露天煤矿高台阶稳定性分析方法及加固治理措施研究

李志平 付一鸣

(1.国能准能集团公司哈尔乌素露天煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 010300;2.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司歪头山铁矿,辽宁 本溪 117000)

设备大型化、开采集中化、工艺现代化是露天煤矿技术发展趋势。黑岱沟露天煤矿率先采用吊斗铲无运输倒堆工艺,为矿山经济效益及高产高效建设提供了重要保障。但由于设备参数限制,倒堆台阶高度较高,坡面角较陡,加之采区转向后台阶顶部岩体破碎,高台阶片帮现象频繁发生。

高台阶片帮问题属于典型边坡稳定性问题。对于边坡稳定性研究,主要可划分为定性分析法、定量分析法、数值模拟法等。定性分析法是借鉴类似工况下边坡工程经验,应用统计学、概率学等数学理论建立边坡稳定性分析系统,主要包含工程类比法、可靠度分析法、模糊数学分析法等[1]。汝佧等[2]应用模糊数学理论分析了地质条件、岩体构造、滑坡类型、人类活动等因素对边坡稳定性的影响,建立了工程类比模型,并将其应用于汶川县草坡乡滑坡预测中。苏永华等[3]基于响应面思想,应用隐式功能函数替代边坡稳定系数,提出边坡稳定性可靠度分析方法,并结合工程算例验证了方法合理性与准确性。定量分析法是从静力学分析及物理合理性角度建立边坡计算模型,进而求得边坡稳定系数及最危险滑面形态[4]。工程中常用的极限平衡法、极限分析法均属于定量分析法。章瑞环等[5]基于改进极限平衡法推导多级黄土边坡各破坏结构对应的安全系数解析式,并应用最优化方法确定了边坡最小安全系数及临界滑面形态。王珍等[6]基于最小二乘法建立了非均质边坡破坏结构计算模型,采用计算机编程技术开发了边坡稳定性上限分析系统,并将其应用于露天煤矿边坡工程实践中,取得了良好的分析效果。数值模拟法是随着计算机技术高速发展而新兴的一种稳定性分析方法,该方法将边坡土体离散为均质单元体,通过严格的应力、应变分析求解边坡极限平衡状态,进而进行边坡稳定性评价[7],其主要分析方法包含有限元法、离散元法、块体元法等[8]。郑颖人等[9]采用有限元强度折减法对岩质边坡破坏机制进行了数值模拟分析,并结合工程算例验证了该方法的可行性。李龙起等[10]应用离散元方法模拟了边坡变形演化过程及破坏力学机制,并结合位移、速度监测数据验证了方法的严密性。然而,大量工程实践表明,边坡破坏前会在坡顶出现张拉裂缝,即边坡破坏模式应是以张拉—剪切共同构成的组合破坏,而现阶段研究成果大多只考虑了边坡的剪切破坏,而对于张拉破坏未进行有效考虑。未考虑张拉破坏的分析结果偏于危险,这也是导致滑坡灾害发生的主要原因。

基于上述分析,本研究以黑岱沟露天煤矿高台阶为工程背景,建立考虑张拉—剪切渐进破坏的稳定性分析方法,阐明张拉裂缝位置及深度对高台阶稳定性的影响,提出合理的注浆加固治理措施。本研究成果将丰富边坡稳定性分析方法,促进岩体力学、材料力学、工程地质学等学科融合与发展。

1 地质概况

1.1 采区地质概况

黑岱沟露天煤矿二采区岩体由半坚硬—坚硬层状碎屑岩岩组构成,地表几乎全部被第四系松散堆积物覆盖,地层自下而上由奥陶系、石炭系、二迭系、新近系构成,地层间假整合接触。石炭系上统太原组为主要含煤地层,该地层内6#煤层平均厚度约30 m,煤层稳定,为二采区主要可采煤层。黑岱沟露天煤矿典型地质剖面如图1所示。

图1 黑岱沟露天煤矿典型地质剖面Fig.1 Typical geological section of Heidaigou Open-pit Coal Mine

1.2 高台阶概况

6#煤层顶板以上约45 m厚的岩石进行抛掷爆破,经抛掷爆破后吊斗铲进行倒堆剥离作业。倒堆台阶位于工作帮的最底部,台阶采用倾斜分层,以5#煤层上部砂岩内所夹的薄层泥岩顶板作为台阶坡顶,以6#煤层底板作为台阶坡底。吊斗铲作业区抛掷爆破实体台阶高度约为45 m,6#煤层平均厚度约为30 m,原煤回采完毕后台阶的高度将达到75 m左右,局部地区台阶高度超过80 m。倒堆台阶坡面角为70°,台阶上部为薄层泥岩,泥岩倾角较小,岩层厚度由西向东逐渐变薄。泥岩下部为一层稳定的砂岩,砂岩内夹有5#煤层。砂岩下部为6#煤层,煤层赋存稳定,为二采区主采煤层。高台阶地质剖面图如后文图4所示。

