李志平 付一鳴

(1.國能準(zhǔn)能集團(tuán)公司哈爾烏素露天煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300;2.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司歪頭山鐵礦,遼寧 本溪 117000)

設(shè)備大型化、開采集中化、工藝現(xiàn)代化是露天煤礦技術(shù)發(fā)展趨勢。黑岱溝露天煤礦率先采用吊斗鏟無運(yùn)輸?shù)苟压に?為礦山經(jīng)濟(jì)效益及高產(chǎn)高效建設(shè)提供了重要保障。但由于設(shè)備參數(shù)限制,倒堆臺階高度較高,坡面角較陡,加之采區(qū)轉(zhuǎn)向后臺階頂部巖體破碎,高臺階片幫現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

高臺階片幫問題屬于典型邊坡穩(wěn)定性問題。對于邊坡穩(wěn)定性研究,主要可劃分為定性分析法、定量分析法、數(shù)值模擬法等。定性分析法是借鑒類似工況下邊坡工程經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)、概率學(xué)等數(shù)學(xué)理論建立邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng),主要包含工程類比法、可靠度分析法、模糊數(shù)學(xué)分析法等[1]。汝佧等[2]應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論分析了地質(zhì)條件、巖體構(gòu)造、滑坡類型、人類活動等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響,建立了工程類比模型,并將其應(yīng)用于汶川縣草坡鄉(xiāng)滑坡預(yù)測中。蘇永華等[3]基于響應(yīng)面思想,應(yīng)用隱式功能函數(shù)替代邊坡穩(wěn)定系數(shù),提出邊坡穩(wěn)定性可靠度分析方法,并結(jié)合工程算例驗(yàn)證了方法合理性與準(zhǔn)確性。定量分析法是從靜力學(xué)分析及物理合理性角度建立邊坡計算模型,進(jìn)而求得邊坡穩(wěn)定系數(shù)及最危險滑面形態(tài)[4]。工程中常用的極限平衡法、極限分析法均屬于定量分析法。章瑞環(huán)等[5]基于改進(jìn)極限平衡法推導(dǎo)多級黃土邊坡各破壞結(jié)構(gòu)對應(yīng)的安全系數(shù)解析式,并應(yīng)用最優(yōu)化方法確定了邊坡最小安全系數(shù)及臨界滑面形態(tài)。王珍等[6]基于最小二乘法建立了非均質(zhì)邊坡破壞結(jié)構(gòu)計算模型,采用計算機(jī)編程技術(shù)開發(fā)了邊坡穩(wěn)定性上限分析系統(tǒng),并將其應(yīng)用于露天煤礦邊坡工程實(shí)踐中,取得了良好的分析效果。數(shù)值模擬法是隨著計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展而新興的一種穩(wěn)定性分析方法,該方法將邊坡土體離散為均質(zhì)單元體,通過嚴(yán)格的應(yīng)力、應(yīng)變分析求解邊坡極限平衡狀態(tài),進(jìn)而進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價[7],其主要分析方法包含有限元法、離散元法、塊體元法等[8]。鄭穎人等[9]采用有限元強(qiáng)度折減法對巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并結(jié)合工程算例驗(yàn)證了該方法的可行性。李龍起等[10]應(yīng)用離散元方法模擬了邊坡變形演化過程及破壞力學(xué)機(jī)制,并結(jié)合位移、速度監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的嚴(yán)密性。然而,大量工程實(shí)踐表明,邊坡破壞前會在坡頂出現(xiàn)張拉裂縫,即邊坡破壞模式應(yīng)是以張拉—剪切共同構(gòu)成的組合破壞,而現(xiàn)階段研究成果大多只考慮了邊坡的剪切破壞,而對于張拉破壞未進(jìn)行有效考慮。未考慮張拉破壞的分析結(jié)果偏于危險,這也是導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要原因。

基于上述分析,本研究以黑岱溝露天煤礦高臺階為工程背景,建立考慮張拉—剪切漸進(jìn)破壞的穩(wěn)定性分析方法,闡明張拉裂縫位置及深度對高臺階穩(wěn)定性的影響,提出合理的注漿加固治理措施。本研究成果將豐富邊坡穩(wěn)定性分析方法,促進(jìn)巖體力學(xué)、材料力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等學(xué)科融合與發(fā)展。

