露天煤礦工作幫滑移預(yù)測分析及控制

田 野，張永貴

（北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

邊坡穩(wěn)定性研究一直是露天煤礦安全開采方面的熱點(diǎn)問題[1-4]。不管是爆破開挖、機(jī)械掘進(jìn)等人為因素，還是雨水侵蝕、內(nèi)部缺陷等自然因素，這些都會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)使得邊坡發(fā)生滑移，因此對(duì)邊坡滑移進(jìn)行合理預(yù)測和控制有著非常重要的工程意義和安全價(jià)值。

針對(duì)特殊地質(zhì)條件，學(xué)者們對(duì)通過理論計(jì)算對(duì)邊坡穩(wěn)定性和滑移趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測。陳棟等[5]通過理論推導(dǎo)定義了邊坡體的安全系數(shù)，并將邊坡設(shè)定為隔離體，確定了邊坡滑移主趨勢(shì)；饒平平等[6]對(duì)含裂縫的邊坡在三維極限上擴(kuò)展進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著邊坡寬高比增加，裂縫深度隨著增加；對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的邊坡，數(shù)值模擬方法能夠很好地對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行還原和分析。宋丹青等[7]人利用FLAC 研究了地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層會(huì)影響波在層狀邊坡中的傳遞；王東等[8]利用CDEM 注釋算法進(jìn)行了邊坡坡穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)坡體位移以及應(yīng)力場演化規(guī)律進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)清幫能夠減小軟弱層上的應(yīng)力，降低邊坡滑移的可能性；周瑜[9]等利用顆粒流（PFC）對(duì)貴陽西二環(huán)滑坡破壞過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)離散元方法能夠很好模擬滑坡運(yùn)動(dòng)過程；張龍等[10]等利用PFC 對(duì)重慶雞尾山滑坡過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)坡面摩擦系數(shù)和滑坡強(qiáng)度會(huì)影響顆粒的堆疊分布，滑坡外圍區(qū)域的速度會(huì)先達(dá)到最大值。

結(jié)合魏家峁露天煤礦實(shí)際情況，利用PFC 方法對(duì)邊坡滑移過程進(jìn)行了模擬，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的邊坡參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 地質(zhì)條件

1.1 礦山概況

魏家峁露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，行政隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗魏家峁鎮(zhèn)管轄。隔黃河?xùn)|與山西偏關(guān)南與山西河曲為鄰。露天煤礦一期生產(chǎn)能力600 萬t/a，2013 年一期達(dá)產(chǎn)運(yùn)營，礦田面積52.593 2 km2，地質(zhì)資源儲(chǔ)量9.77 億t，可采原煤量為8.14 億t，露天礦設(shè)計(jì)服務(wù)年限為123.4 年。魏家峁露天礦田煤炭儲(chǔ)量豐富，資源可靠，地質(zhì)條件簡單，煤質(zhì)為低硫高熱值長焰煤，煤電市場條件良好，開發(fā)條件優(yōu)越。

魏家峁露天煤礦上部黃土由外包單位進(jìn)行剝離，中部巖石和下部煤層由自營單位進(jìn)行剝采。巖層剝離選用單斗-卡車間斷工藝，煤層開采選用單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)系統(tǒng)半連續(xù)工藝。煤炭生產(chǎn)過程為：經(jīng)過穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸和排土等工序?qū)崿F(xiàn)對(duì)覆蓋層的剝離，然后經(jīng)過穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸和排土等工序?qū)⒃核腿脒x煤廠。經(jīng)排矸、洗煤等程序生產(chǎn)出成品商品煤。

1.2 地質(zhì)情況

露天礦主要發(fā)育的溝谷有罐子溝等，其支溝特別發(fā)育，多以向源侵蝕為主，橫斷面常呈“U”型，形成陡峻的溝谷。雨季多暴發(fā)山洪，其流量大，時(shí)間短，水動(dòng)力強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重，旱季溝口截流灌溉農(nóng)田，但時(shí)有干涸。降雨多集中在7—9 月這3 個(gè)月，占年總降水量的60～70%。年總降水量為231～459 mm，年平均降水量為408 mm。年總蒸發(fā)量為1 824.7～2 204.6 mm，是降水量的5～8 倍。