2 高台阶稳定性分析

2.1 潜在破坏模式分析

黑岱沟露天煤矿采区转向后高台阶顶部出现多次大规模裂缝群,裂缝区域内发生数次岩石垮落及片帮现象。图2为2018年及2019年发生的2次片帮。

图2 高台阶破坏简图Fig.2 High-step failure diagram

2次片帮均发生于高台阶上部,片帮区域处于同一破碎带。破碎带距6#煤层顶板约20 m,产生原因为岩石受剪切应力破裂形成裂隙(共轭节理),横纵2组节理将岩层切割为若干岩块。从岩体结构控制理论角度出发,岩体破坏模式主要取决于节理、裂隙的发育情况。对于黑岱沟露天煤矿高台阶,其稳定性主要受台阶顶部破碎带控制。工程实践中,高台阶坡顶处产生大量垂直裂缝,该垂直裂缝是由于岩体水平张力形成,同时片帮发生时后缘滑裂面呈现明显直线形,通过以上两方面特征可判断黑岱沟露天煤矿高台阶潜在破坏模式为张拉—剪切共同构成的组合破坏。

2.2 高台阶稳定性分析方法

假定高台阶坡顶处距离坡肩点b段的位置处产生深度为h的张拉裂缝,根据高台阶潜在破坏模式,其滑面形态由张拉裂缝和剪切圆弧共同构成。将滑面内岩土体垂直划分,则作用于第i个垂直条块上的力包括:条块重力Wi,滑面切向力Ti,滑面法向力Ni,条块侧界面法向力Pi、Pi+1,条块侧界面切向力Hi、Hi+1,其受力简图如图3所示。

图3 条块作用力简图Fig.3 Block force diagram

对于条块侧界面切向力,一般认为Hi与Hi+1大小相等,方向相反,即Hi+1-Hi=0。则对于第i个垂直条块,根据竖直方向上静力平衡条件可得:

根据稳定系数定义及滑动面上整体极限平衡条件可得:

将式(2)代入式(1)可得:

其中,

同时,根据滑面整体力矩平衡条件可得:

将式(2)代入式(5)可得:

将式(3)代入式(6),并经过化简可得稳定系数:

对于式(7),由于mθi中包含稳定系数Fs,可假设稳定系数初始值Fs=1.0,通过逐步迭代的手段最终求得稳定系数。

2.3 张拉裂缝对稳定性的影响

由于片帮发生于高台阶上部,选取典型地质剖面底部高台阶作为研究对象,分析张拉裂缝位置及深度对稳定性的影响规律。高台阶地质剖面如图4所示,推荐的岩体物理力学参数如表1所示。

图4 高台阶地质剖面Fig.4 Geological profile of high-step

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

为探究张拉裂缝对高台阶稳定性的影响,自台阶坡肩点起算,每隔2 m取一计算点,算至距离坡肩点20 m为止。应用前文中稳定性分析方法,以整个张拉裂缝作为后缘拉裂面,计算张拉裂缝位于上述位置时不同深度所对应的高台阶稳定系数,计算结果如图5所示。

图5 张拉裂缝与高台阶稳定性关系Fig.5 Relation between tensile crack and high-step stability

由图5可知,当裂缝产生位置距离坡肩点小于16 m时,稳定系数随裂缝深度的增加而减小,而当裂缝产生位置距离坡肩点大于16 m时,稳定系数随裂缝深度的增加先减小后增大。同时,当裂缝深度为定值时,稳定系数最小的点位于距离坡肩点10～14 m位置处。因此,在现场施工时应重点监测该位置处产生的张拉裂缝,同时应严格控制张拉裂缝深度。

3 高台阶加固治理措施

当高台阶稳定系数小于1.05时,存在巨大片帮隐患,一般需进行注浆加固治理。结合前文中稳定性分析结果,对张拉裂缝位于不同位置时需注浆加固的临界深度进行分析,其分析结果如图6所示。