1 地質(zhì)概況

1.1 采區(qū)地質(zhì)概況

黑岱溝露天煤礦二采區(qū)巖體由半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬層狀碎屑巖巖組構(gòu)成,地表幾乎全部被第四系松散堆積物覆蓋,地層自下而上由奧陶系、石炭系、二迭系、新近系構(gòu)成,地層間假整合接觸。石炭系上統(tǒng)太原組為主要含煤地層,該地層內(nèi)6#煤層平均厚度約30 m,煤層穩(wěn)定,為二采區(qū)主要可采煤層。黑岱溝露天煤礦典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 黑岱溝露天煤礦典型地質(zhì)剖面Fig.1 Typical geological section of Heidaigou Open-pit Coal Mine

1.2 高臺階概況

6#煤層頂板以上約45 m厚的巖石進(jìn)行拋擲爆破,經(jīng)拋擲爆破后吊斗鏟進(jìn)行倒堆剝離作業(yè)。倒堆臺階位于工作幫的最底部,臺階采用傾斜分層,以5#煤層上部砂巖內(nèi)所夾的薄層泥巖頂板作為臺階坡頂,以6#煤層底板作為臺階坡底。吊斗鏟作業(yè)區(qū)拋擲爆破實(shí)體臺階高度約為45 m,6#煤層平均厚度約為30 m,原煤回采完畢后臺階的高度將達(dá)到75 m左右,局部地區(qū)臺階高度超過80 m。倒堆臺階坡面角為70°,臺階上部為薄層泥巖,泥巖傾角較小,巖層厚度由西向東逐漸變薄。泥巖下部為一層穩(wěn)定的砂巖,砂巖內(nèi)夾有5#煤層。砂巖下部為6#煤層,煤層賦存穩(wěn)定,為二采區(qū)主采煤層。高臺階地質(zhì)剖面圖如后文圖4所示。

2 高臺階穩(wěn)定性分析

2.1 潛在破壞模式分析

黑岱溝露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向后高臺階頂部出現(xiàn)多次大規(guī)模裂縫群,裂縫區(qū)域內(nèi)發(fā)生數(shù)次巖石垮落及片幫現(xiàn)象。圖2為2018年及2019年發(fā)生的2次片幫。

圖2 高臺階破壞簡圖Fig.2 High-step failure diagram

2次片幫均發(fā)生于高臺階上部,片幫區(qū)域處于同一破碎帶。破碎帶距6#煤層頂板約20 m,產(chǎn)生原因?yàn)閹r石受剪切應(yīng)力破裂形成裂隙(共軛節(jié)理),橫縱2組節(jié)理將巖層切割為若干巖塊。從巖體結(jié)構(gòu)控制理論角度出發(fā),巖體破壞模式主要取決于節(jié)理、裂隙的發(fā)育情況。對于黑岱溝露天煤礦高臺階,其穩(wěn)定性主要受臺階頂部破碎帶控制。工程實(shí)踐中,高臺階坡頂處產(chǎn)生大量垂直裂縫,該垂直裂縫是由于巖體水平張力形成,同時片幫發(fā)生時后緣滑裂面呈現(xiàn)明顯直線形,通過以上兩方面特征可判斷黑岱溝露天煤礦高臺階潛在破壞模式為張拉—剪切共同構(gòu)成的組合破壞。

2.2 高臺階穩(wěn)定性分析方法

假定高臺階坡頂處距離坡肩點(diǎn)b段的位置處產(chǎn)生深度為h的張拉裂縫,根據(jù)高臺階潛在破壞模式,其滑面形態(tài)由張拉裂縫和剪切圓弧共同構(gòu)成。將滑面內(nèi)巖土體垂直劃分,則作用于第i個垂直條塊上的力包括:條塊重力Wi,滑面切向力Ti,滑面法向力Ni,條塊側(cè)界面法向力Pi、Pi+1,條塊側(cè)界面切向力Hi、Hi+1,其受力簡圖如圖3所示。

