露天煤矿基于FLAC3D靠帮开采可行性方案

王建鑫

（内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

露天煤矿基于FLAC3D靠帮开采可行性方案

王建鑫

（内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

为了最大限度回收煤炭资源，越来越多的露天煤矿采用靠帮开采进行压覆资源回收，以纳林庙灾害治理工程为例，从现状分析、提出方案，到采用FLAC3D三维有限差分程序进行边坡稳定分析论证了端帮角度从37°可以提高至43°，为端帮快速开采、回填提供技术支撑。

露天煤矿；靠帮；开采；回填

0 前 言

我国露天煤矿设计一般采用静态、均一、永久性设计，端帮一般设置15 m以上运输道路、3～5 m安全平台、6～12 m清扫平台，设计端帮角度一般在35°～37°，即最终帮坡角。而对于近水平露天煤矿，内排期间端帮随着排土场跟进不断的暴露与压帮，端帮时间存在较为短暂，只有在开采终了形成尾坑时存在永久最终帮坡。为了保证永久性安全在开采终了最终帮坡角选取静态、均一、永久性设计是合理的，但在短期存在的端帮应合理考虑边坡的时效性、不同岩层的分布、不同边坡形态等来论证边坡受力状态与安全系数，目前主要的边坡稳定分析方法有极限平衡法、类比法、数值模拟法[1]，本次采用数值模拟中具有代表性的FLAC3D有限差分分析软件，FLAC3D采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动，基于较小空间能够求解大范围的三维问题[2]。

1 工程概况

内蒙古伊泰煤炭股份有限公司纳林庙灾害治理项目办位于内蒙古自治区东胜煤田勃牛川普查区东南部，井田含煤地层构造形态与东胜煤田总体构造形态一致，为一向南西倾斜的单斜构造，倾向210°～230°，倾角1°～3°。确定治理范围划分为治理首区和治理二区2个治理区，其中治理首区一分区主要开采4#实体煤，平均厚度2.2 m，采用单斗-卡车间断式工艺，工作线由西向东推进，采用移动坑线开拓。煤层直接顶、底板岩石主要以砂质泥岩为主，抗压强度27.4～30.8 MPa，软化系数0.42～0.48；6-2煤层为全井田可采煤层，直接顶、底板岩石主要以细砂岩、粉砂岩、泥岩为主，抗压强度25.0～30.9 MPa，泥岩软化系数0.46。综合本井田岩石力学性质，主要以软弱岩石为主，其次为半坚硬岩石，砂质泥岩及泥岩属易软化岩石，中深部岩层岩石质量及岩体质量较好，工程地质类型为第三类、第二型，即层状岩类中等型，目前治理工程全部实现内排，内排土工作线呈内圆弧状，工作线中部推进较慢，排土跟进快，为靠帮开采边坡稳定的时效性提供有利条件。

2 靠帮开采方案

靠帮开采的核心是提高端帮帮坡角，回收压覆资源。本次开采对象为首采区一分区北端帮，为主要运输干线，靠帮开采对治理区开拓运输系统影响较大，必须在回采后尽快回填压帮，由于北端帮设置20 m的1290运输平台、5 m的1300安全平台、20 m的1310运输平台，1310平台以上均为开采初期形成的安全平台，整体端帮帮坡角度为37°，内排土场排弃标高为1 290、1 310、1 330、1 340、1 360 m5个排土平台，端帮一侧跟进速度快。目前采场主要运输系统为1290、1310端帮运输系统，下部1270煤底板运输系统主要为1270—1280的剥离量服务，所以当进行靠帮开采时必须提前规划运输系统，综合采场主要剥离平台位置及排土场跟进速度，采取中部采空区沿煤层顶板搭单桥与端帮回填贯通相结合内排，即在靠帮开采时，主要剥离1280、1290、1300平台，剥离物经1 270 m水平煤底板排弃至1290排土场。回采完压覆资源后在端帮快速压帮预先形成1290运输系统、逐步形成1310运输系统，即快速回填贯通端帮道路又保证了边坡的时效稳定性。

根据目前开采现状、地区岩性结构、及相邻矿山端帮形式，从端帮下部推进，对1 310 m以下水平进行推进加陡帮坡角，即1 310 m以上境界不动。设计将1310运输平台缩减为12 m，不通行宽体车，且将1300与1310平台进行并段，不设1300平台，将1290平台缩减为15 m，整体将帮坡角从37°提高至43°，经计算底部推进宽度30 m。

