东明露天煤矿东帮边坡稳定性分析.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月随着采剥工程的进行，露天煤矿的边坡稳定状态会受到扰动，在经过降雨、爆破震动、原岩应力等诸多因素的共同影响下，可能会失去原有的稳定，产生不同程度的破坏，最终导致滑坡。因此在露天煤矿回收煤炭的过程中，需按照GB 501972015煤炭工业露天矿设计规范1的要求，定期对边坡稳定性进行核查工作，确保露天矿在回收煤炭资源过程中边坡的稳定、人员及设备的安全2。基于此，选取东明露天煤矿东帮边坡作为工程背景，综合地运用地质勘察，理论分析，数值模拟等方法，对东帮边坡稳定性进行深入研究。1地质概况东明露天煤矿矿区地层主要由“白垩系上统大磨拐河组（K3d）”及新生界第四系下更新统阿尔善组、中更新统海拉尔组、上更新统嵯岗组、上更新统冰碛冰水堆积层组成。1.1白垩系大磨拐河组（K3d）在东明盆地下部分布且上部覆盖有第四系松散堆积物，河湖相沉积，以泥质粉砂岩为主，夹粉砂岩、含砾石砂岩、砂砾岩、砾岩、黑色炭质泥岩和褐煤，泥岩中含有化石。煤层平均厚度25.18 m，地层最大厚DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.018李坤，李元浩，李营作.东明露天煤矿东帮边坡稳定性分析 J.露天采矿技术，2023，38（3）：67原69.LI Kun,LI Yuanhao,LI Yingzuo.Stability analysis of east slope in Dongming Open-pit Coal Mine允.OpencastMining Technology,2023,38（3）:67原69.移动扫码阅读东明露天煤矿东帮边坡稳定性分析李坤1，李元浩2，李营作2（1.呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.北方工业大学，北京 100041）摘要：为了研究东明露天煤矿东帮边坡的稳定性情况，对现场工地进行钻探取样，掌握岩层信息和地质情况；采用莫尔-库伦强度理论对所取岩心进行科学实验，精确获得地层的物理力学指标；在此基础之上，通过理论分析和FLAC3D数值模拟方法对边坡的变形位置及破坏模式进行了详细研究。结果表明：边坡在第4台阶处出现最大拉应力，土体发生平移滑动并形成圆弧滑动面，并且在坡顶处出现大沉降变形，在经过雨水冲刷后存在滑坡风险。关键词：有限差分；FLAC3D；数值模拟；莫尔-库伦强度理论；边坡稳定性中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0067-03Stability analysis of east slope in Dongming Open-pit Coal MineLI Kun1,LI Yuanhao2,LI Yingzuo2（1.Hulunbei er Dongming Mine Co.,Ltd.,Hulunbei er 021000,China;2.North China University of Technology,Beijing 100041,China）Abstract:In order to study the stability of the east slope in Dongming Open-pit Coal Mine,the on-site site was drilled andsampled,and the rock formation information and geological conditions were preliminarily grasped.The Mohr-Coulomb strengththeory was used to conduct scientific experiments on the selected cores to accurately obtain the physical and mechanical indicatorsof the