露天采場鄰近邊坡下空區(qū)群穩(wěn)定性分析及其治理

李曉路

（山西忻州神達朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036702）

山西忻州神達朝凱煤業(yè)有限公司由神達能源、西溝煤業(yè)、賈家堡煤業(yè)等6 座煤礦整合形成，西溝煤業(yè)、賈家堡煤業(yè)等其他煤礦在整合前的開采方式為井工開采，2009 年整合后神達朝凱煤業(yè)采用露天開采作為開采方式。礦田現(xiàn)可開采煤層包括2#、3#、5#煤層，面積為8.26 km2，生產能力為120 萬t/a。由于歷史原因形成的地下采空區(qū)未充填處理，而采空區(qū)對礦山安全生產具有重大影響[1]。根據礦山現(xiàn)有采空區(qū)研究報告得知，礦區(qū)南部盤區(qū)采空區(qū)群穩(wěn)定性較差，主要為原賈家堡煤業(yè)所在位置，集中在2#、5#煤層。隨著露天開采計劃的推進，可能導致空區(qū)上部邊坡垮塌或者滑坡，為此需對南部該部分空區(qū)群對南部邊坡穩(wěn)定性影響進行研究，以確保礦山安全生產?？諈^(qū)群對邊坡穩(wěn)定性影響常用的研究方法包括極限平衡理論分析[2]、數(shù)值模擬[3]和相似實驗[4-5]。本文基于Ansys 軟件對南部盤區(qū)進行數(shù)值模擬計算，并結合強度折減理論對邊坡安全系數(shù)進行計算，最后根據模擬結果為空區(qū)治理提供相應建議。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

朝凱煤業(yè)南區(qū)原賈家堡煤業(yè)所處邊坡最高點為1791 m，最低點標高為+1610 m，邊坡傾向約為東北偏北32.3°，傾角為17.5°。2#、5#煤層為本井田賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層，2#煤層厚3.34～7.89 m，平均5.60 m，傾角為8°；5#煤層厚6.83～19.17 m，平均11.24 m，傾角為8°。奧陶系中統(tǒng)的石灰?guī)r在礦田南部邊坡西南側出露，巖溶發(fā)育，受降雨、河水和沖積層潛水補給。礦田內無常年流水性河流，只發(fā)育季節(jié)性排水沖溝，季節(jié)性流水由沖溝排出，水文地質條件簡單。

1.2 空區(qū)分布

礦區(qū)南部盤區(qū)原賈家堡煤業(yè)邊坡下2#、5#煤層空區(qū)分布情況為，2#煤層中分布著2-1、2-2、2-3空區(qū)，5#煤層分布著5-1、5-2、5-3、5-4 采空區(qū)。其中，2-3、5-4 采空區(qū)面積分別為9145 m2和13 100 m2。

2 建立有限元模型

2.1 建立地表模型

利用礦山提供的《朝凱煤礦地形圖》CAD 圖提取等高線，經由CAD to Ansys 插件生成命令流，而后更改命令流獲得高程點三維坐標，將所得高程點導入Surfer 更改不合理高程點，獲得礦區(qū)地表三維模型導出。將所得曲面同Bigmap 中礦區(qū)地形進行比較，并同技術員交流，確認無誤后導出修改后的高程點，再導入Rhino 生成曲面模型，并根據需求裁剪邊界，導出為igs 文件格式，最后利用Ansys軟件導入igs 文件，生成地表三維曲面模型。如圖1。

圖1 地表三維曲面建模過程

2.2 建立數(shù)值模型

根據2#、5#煤層和地表的相對位置關系，以及南部盤區(qū)2-1 等7 個采空區(qū)的分布特點，以邊坡最低點為0 m，建立長800 m、寬400 m、高300 m 的邊坡模型。模型各部分材料力學參數(shù)見表1。設定采空區(qū)周圍單元size=2 m，邊界單元size=8 m。由于模型內部空區(qū)未貫通，因而采用smart mesh 進行網格劃分，有限元模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)分別為372 254 和68 177。

表1 材料力學參數(shù)

根據礦山現(xiàn)有地應力數(shù)據沿x、y 向對模型四個側面施加地應力，采用單位制為“m-kg-s”，其余單位由此推導。z 向約束值為0，施加重應力場g=9.81 m/s2，得到預應力模型后清除模型內位移值和應力值。最后對模型開挖，建立采空區(qū)。

3 穩(wěn)定性數(shù)值計算及結果分析

3.1 模擬結果分析

3.1.1 拉應力分析

朝凱煤業(yè)南部邊坡下2#煤層和5#煤層各采空區(qū)拉應力分布圖如圖2。由圖2（a）可知，2-3 采空區(qū)東面圍巖轉角處存在應力集中現(xiàn)象，而底板受5#煤層和同水平煤層開采的影響，巖體存在一定的拉應力，最大拉應力為0.28 MPa；2-1 和2-2 采空區(qū)由于采空區(qū)面積和跨度較小、采場較為規(guī)則，因而應力集中現(xiàn)象相對較弱，采空區(qū)穩(wěn)定性較好。由圖2（b）可知，5-2、5-3 和5-4 三個采空區(qū)轉角處應力集中現(xiàn)象較為顯著，與2#煤層不同之處在于該煤層所在水平下方無開采擾動，即下層巖體應力重新分布情況不明顯，因而5#煤層圍巖相較于2#煤層拉應力分布范圍減小。根據兩個煤層空區(qū)拉應力分布圖可知，現(xiàn)7 個采空區(qū)較為穩(wěn)定，但有部分應力集中現(xiàn)象較為顯著，2#煤層拉應力分布范圍較大，坡角處拉應力值較大，隨著露天開采境界降低，邊坡存在一定滑坡危險。