北端帮处采场工作线与排土场工作线最短距离为50 m，靠帮开采时为了缩小变坡暴露面积与时间，采用每50 m步距为一个循环开采单元，开采完毕迅速回填，待排土场推进至50 m附近进行下一个开采单元，底部推进宽度为30 m，经计算一个开采单元需要剥离土石6.06万m3，目前每日平均剥离量为8万m3，虽然可以满足端帮1 310 m以下回填压帮量，但由于端帮排土空间受限，在开采完压覆资源后，在端帮处从采场和排土场对向排土，一个工作日内可将1 290 m水平进行压帮回填，减少边坡暴露时间。经计算一个开采单元可回收煤炭资源4 224 t。

3 FLAC3D理论基础

边坡分析理论一般有极限平衡法、有限元法、有限差分法、滑移线场法等，极限平衡法近似的把岩土体看作刚性材料，假定滑移面根据边坡的滑体或滑块的力学原理，分析各种破坏模式下的受力状态。有限差分强度折减法不需要对滑动面形式和位置做假定，通过强度折减当计算不收敛时，对应的值即为最小稳定安全系数。采用FLAC3D有限差分程序采用摩尔-库伦本构模型及自带的强度折减法求解[3-4]。

1）摩尔-库伦模型适用于岩土体、混凝土体等材料，对于应力变化范围不大的一般岩土体，其摩尔包络线可用库伦强度公式表示，其屈服准则公式为：

σ′1、σ′3分别指土中一点的大小主应力，φ′为内摩擦角。

2）有限差分强度折减法认为边坡的稳定安全系数可以定义为使岩土体刚好达到临界破坏状态时，对岩土体的内聚力和内摩察角进行折减的程度[5-6]，即定义安全系数为岩土体的抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值，强度折减公式为：

CF是折减后土体虚拟的粘聚力，φ′F是折减后土体虚拟的内摩擦角，C和φ′为内聚力和内摩察角，Fs为折减系数。强度折减法的要点是利用上述公式调整岩土体强度指标的内聚力和内摩擦角，通过反复折减对边坡岩土体进行数值模拟。

4 边坡稳定分析

采用FLAC3D有限差分程序对首采区北端帮进行力学模拟，主要模拟端帮在自身重力作用下的边坡稳定情况，模型选取北端帮代表性勘探线剖面图建立力学模型。模型根据北端帮岩性分布将网格划分为5组。边坡岩体自上而下分布为砂土层、泥岩层、细粒砂岩层、砂质泥岩层、煤层、砂质泥岩层，计算所取物理力学参数见表1。由于岩土在外力作用下不但会产生弹性变形、还会产生不可恢复的塑性变形，则本构模型选取摩尔-库伦弹塑性模型，安全系数求解采用FLAC3D自带的强度折减法求解[7]。

根据实际条件确定模型的边界条件为：①模型从前后左右4个方向同时施加约束力，使得边界各个方向没有位移；②固定模型底部边界，使模型在底部任何方向都没有位移；③模型的顶部和坡面设置成自由边界，能够自由运动。

表1 岩土体物理力学参数

通过FLAC3D进行数值分析，得出模型的最大不平衡力收敛曲线图、最大位移图、剪切应变增量云图及安全系数、Z方向位移云图。

不平衡力是数值计算迭代过程中产生的系统内外力之差，在静态求解模式中用它来判断是否达到平衡状态，从图1看出最大不平衡力无限趋近于0，此时模型体系达到平衡状态，即边坡未出现坍塌或塑性变形。

图1 最大不平衡力收敛曲线图

从图2最大位移图可以明显看出边坡滑动位置，且位于北端帮顶部及4#煤位置位移量最大，且位于坡顶区段位移有明显下沉趋势，坡角有逐渐伸出趋势，从位移云图可看出4条较为明显的圆弧滑移面，并存在最大的位移滑移面，即第四系与第三系砂土层与煤层及上层砂质泥岩圆弧滑移面，但中部没有形成与上下部位相同数量级位移量。结合位移云图可知在北端帮边坡体内部可能形成潜在位移圆弧滑动面。

从图3剪切应变增量图可以看出破坏面位于边坡内部及坡角处，且坡顶与坡角尚未形成贯通塑性区，但坡角与坡顶中部形成塑性贯通区域，位于边坡上部细粒砂岩区岩层强度较大，潜在破坏为从细粒砂岩以下至煤层底板出现滑动，且通过计算显示安全系数为1.22，边坡应尽可能减少暴露时间保证稳定[8]。