由图6可知,当张拉裂缝距坡肩点0～4 m时,高台阶片帮发生于破碎区泥岩底板,此时由于裂缝距离坡肩点较近,建议以增强巡视为主。当张拉裂缝距离坡肩点5～16 m时,片帮发生于破碎区砂岩底板,此类片帮工程实践中发生频率较高,片帮量较大,建议进行注浆加固治理。当张拉裂缝距离坡肩点17～20 m时,片帮发生于5#煤顶板,此类片帮需裂缝发育深度较深,工程实践中一般不会发生。因此,本次重点对张拉裂缝距离坡肩点5～16 m时的注浆加固治理措施进行研究。

根据浆液扩散速度及固化时间,浆液扩散半径选取为2 m,应用前文中稳定性分析方法,对张拉裂缝处于临界深度,距离坡肩点5～16 m时不同注浆高度稳定性进行分析,其分析结果如图7所示。

由图7可知,当张拉裂缝距离坡肩点5～12 m及15～16 m时,注浆后高台阶稳定系数收敛至1.14,该稳定系数与不含裂缝时高台阶稳定系数一致,表明通过注浆手段可使张拉裂缝处应力集中现象完全消失。张拉裂缝距离坡肩点12～15 m时,注浆后高台阶稳定系数稍大于1.14,这是由于不含裂缝时最危险滑面通过浆液扩散区,注浆加固后无法沿浆液扩散区形成贯通滑面,致使稳定系数进一步提升。本文建议注浆后高台阶稳定系数选取为1.14,建议注浆高度如图8所示。

图8为稳定系数选取1.14时所对应的注浆高度。当张拉裂缝距离坡肩点12～15 m时,对应的注浆高度分别为 2.5、2.7、3、3.2 m。 此时,张拉裂缝处的应力集中现象并未完全消失。若注浆高度达到2.7、3.2、3.4、3.7 m时,张拉裂缝处应力集中现象将完全消失,此时对应的高台阶稳定系数分别为1.143、1.145、1.144、1.143,显然稳定系数提升效果并不明显。而随着注浆高度的增加,注浆量呈指数倍增长。因此,工程实践中不必追求过高的注浆高度,本文推荐采用图8的注浆高度。

图8 推荐注浆高度分析结果Fig.8 Analysis results of recommended grouting height

4 注浆前后数值模拟分析

为深入分析注浆前后高台阶变形破坏规律,本研究采用FLAC3D数值模拟软件对注浆前后高台阶稳定性进行数值模拟。该软件优势在于能较好地模拟岩体材料在达到屈服强度时的塑性流动行为,对于渐进破坏特征和大变形模拟具有良好适用性。由于篇幅所限,仅列出张拉裂缝处于临界深度,并距离坡肩点 8、12、16 m时注浆前后位移分布云图,见图9～图11。

图9 张拉裂缝距离坡肩点8 m时位移分布云图Fig.9 Displacement distribution of tension crack is 8 m away form slope shoulder

图10 张拉裂缝距离坡肩点12m时位移分布云图Fig.10 Displacement distribution of tension crack is 12m away form slope shoulder

图11 张拉裂缝距离坡肩点16m时位移分布云图Fig.11 Displacement distribution of tension crack is 16 m away form slope shoulder

位移分布云图描述了高台阶内部位移分布特征,近似描绘了最危险滑面形态。分析位移分布云图可知,当张拉裂缝距离坡肩点8m及16m时,在达到临界注浆高度前,最危险滑面以张拉裂缝为后缘滑裂面。而当达到临界注浆高度时,最危险滑面为剪切圆弧滑面,此时张拉裂缝对高台阶稳定性不产生任何影响。当张拉裂缝距离坡肩点12 m时,在达到临界注浆高度时,高台阶稳定系数与不含裂缝时稳定系数相等,但此时最危险滑面仍以张拉裂缝为后缘滑裂面,表明张拉裂缝对高台阶稳定性仍存在一定影响。而在注浆高度达到2.7m时,最危险滑面为剪切圆弧滑面,此时张拉裂缝对高台阶稳定性不产生任何影响,但稳定系数提升效果并不明显,因此推荐采用图8中的注浆高度。

5 结 论

研究了黑岱沟露天煤矿高台阶潜在破坏模式及稳定性分析方法,提出了合理的注浆加固治理措施,主要有以下结论:

(1)分析了黑岱沟露天煤矿高台阶稳定性影响因素,提出了适用于高台阶稳定性分析的张拉—剪切破坏模式。

(2)提出了可考虑张拉—剪切渐进破坏的高台阶稳定性分析方法,阐明了张拉裂缝位置及深度对高台阶稳定性的影响。

(3)应用高台阶稳定性分析方法计算了需注浆加固的裂缝临界深度,并给出了合理的注浆加固治理措施。