formation.On this basis,the deformation position and failure mode of the slope are studied in detail through theoreticalanalysis and FLAC3Dnumerical simulation method.The results show that the slope has the maximum tensile stress at the fourthstep,the soil body slides and forms a circular sliding surface,and a large settlement deformation occurs at the top of the slope.There is a risk of landslides after rain erosion.Key words:finite difference;FLAC3D;numerical simulation;mohr-coulomb strength theory;slope stability收稿日期：2022-07-29责任编辑：张东旭作者简介：李坤（1975），男，内蒙古呼伦贝尔人，高级工程师，本科，主要从事露天开采技术及管理方面的工作。67露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月度178.08 m。颗粒沉积分布均匀，主要表现为上粗下细，为泥质粉砂岩3。1.2第四系地层分布1）下更新统冰碛层（Q11）。为直接覆于前第四系之上的冰碛冰水堆积层。厚6.60耀31.50 m,岩性主要以棕黄色泥砾及含黏土砂砾石为主，其中夹杂着诸多细砂和黏土。2）中更新统（Q21）。辉河口组：湖积层，为一套较厚的灰、浅棕、棕褐色塑性强、致密坚实的黏土层；有一些黏土层含有少量砾石且均匀分布，具有大量的与黏土成分一致的“泥粒”及少量的铁锰质结核。本层厚度在0.55耀33.80 m。3）上更新统海拉尔组（Q33）。上更新海拉尔组分布均匀，可分为上、下2部分，上部由黄土状粉质黏土和粉土组成，存在大孔隙和垂直节理等特征，厚度2耀23 m；下部由含砾石中、细砂、砂砾卵石组成，其中夹杂着绿灰色黏土和粉土透镜体，厚度4耀15 m。2莫尔-库伦强度理论Mohr-Coulomb强度理论在岩土力学中得到了广泛的应用与认可，其强度理论能反映出岩土材料在不同的抗拉、抗压强度下的SD效应，通过常规试验仪器便可测定岩土材料相应的黏聚力c、内摩擦角渍值，简单实用，因此得到了科研技术人员的普遍青睐4。莫尔-库伦强度准则如图1。Mohr-Coulomb强度理论认为：岩石的破坏都是剪切破坏，当岩体中任意一点的剪应力等于或大于土的抗剪强度时，土体就会发生剪切破坏，且破裂面上的剪应力取决于该面上的正应力和岩石本身的性质与其他因素无关。在试验中，可以测得土体的抗剪强度指标c、渍值，并且它们符合图1中用极限莫尔应力圆来表示各指标之间的关系，图中：滓1、滓3为最大、最小主应力；子为土体抗剪强度。当莫尔包络线与莫尔圆相切时土体就达到极限状态，此时的抗剪强度为土体的极限抗剪强度。3模型及力学指标在东明露天矿东帮边坡施工4个钻孔，累计进尺约200 m，并且将采集到的样品分组进行单轴抗压强度试验；同时将在东帮边坡采集到的样品进行三轴抗压强度试验，获得其岩土物理力学指标，最终将获得的指标与邻矿试验资料进行对比，获得的可信度较高的各岩层的物理力学指标见表1。依据工程地质钻孔，对地质剖面赋予相应的地层建立的典型地质剖面如图2。4边坡稳定性数值模拟边坡的破坏属于三维空间的破坏，应当采用空间力学来解决问题，目前通常采用二维的分析方法来对边坡稳定性问题进行分析，虽然此类方法对边坡治理取得了一定的成效，但对于边坡空间形态分析则必然存在一定的缺陷，而露天煤矿采矿方法的选择受边坡空间形态影响显著5-6。随着开采活动的进展，在特定的时间内，为了提高经济效益，往往采取减小剥采比的方法，这样就形成了高陡的人工边坡7。