火烧区对新疆露天煤矿边坡稳定性影响研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月我国新疆煤田火烧区赋存广泛1。长期高温灼烧作用会对煤岩层的力学性能产生不同程度影响2-5。该潜在危险源严重威胁露天煤矿边坡稳定性，制约着煤炭企业的安全生产。近年来，随着新疆煤炭资源露天开采的快速发展，采场开采范围、开采深度不断增加，火烧区影响下的边坡变形失稳问题日益突出。目前，国内学者对边坡稳定性研究成果颇多，并且已经初步关注度到了火烧区对边坡安全的影响6-11。但实际上不同矿区火烧岩的物理力学指标不尽相同，相关的力学实验还应丰富。同时，与原岩边坡相比，火烧区边坡的结构特征、失稳模式及其安全性等方面均需进一步研究。综上，综合运用地质调查、力学实验和数值模拟等方法，探明了新疆煤田火烧区的赋存特点，测定了火烧区对新疆露天煤矿边坡稳定性影响研究杨文博1，2，韩猛1，2，封海洋1，2（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）摘要：为了探究火烧区对新疆露天煤矿边坡稳定性的影响，介绍了新疆煤田火烧区基本特征，采用室内实验测定了火烧区煤岩层的物理力学参数，基于数值模拟分析了边坡体的潜在失稳模式与失稳机理，引入边坡安全系数评价了边坡稳定性状态。结果表明：火烧区内煤岩层经过高温灼烧后力学强度显著劣化；边坡体的变形及最大剪应变增量均集中在火烧区内，边坡的潜在失稳模式为沿火烧区内部破坏；受火烧区影响，边坡的安全系数大幅下降、稳定性降低且滑面扩大；必要时应采取内排压脚、边坡参数优化、工程加固等增稳措施对边坡加以管控和治理。关键词：火烧区；火烧岩；失稳模式；边坡安全系数；边坡稳定性中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：员远苑员原怨愿员远（圆园23）03原园园27原园3Study on the influence of burned area on slope stability of open-pit coal mine in XinjiangYANG Wenbo1,2,HAN Meng1,2,FENG Haiyang1,2（1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China）Abstract:In order to explorethe influence of burned area on slope stability of open-pit coal mine in Xinjiang,the article introducesthe basic characteristics of the burned area in Xinjiang coalfields,andmeasures the physical and mechanical parameters of coal androck strata bylaboratory test,and analyzes the potential instability mode and mechanism of the slope based on the numericalsimulation method,and evaluates the slope stability state through the safety factor.The results show thatthe mechanical strength ofcoal and rock strata in the burned area is significantly degraded after high temperature burning.The deformation and maximumshear strain increment of the slope are concentrated in the burned area.The potential instability mode of the slope is the internalfailure along the burned area.Affected by burned area,the safety factor of the slope is greatly reduced,the stability is poor andthe sliding surface is expanded.If necessary,the stability-increasing measures such as internal dumping pressure foot,slopeparameter optimization and engineering reinforcement should be taken to control and treat the slope.Key words:burned area;fire rock;failure mode;safety factor of slope;slope stabilityDOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.007杨文博，韩猛，封海洋.火烧区对新疆露天煤矿边坡稳定性影响研究 J.