安家岭矿端帮煤开采边坡稳定性分析与控制

侯成恒

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

露天煤矿开采过程中端帮边坡压煤量比重相对较大，对大型露天煤矿来说，端帮煤边坡角提高1°，其端帮煤炭资源回就收达到千万吨，创造的经济效益将达到十几亿甚至几十亿元。受地质、采矿、技术条件等因素制约，端帮边坡压煤成为露天煤矿典型问题[1]。为尽可能回收端帮边坡煤炭资源，从开采方案优化与开采设备方面做了大量研究工作，其中开采方案优化包括：高台阶开采、边坡形态优化、露井联采等，开采设备研发主要为端帮采煤机。据以往研究成果，考虑采矿与内排协调发展关系，很少采用端帮边坡分段式陡帮开采方法，该方法采用边界效应对边坡稳定形成侧面约束，对近水平煤层可实现横采内排[2]。为此，以安家岭矿为研究背景，通过对其北端帮到界边坡工程地质条件研究，采用极限平衡方法，对回采高度、整体边坡角与稳定系数的敏感性关系研究，采用FLAC3D有限元分析软件，确定了横采内排追踪距离与内排压脚高度，目的是对横采内排对边坡变形破坏控制效果进行评价，从而达到指导现场生产的目的[3-4]。

1 工程地质条件及岩土体力学性质

1）工程地质条件。矿山已有地质资料可知，矿区最下1 层可采煤层底板及以上地层自下而上划分有：本溪组地层（C2b）、太原组地层（C31）、山西组地层（P1S）、下石盒子组地层（P1X）、上石盒子组地层（P2S）、新第三系上新统（N2b）、第四系（Q）,其中第四系全矿区发育。陡帮开采区域地层岩性自下而上分别为：砂泥岩互层、11 煤（厚度为1.1～5.9 m）、泥砂岩互层、9 煤（厚度为11.1～15.4 m）、泥砂岩互层、4 煤（厚度为3.1～6.2 m）、泥砂岩互层、黄土层，其中第四系与下伏新第三系上新统不整合接触。露天煤矿矿区内揭露主要地质构造有：1 个背斜（芦子沟），5 条断层（落差大于10 m），2 个陷落柱。陡帮开采区域内地质构造主要有3 条断层，1 个陷落柱。

2）岩土体力学性质。露天矿初步设计阶段至今，开展了大量的岩土体物理力学参数测试与实验研究工作，积累了大量的基础研究数据和研究成果。本次边坡稳定性分析岩土体物理力学参数主要通过以下2 种方式获得：①搜集、整理与分析以往研究成果归纳得出适用于本次研究力学参数指标；②在室内岩石力学试验成果基础上，利用力学强度折减方法及基于Hoek-Brown 准则进行节理化岩体强度分析[5]。最终得出力学参数指标推荐值，岩土体物理力学参数推荐值见表1。

表1 岩土体物理力学参数推荐值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2 端帮煤开采方案

端帮压煤回采区平面图如图1。在工程地质概况中可知，该区域发育有陷落柱和断层，北端帮陡帮开采范围确定主要依据为内排跟进范围与陷落柱赋存位置，其中西部边界为内排土场最下部台阶坡底区域、东部边界为陷落柱西侧边界、地表境界保持不变、坑底境界为11 煤底板。矿区内可采煤层共3 层，分别为4 煤、9 煤、11 煤。

图1 端帮压煤回采区平面图Fig.1 Plan of end wall coal pressing mining area

通过调整回采高度和各平盘宽度的大小，使边坡角度变为31°、32°、33°、34°、35°，提出了陡帮开采方案，方案设计原则如下：①回采高度分别设置为1 300、1 288、1 276、1 264 m 水平；②每个回采水平对应60、54、48、40、34 m 5 个不同的平盘宽度。选取典型工程地质剖面DB 剖面为研究对象，典型DB 剖面回采设计方案如图2。