露天煤礦西南工作幫出現(xiàn)不同程度的裂縫、塌方，通過無人機(jī)測繪和鉆探取樣的方法，確定該露天礦西南工作幫從上而下的巖層依次是粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。由于當(dāng)?shù)貧夂蛟颍瑢?dǎo)致表層的粉砂含水量較大，主要成分為石英。強(qiáng)風(fēng)化泥巖在飽水狀態(tài)下膨脹性明顯，硬度較小。強(qiáng)風(fēng)化砂巖中也存在含水情況。

由于表層粉土以及粉砂厚度較大，導(dǎo)致地下水很難通過蒸發(fā)排出地表，因此在巖石空隙中形成儲(chǔ)水區(qū)，這是該工作面巖層含水豐富的主要原因。

對(duì)巖石進(jìn)行了密度、含水率以及抗剪強(qiáng)度的測量。各巖層的密度和含水率不同巖層密度和含水率見表1。

表1 不同巖層密度和含水率

不同巖性直剪切試驗(yàn)曲線如圖1。圖中給出了飽和狀態(tài)以及正常狀態(tài)下粉質(zhì)黏土、泥巖的剪切試驗(yàn)情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)泥巖在2 種狀態(tài)下的抗剪應(yīng)力均大于粉質(zhì)黏土，而正常狀態(tài)下同種巖性的抗剪應(yīng)力均大于飽和狀態(tài)，這從側(cè)面說明富水巖層抵抗剪應(yīng)力的強(qiáng)度較差，容易發(fā)生滑移。

圖1 不同巖性直剪切試驗(yàn)曲線

2 PFC 模擬

顆粒流是一種離散單元法，通過圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用來模擬顆粒材料的力學(xué)特性。PFC 主要是研究散體粒子的運(yùn)動(dòng)情況，特點(diǎn)在于可以在粒子之間增加或者減少連接，這比傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型更能模型巖石的力學(xué)特性。

為了研究工作幫邊坡變形滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)一步研究邊坡在春融條件下細(xì)觀破壞演化規(guī)律，采用數(shù)值模擬進(jìn)行物理過程分析；鑒于魏家峁工作幫邊坡屬于典型的順層蠕動(dòng)型邊坡，發(fā)生破壞多屬于大變形，因此選用顆粒流離散單元法，可直觀反映滑體上顆粒的分布、運(yùn)移過程。研究采用PFC3D三維顆粒流程序?qū)w后續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

顆粒流方法在模擬過程中作了如下假設(shè)：①顆粒單元為剛性體；②接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點(diǎn)接觸；③接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；④“重疊”量的大小與接觸力有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很?。虎萁佑|處有特殊的連接強(qiáng)度；⑥顆粒單元為圓盤形(或球形)。

PFC 可以直接模擬圓形顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用問題。顆料可以代表材料中的個(gè)別顆粒，例如砂粒，也可以代表黏結(jié)在一起的固體材料，例如混凝土或巖石。當(dāng)黏結(jié)以漸進(jìn)的方式破壞時(shí)，它能夠破裂。黏結(jié)在一起的集合體可以是各向同性，也可以被分成一些離散的區(qū)域或塊體，因此其具有如下3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它有潛在的高效率，因?yàn)閳A形物體間的接觸探測比角狀物體間的更簡單；對(duì)可以模擬的位移大小沒有限制，可模擬大變形運(yùn)動(dòng)；由于它們是由黏結(jié)的粒子組成，塊體可以破裂。