圖2 各煤層采空區(qū)拉應力分布圖

3.1.2 等效體應力分析

朝凱煤業(yè)南部邊坡下2#煤層和5#煤層各采空區(qū)等效體應力分布圖如圖3，由圖3（a）可知，2#煤層3 個采空區(qū)各處壓應力值較小，但2-3 采空區(qū)東側轉角處的壓應力較大，約為12.3 MPa，2-1 和2-2 采空區(qū)由于兩者相距較近，在采動應力場的疊加影響下，2-1 和2-2 采空區(qū)相鄰處應力值為7.69 MPa。由圖3（b）可知，5#煤層5-1 采空區(qū)南側轉角處圍巖應力集中現(xiàn)象較為顯著，這是受2#煤層2-1采空區(qū)影響，該處最大壓應力為13.8 MPa，其余采空區(qū)應力分布較為均勻，且圍巖受相鄰空區(qū)間采動應力場疊加影響較弱。結合兩圖可知，7 個采空區(qū)的壓應力值較小，邊坡坡角處無應力集中現(xiàn)象。

圖3 各采空區(qū)等效應力分布圖

3.2 邊坡安全系數(shù)計算

為得到南部邊坡安全系數(shù)，采用式（1）和式（2）對邊坡粘聚力和內摩擦角進行強度折減計算，工具軟件為Ansys。當邊坡失穩(wěn)時折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs，公式如下：

式中：c`和φ`為折減后的抗剪強度指標；Fsr為每次計算的折減系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定性研究過程中折減系數(shù)依次設為1.0、1.1、1.2……1.5，通過式（1）和式（2）對內聚力c和內摩擦角φ進行折減計算。將所得值結合表1 中的材料參數(shù)賦予建立的幾何模型，劃分網格、數(shù)值計算過程與本文第二部分相同。結合3.1.1 節(jié)中拉應力分布情況，本文針對朝凱煤業(yè)南部邊坡穩(wěn)定性研究過程中以坡腳水平位移陡增為判據。經多次數(shù)值計算，南部邊坡安全性系數(shù)為1.2，當折減系數(shù)Fsr=1.3時，邊坡出現(xiàn)張裂縫—圓弧型滑面，貫通2-2、5-3 采空區(qū)。

4 空區(qū)及邊坡治理

4.1 空區(qū)及邊坡治理方案

結合空區(qū)距離邊坡較近等賦存特點，設計采用“采空區(qū)頂板崩落+坡腳位移監(jiān)測”的綜合治理方案。將采空區(qū)至地表的上覆巖土體崩落，并采用鏟運機將坡頂處的巖土對采坑進行修整，形成3 個+15 m的臺階，平臺寬度30 m，臺階邊坡角15°。邊坡坡腳采用全球定位系統(tǒng)（GPS）測量法，平時采用人工簡易監(jiān)測，以巡查為主，主要查看坡體上裂縫等發(fā)育、變化情況。邊坡西南側巖溶發(fā)育，受降水影響較大，在坡頂設置截水溝，加強地表水疏排，減小地表水滲透。

4.2 治理效果

經采空區(qū)頂板崩落、修整采坑并形成3 個臺階后，邊坡拉應力分布圖如圖4。由圖可知，邊坡拉應力主要分布在邊坡上部，較圖2 拉應力分布范圍減小明顯，且拉應力值由0.28 MPa 降至0.019 MPa，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖4 治理后邊坡拉應力分布圖

邊坡各測點位移變化趨勢如圖5。邊坡在施工后前10 個月位移變化較大，邊坡初始移動較大的原因為邊坡爆破和施工擾動較大導致應力重新分布，且填埋巖土在自重應力場作用下逐步壓實。后6 個月整體位移趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，且根據現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，邊坡無明顯隆起、變形特征，發(fā)生滑坡可能性較小。

圖5 南部邊坡各測點位移-時間曲線

5 結論

（1）基于數(shù)值模擬結果，現(xiàn)各個空區(qū)和邊坡較為穩(wěn)定，但2-3、5-2、5-3、5-4 四個空區(qū)應力集中現(xiàn)象較為顯著，且2#煤層及其下部巖體和坡角處拉應力值較大，最大拉應力為0.28 MPa。

（2）2#煤層3 個采空區(qū)各處壓應力值較小，2-1和2-2 采空區(qū)在采動應力場的疊加影響下應力值為7.69 MPa，5#煤層5-1 采空區(qū)受2-1 采空區(qū)影響，其南側轉角處圍巖最大壓應力為13.8 MPa，其余采空區(qū)應力分布較為均勻，且圍巖受相鄰空區(qū)間采動應力場疊加影響較弱。

（3）采用強度折減法得到邊坡安全系數(shù)Fs=1.2，失穩(wěn)形式為張裂縫—圓弧型失穩(wěn)。

（4）提出“采空區(qū)頂板崩落+坡腳位移監(jiān)測”的綜合治理方案，有效減小了邊坡拉應力分布范圍，且應力值降至0.019 MPa，邊坡位移量逐漸趨于穩(wěn)定。