劉振遠，朱 濤

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

露天礦邊坡變形破壞形式復(fù)雜，按其發(fā)生形態(tài)可分為剝落、崩落、滑動、沉降等幾種基本形態(tài)[1]。彭洪閣等[2]研究了露天煤礦靠幫開采端幫穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素，發(fā)現(xiàn)了邊坡角、巖層傾角及水位高度對端幫穩(wěn)定性影響明顯；周永利等[3]對露天煤礦壓幫內(nèi)排端幫穩(wěn)定性變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)排的跟進明顯地減小了端幫巖體的剪切應(yīng)變增量，能夠使邊坡安全性得到有效的提升；呂金星等[4]研究了內(nèi)排土場幾何參數(shù)對端幫穩(wěn)定性的影響，提出優(yōu)先滿足最下部臺階的排棄，能更好地提高端幫的穩(wěn)定性的方法；郭仝鎖[5]對巨厚傾斜煤層露天礦時效特性與過構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制開采進行了研究，提出了巨厚傾斜煤層靠幫開采過構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制開采方法。新疆天池能源南露天礦南幫除了剝落等零散的破壞形態(tài)外，邊坡整體表現(xiàn)為滑動破壞形態(tài)，一個滑體的全部滑動時間較長，由幾十分鐘至數(shù)日數(shù)月，甚至數(shù)年，表現(xiàn)出明顯的時效特性，且隨著時間的推移，工作幫開挖和內(nèi)排土場回填的動態(tài)填挖過程對于南幫邊坡的滑動破壞、位移量、破壞區(qū)域等會產(chǎn)生較大影響[6]。為此，對天池能源南露天礦的南幫逆傾邊坡進行研究，建立巨厚煤層露天礦逆傾邊坡分析的三維數(shù)值模型[7-8]，研究邊坡應(yīng)力、變形等演化規(guī)律，并給出邊坡失穩(wěn)判據(jù)及破壞模式，并根據(jù)三維計算結(jié)果確定失穩(wěn)威脅斷面，進行失穩(wěn)威脅斷面的穩(wěn)定性分析[9]；同時，基于邊坡時效性研究成果，提出南礦南幫陡幫開采參數(shù)優(yōu)化方案。

1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)確定

結(jié)合巖土體物理力學(xué)試驗、巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比和以往所選取的巖土物理力學(xué)參數(shù)，綜合分析選擇本次穩(wěn)定性計算及評價采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 南幫整體邊坡穩(wěn)定性

2.1 南幫邊坡剖面選取及計算方法確定

本次研究采用極限平衡法和強度折減法對南礦南端幫穩(wěn)定性進行穩(wěn)定性分析[10]，分別采用Geo－Slope軟件對南幫不同時期的二維剖面模型進行計算。結(jié)合南露天礦3Dmine 模型及2022 年和2023 年的采剝工程位置平面圖，基于邊坡穩(wěn)定分析剖面的選取原則及工作任務(wù)要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選取南幫二維剖面，具體為南幫4 個剖面，分別在上述2 個年末采剝工程圖中坑底至南幫地表做邊坡剖面，根據(jù)19－3＃鉆孔并結(jié)合2022～2023 年剖面中煤頂?shù)装遄兓嵌冗M行地層劃分，劃分邊坡剖面模型。

對應(yīng)2022 年和2023 年的三維邊坡模型，分別穿過坑底對三維邊坡模型進行剖面，采用極限平衡法和強度折減法對其進行穩(wěn)定性分析及規(guī)律研究。針對南幫2022—2023 年不同時期對應(yīng)的剖面，剖面選取為貫穿坑底未內(nèi)排部分，運用GEO－Slope 軟件計算南幫邊坡穩(wěn)定性，計算方法考慮了全部平衡條件與邊界條件，滑面為任意形狀，求解步驟較為嚴格，更加符合工程實際的Morgenstern－Price 法。

2.2 南幫邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

通過極限平衡法計算得到2022—2023 年（5 m－0 m－5 m－0 m 方案）Morgenstern－Price 方法單邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.055、1.023，2022、年南幫最危險剖面穩(wěn)定性如圖1，2023 年南幫最危險剖面穩(wěn)定性如圖2。

圖1 2022 年南幫最危險剖面穩(wěn)定性

圖2 2023 年南幫最危險剖面穩(wěn)定性

通過上述極限平衡法穩(wěn)定性分析可知，南幫在煤臺階5 m－0 m－5 m－0 m 陡幫開采方案進行開采后，隨著工作幫的推進，南礦煤層底板的不斷延深，南幫邊坡穩(wěn)定性明顯降低，小于《露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范》中非工作幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.10～1.20 的要求，需要重新對南幫不斷降深過程中靠幫開采參數(shù)進行優(yōu)化。