顆粒流根據(jù)顆粒生成條件、材料屬性、邊界條件建立模型，接著設(shè)置靜力平衡，對(duì)模型進(jìn)行檢查，若模型不合理返回重新建立模型，若模型合理進(jìn)行計(jì)算求解，此為顆粒流模擬過程，采用自降沉降方式的顆粒堆疊方法，這種方法沒有人工干預(yù)，根據(jù)不同材料的固有屬性依靠自身重力進(jìn)行重疊，符合天然狀態(tài)下的巖層性質(zhì)。

由于發(fā)生滑移的通常為抗剪強(qiáng)度較差的粉砂、粉土以及粉質(zhì)黏土，因此對(duì)其進(jìn)行建模。邊坡建模圖如圖2。邊坡滑移過程如圖3。邊坡滑動(dòng)狀態(tài)如圖4。

圖2 邊坡建模圖

圖3 邊坡滑移過程

圖4 邊坡滑動(dòng)狀態(tài)

可以發(fā)現(xiàn)在5 000 幀的時(shí)候，粉砂發(fā)生了明顯的移動(dòng)，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土厚度也發(fā)生變化；7 000 幀時(shí)，粉砂與粉土混合在一起，粉質(zhì)黏土向下一個(gè)臺(tái)階滑移；邊坡在10 000 幀的時(shí)候停止滑移，此時(shí)不同巖層間的不平衡力趨于平衡。顆?；频闹饕蚴怯捎谥亓?，隨著距離地面高度降低，滑移速度也隨之降低。通過數(shù)值模擬可以得到邊坡滑移總距離為51 m。

由圖4 已知，滑坡坐落面積為593 m2，邊坡角為13°，當(dāng)邊坡發(fā)生滑移時(shí)，巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，對(duì)其進(jìn)行極限平衡計(jì)算，使邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，可以得到邊坡滑移距離為54 m。

3 工作幫參數(shù)優(yōu)化

魏家峁露天煤礦最小工作平盤方案參數(shù)見表2。

表2 最小工作平盤參數(shù)

1）邊坡臺(tái)階高度。原方案邊坡臺(tái)階高度為16 m，調(diào)整后黃土層（外包）臺(tái)階高度為8 m，坡面角設(shè)定為65°，平盤寬度調(diào)整為40 m。其他臺(tái)階高度，考慮到該工作幫存在軟弱層演化以及富水巖層，邊坡存在牽引式滑坡隱患，需要保證底部巖層的穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算得出當(dāng)臺(tái)階高度為16 m 時(shí)，底部臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)為1.095，當(dāng)臺(tái)階高度為12 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.189，臺(tái)階高度為8 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.278。穩(wěn)定系數(shù)隨著臺(tái)階高度的降低而增加，但是對(duì)于順層邊坡，降低臺(tái)階高度會(huì)降低底部臺(tái)階穩(wěn)定性，因此最底部臺(tái)階高度仍然為16 m。

2）平盤寬度。當(dāng)平盤寬度為24 m 時(shí)，底部臺(tái)階高度16 m，其他臺(tái)階高度8 m，邊坡穩(wěn)定性為0.936。對(duì)于相同的段高，當(dāng)平盤寬度為29 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定性為0.976。這2 種設(shè)定均不滿足安全要求，當(dāng)平盤寬度增加至35 m 時(shí)，穩(wěn)定性為1.168，基本可以滿足邊坡穩(wěn)定的要求，但是考慮外部環(huán)境因素以及內(nèi)部巖層情況，將平盤寬度增加至40 m，可以滿足所有臺(tái)階的穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

1）PFC（顆粒流）數(shù)值方法可以很好地模擬邊坡滑移過程，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過模擬發(fā)現(xiàn)發(fā)生滑移的主要是粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土層，結(jié)合極限平衡計(jì)算，預(yù)測滑移總距離為54 m。

2）對(duì)原有的工作幫邊坡參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)臺(tái)階坡面角為65°，底部臺(tái)階高度為16 m，平盤寬度為40 m 時(shí)，通過邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，邊坡較為穩(wěn)定。