图2 典型DB 剖面回采设计方案Fig.2 Mining design scheme of typical DB section

边坡稳定系数计算方法通常采用极限平衡法，通过对开挖后边坡下滑力与抗滑力计算、将边坡体抗滑力与下滑力比值作为边坡稳定性定量评价指标。本次研究利用极限平衡法中的Morgenstern-Price 法[6]，计算得出不同回采高度、整体边坡角条件下边坡稳定系数，并采用曲线回归分析手段，对开采参数与稳定系数敏感性分析，得出开采参数与稳定系数相关性。

安家岭露天矿可采煤层为4 煤组、9 煤、11 煤，依据端帮边坡到界情况，各煤组赋存深度及边坡稳定状况，按照设计陡帮开采方案，建立极限平衡分析计算模型，对不同陡帮开采设计方案采用岩土体计算仿真软件Geo-Studio 进行稳定性计算，边坡稳定系数统计表见表2。

表2 边坡稳定系数统计表Table 2 Statistical table of slope stability coefficients

3 开采参数与稳定系数敏感性

1）回采高度与稳定系数敏感性。为进一步确定回采高度与边坡稳定系数之间敏感性，以边坡稳定计算结果为基础，对不同回采高度稳定系数统计分析，采用曲线回归分析手段，对不同回采高度和边坡稳定系数回归分析。回采高度与稳定系数关系曲线如图3。根据表2 边坡稳定计算结果和图3 回采高度与边坡稳定关系曲线图可知：同一回采高度，随着整体边坡角增加，边坡稳定系数为减小趋势；回采高度高于1 288 m 水平或低于1 276 m 水平时，边坡稳定系数突变明显，单位回采高度内边坡稳定系数变化最为敏感。

图3 回采高度与稳定系数关系曲线Fig.3 Relation curves between mining height and stability coefficient

2）边坡角与稳定系数敏感性。为进一步确定整体边坡角与边坡稳定系数之间敏感性，以边坡稳定计算结果为基础，对不同整体边坡角条件下稳定系数统计分析，采用曲线回归分析手段，对不同整体边坡角和边坡稳定系数回归分析。整体边坡角与稳定系数关系曲线如图4。根据表2 边坡稳定计算结果和图4 整体边坡角与边坡稳定关系曲线图可知：整体边坡角相同条件下，随着开采水平增加，边坡稳定系数为减小趋势；整体边坡角大于33°或小于32°时，边坡稳定系数突变明显，单位整体边坡角内边坡稳定系数变化最敏感。

图4 整体边坡角与稳定系数关系曲线Fig.4 Relation curves between overall slope angle and stability coefficient

依据“露天煤矿工程设计规范”规定，确定北帮陡帮开采边坡安全储备系数为1.1，结合边坡稳定计算结果和敏感性分析成果，考虑资源回收率等因素，确定陡帮开采水平为1 264 m、整体边坡角为35°，边坡稳定系数为1.089，基本接近安全储备要求，考虑采用横采内排控制开采措施提高边坡稳定性。

4 控制开采边坡稳定性数值模拟

通过提高回采高度或降低整体边坡角使得边坡安全储备满足要求，为提高陡帮开采煤炭资源回收率，考虑陡帮开采时间相对较短、作业空间相对充足，能够在短时间形成内排，采用横采内排的控制开采措施[7-8]，提前实现内排减少边坡暴露时间、减小边坡角，同时缩短陡帮开采过程中的排弃物料运距，实现经济效益最大化。由于陡帮开采区域地质条件较复杂，考虑采场推进方向与内排关系，推进方向由西向东，西侧区域先行到界、实现快速内排压脚。