3 2022～2023 年南幫靠幫參數(shù)優(yōu)化

3.1 2022 年底陡幫開采優(yōu)化驗算

2022 年底煤底板標高為320 m，原始5 m－0 m－5 m－0 m 陡幫開采方案在370 煤臺階以下形成了50 m 的高邊坡，穩(wěn)定性降低，需要對5 m－0 m－5 m－0 m 陡幫開采方案進行優(yōu)化研究。對2022 年底采剝工程圖南幫進行剖面，并進行穩(wěn)定性計算。2022 年底陡幫開采穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖3。

圖3 2022 年底陡幫開采穩(wěn)定性計算結(jié)果

1）方案1?？拥姿綖槊簩拥装?20 m 水平，在340 m 水平留設(shè)35 m 寬煤臺階。

2）方案2?？拥姿綖?25 m 水平，在340 m 水平留設(shè)30 m 寬煤臺階。

3）方案3?？拥姿綖?35 m 水平，無需在340 m 水平留設(shè)煤臺階。

通過邊坡二維分析，2022 年底南幫靠幫開采至不同坑底水平時，340 m 臺階需要留設(shè)的寬度也不同，方可達到邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.1 以上，2022 年底南幫煤臺階整體臺階參數(shù)推薦值為5 m（400 m 水平）－0 m（385 m 水平）－5 m（370 m 水平）－0 m（355 m 水平）－30 m（340 m 水平），坑底水平為325 m。

3.2 2023 年底陡幫開采優(yōu)化驗算

2023 年底煤底板標高為318 m，形成52 m 的高邊坡，穩(wěn)定性降低，需要對5 m－0 m－5 m－0 m 陡幫開采方案進行優(yōu)化研究。對2023 年底采剝工程圖南幫進行剖面，并進行穩(wěn)定性計算。2023 年底陡幫開采穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖4。

圖4 2023 年底陡幫開采穩(wěn)定性計算結(jié)果

1）方案1?？拥姿綖槊簩拥装?18 m，在340 m 水平留設(shè)55 m 寬煤臺階。

2）方案2?？拥姿綖?25 m 水平，在340 m 水平留設(shè)50 m 寬煤臺階。

3）方案3?？拥姿綖?35 m 水平，在340 m 水平留設(shè)10 m 寬煤臺階。

通過邊坡二維分析，2023 年底南幫靠幫開采至不同坑底水平時，340 m 臺階需要留設(shè)的寬度也不同，方可達到邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.1 以上，2023 年底南幫煤臺階整體臺階參數(shù)推薦值為5 m（400 m 水平）－0 m（385 m 水平）－5 m（370 m 水平）－0 m（355 m 水平）－50 m（340 m 水平），坑底水平為325 m。

4 南幫陡幫開采經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過上述不同年份陡幫開采方案研究，2022—2023 年坑底水平為325 m 時，預(yù)留煤量最少，推薦南幫2022—2023 年坑底水平為325 m，340 m 水平分別加設(shè)30 m 和50 m。與南露天礦初步設(shè)計方案相比較，在340 m 臺階加設(shè)煤臺階保證邊坡穩(wěn)定前提下，預(yù)計多回收煤炭資源237 萬t。2022－2023 年陡幫方案煤臺階剖面如圖5 和圖6。

圖5 2022 年陡幫方案煤臺階剖面圖

圖6 2023 年陡幫方案煤臺階剖面圖

5 結(jié)語

1）通過極限平衡法計算得到了露天煤礦端幫穩(wěn)定性系數(shù)，隨著工作幫的推進以及煤層底板的不斷降深，端幫邊坡高度不斷增加，在不采取措施的情況下南幫邊坡穩(wěn)定性明顯降低，需要對端幫下部臺階留設(shè)參數(shù)進行重新設(shè)計。

2）通過數(shù)值計算分析結(jié)果分析，南幫邊坡發(fā)生潛在破壞滑面在325 m 以下，在留設(shè)保安煤柱進行壓腳時距離滑面越近，提供壓腳效果越好，平盤留設(shè)意義越大，煤炭資源采出率越大。通過優(yōu)化南端幫邊坡參數(shù)的技術(shù)手段，2022—2023 年南幫陡幫開采累計多回收煤炭資源237 萬t，經(jīng)濟效益顯著。