在土体开挖形成高陡的人工边坡的过程中，土表 1物理力学指标岩性密度/（g cm-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（毅）弹性模量/GPa泊松比排弃物泥岩砂岩煤可塑性泥岩砾石砂质黏土细砂岩1.892.142.281.291.922.311.831.9624.6189.3259.1152.495.4319.6146.7217.823313525283827320.2011.312.07.05.219.39.29.50.330.210.230.250.190.380.280.24图 2典型地质剖面图 1莫尔-库伦强度准则68露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 3最大不平衡力演化图图 4水平应力模拟云图体本来的平衡会被打破进而产生应力重分布，当重新分布的应力达到了地质体承载的极限应力时，地质体便发生相应的变形甚至破坏8。采用FLAC3D软件对露天煤矿人工边坡进行数值模拟分析，可以清晰地获得其应力及位移分布特征，通过对这些特征的分析，可以推测出边坡是否安全以及其可能出现的破坏方式和滑裂面存在的位置。通过准确的数值模拟定量计算，为边坡稳定性分析及其治理提供可靠的依据9-10。当采用FLAC3D对边坡进行模拟分析时，首先要确保最大不平衡力达到收敛的状态，并且在此基础上对边坡进行受力分析，进一步判断边坡的状态。数值模拟计算过程中最大不平衡力的演化过程如图3，水平应力模拟云图如图4，竖直应力云图如图5，水平位移模拟云图如图6，边坡竖直位移云图如图7。1）边坡的水平应力分布随深度逐渐递增，分布相对均匀，在最后1个台阶底部的水平应力达到最大值，此时的坡脚容易发生挤压破坏，使得坡角处岩体被挤压出。2）边坡在竖直方向上的应力云图具有明显的层次性，说明边坡在竖直方向上受力均匀，最大的压应力在第1个台阶的底侧，且土体的最大压应力为土体最大侧向应力的2倍，符合土力学理论分析。3）边坡产生的水平位移从左向右依次递增表现出明显的连续性，在边坡的坡角处发生的水平位移最大，最大值为446 mm，一旦下雨或有其他的震动导致土体现有的稳定状态破坏时，该处区域极可能发生滑坡或其他危害。4）边坡的最大竖向变形为坡顶顶部和第4个台阶自由坡面顶部，结合应力云图分析可知，此处最容易发生沉降，土体沉降时容易在坡顶形成裂缝，外加内蒙古地区雨水较多，若是排水措施出现问题，不能及时排水，极可能在土体内部形成连续的滑动面，最终形成破坏面，导致滑坡。5结语1）土体属于三维模型，采用FLAC3D进行数值模拟可以精确的模拟出土体的受力及破坏状态，更加便于分析、治理，并且有效地避免了二维模型的局限性，使得结果更加具有说服力，在对边坡进行受力分析和位移分析时，可视性更强。2）通过对东明露天煤矿东帮边坡的水平位移特征分析得出：边坡出现的最大水平位移位于坡角处，最大值为446 mm，此处表现为拉裂破坏；边坡的其他位置的变形及破坏主要表现为“压-剪”破坏。3）边坡的竖直变形最大沉降量为376 mm，且发生在边坡顶部台阶和第4个台阶自由坡面顶部，可图 5竖直应力云图图 6水平位移模拟云图图 7边坡竖直位移云图（下转第74页）69露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月知该处土体发生了较大沉降，由于沉降接近坡面，可能在地面处形成裂缝，在经过雨季冲刷后可能发生滑坡。4）边坡内部及坡角处都有潜在破坏的危险，在雨季到来的时候及可能发生滑坡的危险，因此应将边坡顶部裂缝填充压实，检查排水系统，确保雨水能够及时排除。