图2 最大位移图

图3 剪切应变增量图

从图4 Z方向位移云图可以看出Z方向出现位移主要在煤层底板处，边坡坡底稳定性较差。以上分析表明，边坡稳定处于较危险状态，煤层底板处稳定性差，可能形成沿煤底板切出的圆弧滑动面。

图4 Z方向位移云图

5 工程实例

纳林庙露天灾害治理工程从2016年6月进行北端帮压覆资源回收，到2017年2月结束，将端帮帮坡角提高至43°，成功回收端帮压覆资源，并形成1290、1310、1330排土平台，共形成中部采空区沿煤层顶板搭单桥与端帮回填贯通相结合内排3条运输系统。开采与排土压帮紧密衔接，端帮帮坡角稳定未出现坍塌或滑移现象。

在靠帮开采过程中为了保障边坡的稳定性，做了以下预防预报措施：①分别在北端帮坡顶、1 310 m水平布设边坡监测点进行固定位移监测，在煤底板处进行不定期位移监测，定期利用I-site长距离红外扫描仪进行边坡位移监测分析；②在靠帮开采过程中煤底板处设置警戒、专人在安全区域进行观察监测；③露天作业开采过程改变爆破传导方向、减少对北端帮的震动影响、到界边坡采取预裂爆破；④加强剥离进度、加快压帮速度。

6 结 论

1）通过FLAC3D数值模拟分析，北端帮边坡可能发生的破坏形式为圆弧滑动面且从4#煤底板处滑移，靠帮开采时需加强监测。

2）在4#煤底板处出现应力集中现象，可能发生剪切破坏，需及时进行压帮。

3）靠帮开采在回收压覆资源后，必须及时压帮、减少边坡暴露时间与面积，按照日常的剥离量在端帮开采后1 d即可对1 290 m水平进行压帮回填，具备快速压帮条件。

4）为了在靠帮开采初期设计与规划好运输系统，避免出现开采中和开采后带来运输的阻滞，导致不能及时压帮，在中部采空区沿煤层顶板搭单桥，运输系统良好，对快速压帮形成有利条件。

5）通过边坡角度设计、运输系统规划等方案论证进而对边坡稳定力学模拟分析，从而得出靠帮开采方案可行。

［1］涂永生，巫建晖，陈尚烽.基于FLAC3D的软岩边坡开挖变形稳定性研究［J］.公路与汽运，2012（5）：105.

［2］张育涵，叶明亮，左双英.基于FLAC3D基坑边坡稳定性分析［J］.贵州科学，2013，31（4）：56-59.

［3］史秀志，陈小康，曾志林.极限平衡法与FLAC3D在边坡稳定分析中的应用对比［J］.现代矿业，2009，25（3）：34-36.

［4］白润才，王志鹏，王喜贤.基于FLAC3D软件的露天矿边坡稳定性分析与研究［J］.露天采矿技术，2013（8）：1-2.

［5］郑文棠.基于FLAC3D的强度折减法和点安全系数法对比［J］.水利与建筑工程学报，2010，8（4）：54-57.

［6］万林海，金海元，吴伟功，等.有限差分强度折减法的应用分析［J］.人民黄河，2005（9）：43-44.

［7］张友锋，袁海平.FLAC3D在地震边坡稳定分析中的应用［J］.江西理工大学学报，2008，29（5）：23-26.

［8］韩万东，谷明宇，杨晓云，等.FLAC3D数值模拟的边坡稳定性［J］.辽宁工程技术大学学报，2013，32（9）：1204-1208.

【责任编辑：张 夙】

Feasibility scheme of steep slopem ining based on Flac3D

WANG Jianxin
(Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

In order to maximize the recovery of coal resources,more and more open-pit coal mines adopts steep slope mining pressure resource recovery.Taking Nalinmiao disaster control engineering as an example,from the current situation analysis, scheme to using Flac3Dthree-dimensional finite difference program,the article carries out slope stability analysis and demonstrates end slope angle from 37 degrees to 43 degrees,which provide technical support for fastmining and backfill.

open-pit coalmine;steep slopemining;backfill

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0017－04

2017-05-28

王建鑫（1987—），男，内蒙古巴彦淖尔人，学士，2011年毕业于内蒙古科技大学采矿工程专业，现就职于内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，从事露采技术管理。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.005

王建鑫.露天煤矿基于FLAC3D靠帮开采可行性方案［J］.露天采矿技术，2017，32（9）：17-20.