圖3 條塊作用力簡圖Fig.3 Block force diagram

對于條塊側(cè)界面切向力,一般認(rèn)為Hi與Hi+1大小相等,方向相反,即Hi+1-Hi=0。則對于第i個垂直條塊,根據(jù)豎直方向上靜力平衡條件可得:

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)定義及滑動面上整體極限平衡條件可得:

將式(2)代入式(1)可得:

其中,

同時,根據(jù)滑面整體力矩平衡條件可得:

將式(2)代入式(5)可得:

將式(3)代入式(6),并經(jīng)過化簡可得穩(wěn)定系數(shù):

對于式(7),由于mθi中包含穩(wěn)定系數(shù)Fs,可假設(shè)穩(wěn)定系數(shù)初始值Fs=1.0,通過逐步迭代的手段最終求得穩(wěn)定系數(shù)。

2.3 張拉裂縫對穩(wěn)定性的影響

由于片幫發(fā)生于高臺階上部,選取典型地質(zhì)剖面底部高臺階作為研究對象,分析張拉裂縫位置及深度對穩(wěn)定性的影響規(guī)律。高臺階地質(zhì)剖面如圖4所示,推薦的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 高臺階地質(zhì)剖面Fig.4 Geological profile of high-step

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

為探究張拉裂縫對高臺階穩(wěn)定性的影響,自臺階坡肩點(diǎn)起算,每隔2 m取一計算點(diǎn),算至距離坡肩點(diǎn)20 m為止。應(yīng)用前文中穩(wěn)定性分析方法,以整個張拉裂縫作為后緣拉裂面,計算張拉裂縫位于上述位置時不同深度所對應(yīng)的高臺階穩(wěn)定系數(shù),計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 張拉裂縫與高臺階穩(wěn)定性關(guān)系Fig.5 Relation between tensile crack and high-step stability

由圖5可知,當(dāng)裂縫產(chǎn)生位置距離坡肩點(diǎn)小于16 m時,穩(wěn)定系數(shù)隨裂縫深度的增加而減小,而當(dāng)裂縫產(chǎn)生位置距離坡肩點(diǎn)大于16 m時,穩(wěn)定系數(shù)隨裂縫深度的增加先減小后增大。同時,當(dāng)裂縫深度為定值時,穩(wěn)定系數(shù)最小的點(diǎn)位于距離坡肩點(diǎn)10～14 m位置處。因此,在現(xiàn)場施工時應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測該位置處產(chǎn)生的張拉裂縫,同時應(yīng)嚴(yán)格控制張拉裂縫深度。

3 高臺階加固治理措施

當(dāng)高臺階穩(wěn)定系數(shù)小于1.05時,存在巨大片幫隱患,一般需進(jìn)行注漿加固治理。結(jié)合前文中穩(wěn)定性分析結(jié)果,對張拉裂縫位于不同位置時需注漿加固的臨界深度進(jìn)行分析,其分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,當(dāng)張拉裂縫距坡肩點(diǎn)0～4 m時,高臺階片幫發(fā)生于破碎區(qū)泥巖底板,此時由于裂縫距離坡肩點(diǎn)較近,建議以增強(qiáng)巡視為主。當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)5～16 m時,片幫發(fā)生于破碎區(qū)砂巖底板,此類片幫工程實(shí)踐中發(fā)生頻率較高,片幫量較大,建議進(jìn)行注漿加固治理。當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)17～20 m時,片幫發(fā)生于5#煤頂板,此類片幫需裂縫發(fā)育深度較深,工程實(shí)踐中一般不會發(fā)生。因此,本次重點(diǎn)對張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)5～16 m時的注漿加固治理措施進(jìn)行研究。