端帮压煤回采区域上部开口宽度约600 m、最终设计底部境界宽度约400 m，开采区域空间狭小，采用小型设备以简化整个作业系统，在保证设备作业空间条件下，尽可能提高边坡稳定性，横采内排追踪距离分别为30、50 m，内排压脚高度12、24 m，分别对每一控制开采方案进行稳定性分析，具体控制开采方案为：①方案I：内排追踪距离30 m，内排压脚高度12 m；②方案II：内排追踪距离30 m，内排压脚高度24 m；③方案III：内排追踪距离50 m，内排压脚高度12 m；④方案IV：内排追踪距离50 m，内排压脚高度24 m。控制开采主要考虑岩体内部的应力、应变关系，以及受边界效应约束条件下，应力释放与边坡变形的时空关系，考虑采用“混合离散法”模拟三维边坡塑性破坏和塑性流动，研究其破坏特征与破坏机理，以确定合理内排距离与内排压脚高度[9-10]。根据建立的典型DB 剖面模型和确定的边界条件：模型左右及前后所有边界均施加水平方向上约束条件（模型边界水平方向位移为0）；固定整个模型底部边界（模型边界底部水平及垂直位移均为0）；模型顶部及所有临空坡面均为自由边界，控制开采数值模拟模型如图5。

图5 数值模拟模型Fig.5 Numerical simulation model

通过对不同内排追踪距离（30、50 m）与内排压脚高度（12、24 m）方案进行数值模拟分析，得出控制开采条件下总位移云图与指向边坡临空面x 方向云图，进而分析边坡失稳破坏特征。不同控制开采方案总位移云图如图6，不同控制开采方案x 向位移云图如图7。

图6 控制开采总位移云图Fig.6 Diagrams of total displacement of controlled mining

图7 控制开采x 向位移云图Fig.7 Displacement diagrams of controlled mining in x-direction

由图6 通过对比分析可知：①在内排追踪距离相同条件下，内排压脚高度越高，边坡失稳破坏范围与破坏程度越小，失稳破坏范围主要集中在内排平盘上部区域；②在内排压脚高度相同条件下，内排追踪距离越小，边坡失稳破坏范围与破坏程度越小，随着暴露长度的增加，最大位移变形量也逐渐加大；③采用横采内排控制措施后，内排压脚及其附近区域，边坡变形破坏程度得到明显且有效的控制。

由图7 通过对比分析可知：①在内排追踪距离相同条件下，内排压脚高度越大，边坡失稳破坏水平位置越高、x 向位移量越小；②在内排压脚高度相同条件下，内排追踪距离越小，边坡失稳破坏范围越小、x 向位移量越小；③采用横采内排控制措施后，最大位移量均出现在压脚上部区域坡脚位置，整体呈现应力集中现象，边坡剪出位置区域可得到有效预测。

综上所述，内排追踪距离越大，坡脚应力集中现象越明显，边坡失稳破坏范围越大，边坡稳定程度越低；内排压脚高度越低，上部荷载越大，x 向位移量越大，坡脚处应力集中现象越明显，对边坡稳定越不利。因此，在满足生产要求前提下，最终确定安家岭露天矿端帮压煤控制开采方案为：横采内排追踪距离为30 m、内排压脚高度为24 m；采用控制开采措施后可实现原煤回收约170 万t，剥离量约290 万m3，平均剥采比为1.7 m3/t，与全矿5～6 m3/t 剥采比相比，具有显著经济效益，从煤炭资源回收率角度考虑，同时具有较高社会效益。

5 结 语

为解决露天矿端帮到界边坡压煤问题，结合安家岭露天矿北帮到界边坡实际情况，运用极限平衡方法，对回采高度、整体边坡角与边坡稳定之间敏感性分析，采用三维数值模拟方法研究横采内排追踪距离、内排压脚高度与边坡稳定性关系。依据边坡稳定计算结果，对回采高度、整体边坡角与边坡稳定系数关系进行敏感性分析，确定了回采高度为1 264 m 水平、整体边坡角为35°。为保证陡帮开采过程中边坡稳定问题，采用横采内排控制方案，利用数值模拟手段，确定了横采内排追踪距离为30 m、横采内排压脚高度为24 m。