變增量,表明該處相對變形較大,而其它區(qū)域相對變形較小。

        綜合上述計算結(jié)果,并結(jié)合現(xiàn)場實際,當(dāng)前狀態(tài)下南幫3-2 剖面采場處邊坡整體不穩(wěn)定,且1 350 m水平平臺以上變形過大,有失穩(wěn)可能,需加強監(jiān)測。

        3 邊坡穩(wěn)定性評價與控制

        3.1 評價理論方法的選取

        為有效分析邊坡的穩(wěn)定性,結(jié)合目前國內(nèi)外眾多邊坡穩(wěn)定性的評價方法,結(jié)合平朔東露天礦的地質(zhì)條件,確定采用簡化Bishop 法記性邊坡穩(wěn)定性的評價,根據(jù)現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析方法,結(jié)合井田地質(zhì)條件,確定本次選取極限平衡法-Bishop 法進行邊坡穩(wěn)定性評價。該法是采用圓弧滑裂面,通過力矩平衡條件進行穩(wěn)定性求解,另外該法在進行土條底部法向力分析時,考慮條間作用力在法線方向上影響,以使分析結(jié)果更精確[5-7]。具體其初步判別標(biāo)準(zhǔn)為:①邊坡安全系數(shù)大于1.20,邊坡穩(wěn)定;②邊坡安全系數(shù)在1.10~1.20,邊坡基本穩(wěn)定;③邊坡安全系數(shù)小于1.10,邊坡不穩(wěn)定。

        本次對于東露天礦北幫和南幫邊坡穩(wěn)定性的評價,在初步判別的基礎(chǔ)上,綜合考慮滑面形狀、邊坡巖土層分布、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及平朔地區(qū)類似工程經(jīng)驗等,最終給出邊坡穩(wěn)定性的綜合性評價。

        3.2 邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果

        1)北幫邊坡穩(wěn)定性評價。本次北幫穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性分析選取北幫1-1 剖面,進行采場和排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性狀況分析,對性質(zhì)較均一土層邊坡采用圓弧滑動面分析方法,對下部巖石邊坡采用折線滑動面分析方法。北幫現(xiàn)狀邊坡上部以粉土和粉質(zhì)黏土為主,計算采用圓弧滑動面分析,北幫1-1剖面現(xiàn)狀邊坡圓弧滑動面分析結(jié)果如圖4,最小安全系數(shù)為0.829,邊坡最不穩(wěn)定區(qū)域主要位于1 380 m 水平平臺以上,局部單臺階坡角達(dá)70°,臺階過陡,這是邊坡的主要危險因素。此外,榆嶺十戶下方的1 410~1 430 m 水平臺階安全系數(shù)為0.938,邊坡也不穩(wěn)定。

        圖4 北幫1-1 剖面現(xiàn)狀邊坡圓弧滑動面分析結(jié)果

        2)南幫邊坡穩(wěn)定性評價。東露天礦對南幫滑坡區(qū)進行了一系列削幫工作,削坡作業(yè)主要在1 390 m 水平以上,1 400 m 水平上部土體已經(jīng)基本削除至征地邊界。對削坡后現(xiàn)狀進行分析?,F(xiàn)狀邊坡上部以粉土和粉質(zhì)黏土為主,計算首先采用圓弧滑動面分析。此外,由于南幫土體已經(jīng)發(fā)生過滑動,形成了軟弱滑移面,因此需要分析滑體發(fā)生整體滑移失穩(wěn)的可能性。對滑體進行沿滑移面滑動分析,本次南幫邊坡穩(wěn)定性評價主要選取3-2 剖面進行分析。南幫3-2 剖面沿圓弧滑動面分析計算結(jié)果如圖5。由圖5(a)可知,最小安全系數(shù)為0.761,邊坡最不穩(wěn)定區(qū)域主要位于1 350 m 水平平臺的土巖交界面。發(fā)生局部單臺階失穩(wěn)乃至土層邊坡整體失穩(wěn)的可能性大。由圖5(b)可知,滑體整體安全系數(shù)為1.175,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),礦山削坡治理對穩(wěn)定性有較大改善。

        3.3 邊坡穩(wěn)定性控制對策

        根據(jù)采場工程地質(zhì)測繪、工程鉆探以及對各邊坡極限平衡和數(shù)值模擬分析的結(jié)果,同時結(jié)合《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范[8-10],標(biāo)示出采場邊坡的潛在不穩(wěn)定區(qū)域。北幫邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域位于榆嶺十戶下方及東側(cè)半連續(xù)運輸機道上部土層;南幫主要不穩(wěn)定區(qū)域仍位于原滑坡區(qū)域。

        1)北幫不穩(wěn)定區(qū)域控制對策。北幫榆嶺村下方邊坡的不穩(wěn)定區(qū)域主要位于采場上部,該處的土質(zhì)邊坡高近60 m,且局部過陡,建議對1 380 m 水平平臺以上區(qū)域有針對性地加強對土層的監(jiān)測,必要時可采取一定處治措施,如放緩上部土坡的單臺階坡面角。為保證北幫1-1 剖面處邊坡半連續(xù)運輸機道的正常作業(yè),建議對上部土坡加強監(jiān)測,必要時需采取一定處治措施,提高邊坡穩(wěn)定性。南洼村排土場朝著礦坑方向不易過排,建議排土場與采場的安全距離(排土場距采場1 380 m 水平平臺水平距離)取值大于200 m。

        2)南幫不穩(wěn)定區(qū)域控制對策。針對目前南幫裂縫外擴、單臺階片幫及底鼓的現(xiàn)象提出鋪墊碎石壓坡腳的處治建議,南幫滑坡體削坡減載,將1 360 m水平至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡。對1 410~1 430 m 水平單臺階采取回填護頂措施,封住裂隙,防止雨水灌入裂隙使滑面向南移動;當(dāng)碎石鋪滿整個1 360 m 水平平臺時,將碎石坡道向坡內(nèi)平移,遠(yuǎn)離1 360 m 水平平盤開口線,在1360 m 水平平臺置留出一定的緩沖平臺,根據(jù)折線計算結(jié)果觀察,最少約需空出10~20 m 距離。鋪墊高度控制在10 m 較經(jīng)濟合理。

        4 結(jié)語

        平朔東露天礦北幫和南幫邊坡進行了穩(wěn)定性評價,建議對北幫榆嶺村區(qū)域上部土層進行局部削坡清方處治、南幫滑坡體削坡減載,將1 360 m 水平臺階至1 400 m 水平臺階削成1 個大斜坡的控制對策,為保障采場邊坡穩(wěn)定提供有效指導(dǎo)。

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