根據(jù)漿液擴(kuò)散速度及固化時間,漿液擴(kuò)散半徑選取為2 m,應(yīng)用前文中穩(wěn)定性分析方法,對張拉裂縫處于臨界深度,距離坡肩點(diǎn)5～16 m時不同注漿高度穩(wěn)定性進(jìn)行分析,其分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)5～12 m及15～16 m時,注漿后高臺階穩(wěn)定系數(shù)收斂至1.14,該穩(wěn)定系數(shù)與不含裂縫時高臺階穩(wěn)定系數(shù)一致,表明通過注漿手段可使張拉裂縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象完全消失。張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)12～15 m時,注漿后高臺階穩(wěn)定系數(shù)稍大于1.14,這是由于不含裂縫時最危險滑面通過漿液擴(kuò)散區(qū),注漿加固后無法沿漿液擴(kuò)散區(qū)形成貫通滑面,致使穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步提升。本文建議注漿后高臺階穩(wěn)定系數(shù)選取為1.14,建議注漿高度如圖8所示。

圖8為穩(wěn)定系數(shù)選取1.14時所對應(yīng)的注漿高度。當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)12～15 m時,對應(yīng)的注漿高度分別為 2.5、2.7、3、3.2 m。 此時,張拉裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象并未完全消失。若注漿高度達(dá)到2.7、3.2、3.4、3.7 m時,張拉裂縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象將完全消失,此時對應(yīng)的高臺階穩(wěn)定系數(shù)分別為1.143、1.145、1.144、1.143,顯然穩(wěn)定系數(shù)提升效果并不明顯。而隨著注漿高度的增加,注漿量呈指數(shù)倍增長。因此,工程實(shí)踐中不必追求過高的注漿高度,本文推薦采用圖8的注漿高度。

圖8 推薦注漿高度分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of recommended grouting height

4 注漿前后數(shù)值模擬分析

為深入分析注漿前后高臺階變形破壞規(guī)律,本研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對注漿前后高臺階穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件優(yōu)勢在于能較好地模擬巖體材料在達(dá)到屈服強(qiáng)度時的塑性流動行為,對于漸進(jìn)破壞特征和大變形模擬具有良好適用性。由于篇幅所限,僅列出張拉裂縫處于臨界深度,并距離坡肩點(diǎn) 8、12、16 m時注漿前后位移分布云圖,見圖9～圖11。

圖9 張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)8 m時位移分布云圖Fig.9 Displacement distribution of tension crack is 8 m away form slope shoulder

圖10 張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)12m時位移分布云圖Fig.10 Displacement distribution of tension crack is 12m away form slope shoulder

圖11 張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)16m時位移分布云圖Fig.11 Displacement distribution of tension crack is 16 m away form slope shoulder

位移分布云圖描述了高臺階內(nèi)部位移分布特征,近似描繪了最危險滑面形態(tài)。分析位移分布云圖可知,當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)8m及16m時,在達(dá)到臨界注漿高度前,最危險滑面以張拉裂縫為后緣滑裂面。而當(dāng)達(dá)到臨界注漿高度時,最危險滑面為剪切圓弧滑面,此時張拉裂縫對高臺階穩(wěn)定性不產(chǎn)生任何影響。當(dāng)張拉裂縫距離坡肩點(diǎn)12 m時,在達(dá)到臨界注漿高度時,高臺階穩(wěn)定系數(shù)與不含裂縫時穩(wěn)定系數(shù)相等,但此時最危險滑面仍以張拉裂縫為后緣滑裂面,表明張拉裂縫對高臺階穩(wěn)定性仍存在一定影響。而在注漿高度達(dá)到2.7m時,最危險滑面為剪切圓弧滑面,此時張拉裂縫對高臺階穩(wěn)定性不產(chǎn)生任何影響,但穩(wěn)定系數(shù)提升效果并不明顯,因此推薦采用圖8中的注漿高度。

5 結(jié) 論

研究了黑岱溝露天煤礦高臺階潛在破壞模式及穩(wěn)定性分析方法,提出了合理的注漿加固治理措施,主要有以下結(jié)論:

(1)分析了黑岱溝露天煤礦高臺階穩(wěn)定性影響因素,提出了適用于高臺階穩(wěn)定性分析的張拉—剪切破壞模式。

(2)提出了可考慮張拉—剪切漸進(jìn)破壞的高臺階穩(wěn)定性分析方法,闡明了張拉裂縫位置及深度對高臺階穩(wěn)定性的影響。

(3)應(yīng)用高臺階穩(wěn)定性分析方法計算了需注漿加固的裂縫臨界深度,并給出了合理的注漿加固治理措施。