参考文献：员 GB 501972015 煤炭工业露天矿设计规范 S 援圆 姜海涛援 基于 云蕴粤悦猿阅的排土场边坡稳定性分析 允 援煤矿安全，圆园员苑，源愿（员园）：圆员远原圆员怨援猿 王琪援东明露天煤矿非工作帮边坡稳定性分析及治理措施研究 阅 援包头：内蒙古科技大学，圆园员缘援源 李广信援实用主义与土力学 允 援岩土工程学报，圆园员愿，源园（员园）：员愿怨苑原员怨园源援缘 李少平，韩斌，王建栋援 露天矿滑坡分析与治理方案研究 允 援矿业研究与开发，圆园圆圆，源圆（缘）：远园原远源援远 赵龙援露天煤矿工程降水设计的理论研究及应用 阅 援长春：吉林大学，圆园园愿援苑 马婧佳，王勇，黄浩轩援宝日希勒露天煤矿南帮边坡靠帮开采方案 允 援煤矿安全，圆园圆员，缘圆（员员）：圆源园原圆源源援愿 姜海涛援 基于 云蕴粤悦猿阅复合排土场边坡动态破坏过程研究 允 援露天采矿技术，圆园员苑，猿圆（缘）：员远原员愿援怨 刘国鸿援 基于 云蕴粤悦猿阅强度折减法的露天煤矿边坡稳定性分析 允 援露天采矿技术，圆园员缘，30（圆）：苑原怨援员园 张保俊援基于 云蕴粤悦猿阅的边坡稳定数值模拟 允 援煤炭与化工，圆园员源，猿苑（员）：员园猿原员园源援（上接第69页）报9；盂生产部门员工要加强该区域巡查，发现异常立即上报，坑下人员严禁无作业在此范围逗留，设备严禁无故停在4煤底板上，夜间车辆通行时要注意观察边坡状态；榆紧急避险，发现片帮、滑坡时，应立即停止作业，人员、设备沿矿坑道路撤至工作帮4煤底板中部安全区域，待排除险情后方可恢复作业；虞加快陡帮开采区域下部11煤开采进度，提前进入内排作业，通过压脚进一步增加边坡稳定系数。5煤岩台阶预裂孔控制爆破技术加强南北两端帮4煤顶板及上部岩石平盘预裂孔爆破作业，减少上部平盘浮石，提高边坡整体稳定性，改善矿坑作业环境，提高端帮靠界资源回收1 m。按照平均推进速度4煤推进460 m，9煤推进540 m，11煤推进520 m，3层煤厚度分别12、13、5 m，回采率0.95计算，20192021年增加端帮煤6万t。6结语平朔东露天矿为特大型露天煤矿，秉承“安全、高效、绿色、智能”的企业文化，努力创新，发挥技术支撑作用，助力企业高质量发展。1）工作帮组合台阶开采技术，提高了矿坑延深速度，保障了露煤量和内排土场跟进最优化，并且通过提高内排土场帮坡角，实施高段排土方案，降低生产成本4 080万元。2）研究了极限平衡条件下陡帮开采端帮煤技术，多回收端帮煤196万t：南帮处于基本稳定边坡条件下，通过缩短最下面1个4煤底板平盘干道宽度10m，在整体边坡稳定可控条件下多采出南帮9煤、11煤小计36万t；利用边坡评价原理，研究了北帮厚红黏土、顺倾边坡条件下，4个自营平盘落差60 m并段作业，多采出原煤160万t，且保持边坡稳定，经济效益巨大。3）研究了预裂爆破作业对提高边坡整体效果，多采出1 m端帮煤，共多采出6万t端帮原煤。参考文献：员 常永刚援端帮陡帮控制开采技术在安家岭露天矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园员源（愿）：源原远援圆 宋子岭，王振，刘文坊援陡边坡技术的边坡形态优化允 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版），圆园圆园，猿怨（缘）：猿愿员原猿愿怨援猿 吕粲，李克民，马力，等援哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡角度优化 允 援金属矿山，圆园员源（缘）：猿圆原猿缘援源 吕粲援哈尔乌素露天煤矿端帮陡帮开采边坡稳定性分析 阅 援徐州：中国矿业大学，圆园员缘援缘 中煤西安工程设计有限公司援东露天煤矿初步设计说明书 砸 援西安：中煤西安工程设计有限公司，圆园园怨援远 朱涛，孙进步，万忠明援陡帮开采技术在将军戈壁二号露天煤矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园圆员，猿远（源）：猿源-37援苑 刘勇，车兆学，李志强，等援露天煤矿端帮残煤开采及边坡暴露时间分析 允 援中国矿业大学学报，圆园园远（远）：苑圆苑原苑猿员援愿 黄天爽，赵铭芳，轩峰，等援端帮开采技术在露天煤矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（缘）：远怨原苑员援怨 薛万海援 安太堡露天矿过背斜期间陡帮开采方案 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（员）：愿远原怨园援74