露天采矿技术，2023，38（3）：27原29.YANG Wenbo,HAN Meng,FENG Haiyang.Study on the influence of burned area on slope stability of open-pit coal mine in Xinjiang 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:27原29.移动扫码阅读收稿日期：2022-员圆-圆缘责任编辑：张东旭基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFC3001901）作者简介：杨文博（1994），男，辽宁辽中人，研究实习员，硕士，2020 年毕业于太原理工大学，主要从事边坡安全与治理工作。27露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月表 1煤岩层物理力学指标图 1工程地质模型煤岩层的物理力学参数，理清了火烧区边坡的结构特征及其失稳模式，并对边坡稳定性情况进行量化分析。1新疆煤田火烧区概况1.1基本特征新疆煤田火烧区赋存范围较广，主要呈现出连片分布或带状分布12，具体分布如下：1）火烧区主要集中在塔里木盆地、吐哈盆地、准噶尔盆地和伊犁盆地等，多见于有煤层出露的位置，分布层位较浅。2）对于倾斜煤层，火烧区地表易产生裂缝。当煤层倾角较大时，地表甚至会有塌陷坑。3）经过长期高温烘烤后，火烧区岩层颜色多为砖红色、浅黄色，偶有灰白色、灰黑色，其质地松散，裂隙孔洞丰富。1.2工程概况为了进一步研究火烧区对新疆露天煤矿边坡稳定性的影响，选取新疆地区一露天煤矿作为研究对象。该矿所在区域属天山-兴安岭地层区（玉）准噶尔盆地地层分区（玉3）将军庙地层小区（玉34）和东准噶尔地层分区克拉麦里地层小区（玉43），出露地层有古生界泥盆系、石炭系、二叠系、中生界三叠系、侏罗系、白垩系、新生界第三系、第四系。火烧区主要集中在东帮与东外排土场之间，呈南北方向带状分布，面积约为0.63 km2，为露头煤自燃形成。经过地质调查及钻探取心得知，东帮地层主要由第四系砂砾石层、细砂岩、露头煤、泥岩及中粗砂岩组成。其中，第四系砂砾石层呈松散状，大孔隙，透水性极强；露头煤受自燃影响，全风化，节理裂隙极发育，煤岩成分难以辨认，呈散体结构面；覆盖在露头煤上部的细砂岩烧蚀明显，处于强风化至半风化状态，裂隙发育，呈碎裂结构面，局部为散体结构面。2火烧区煤岩层力学性质充分掌握火烧作用下煤岩层的力学性质是边坡稳定性分析的前提。为了研究火烧作用下边坡内各煤岩层物理力学参数的变化情况，经对钻探岩心进行密度实验、剪切实验、单轴压缩实验等，最终确定的煤岩层物理力学指标见表1。通过对比力学指标发现，火烧区内煤岩层经过高温灼烧后力学强度显著劣化。以细砂岩为例，最能表征材料抗剪能力的黏聚力和内摩擦角均出现不同程度的降低，其中黏聚力约降低了42%，内摩擦角降低了33%。此外，细砂岩的弹性模量降低了59%，表明其抗变形能力明显变弱。3火烧区边坡数值模拟依据地质条件概况及现有钻孔资料，建立的边坡模拟分析的工程地质模型如图1。模型长为900 m、高为27 m，从东帮地表外排土场一直延伸至内排土场，可有效分析当前边坡形势及其未来发展趋势。结合地质模型分析可知，以煤层底板为界可将边坡体一分为二，即上部火烧区和下部原岩区。原岩区岩层为层状结构，有明显倾角且倾向与边坡临空方向一致；火烧区断面呈三角形分布，火烧岩和第四系砂砾石层无明显倾角。整体上，边坡体无断层及弱面，分析可知，火烧区内煤岩层的力学强度明显弱于原岩，这种边坡体属于软弱区控制式岩体结构。以工程地质模型为基础，通过划分网格、施加侧向约束、参数赋值、计算求解等进行数值模拟分析。位移云图如图2，火烧区局部边坡位移矢量图如图3，最大剪应变增量云图如图4。由图2可知：位移变形主要集中在东帮上部火烧区，坡顶位置的位移量最大，并逐渐向深部蔓延直至煤层底板。由此反映出火烧作用大大降低了岩体岩性密度/（g cm-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（毅）弹性模量/MPa泊松比第四系火烧岩(细砂岩)细砂岩火烧变质煤煤泥岩中粗砂岩1.782.082.441.131.442.172.3019.4057.5099.6016.7028.4069.20122.1516.3525.1937.8921.1027.2028.5539.951433829411182314518650.280.230.270.240.260.320.3328露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月（下转第33页）图 4最大剪应变增量云图图 3火烧区局部边坡位移矢量图图 2位移云图的抗变形能力。由图3中可知：火烧区坡顶位移矢量的竖直分量较大，随着深度增加，这种情况逐渐转变为水平分量大于竖直分量。火烧变质煤区域的位移矢量方向主要指向坑内且与底板泥岩倾向基本一致。在实际工程中，表现为地表的沉降和边坡沿煤层底板的滑动变形。由图4可知：最大剪应力增量主要出现在东帮上部火烧区，沿着边坡内部形成了1条明显的潜在滑面。因此，东帮沿火烧岩及火烧变质煤内部破坏为边坡体的潜在失稳模式。出现此现象的原因是火烧岩及火烧变质煤的抗剪能力和抗变形能力降低，在载荷不变的情况下，应力更容易达到岩层的极限抗剪强度，从而造成边坡失稳。4火烧区边坡稳定性由前述分析可知，火烧区各煤岩层经过高温灼烧后其力学参数和岩体结构均发生显著变化。在火烧区影响下，边坡的稳定性情况仍不得而知。为定量分析火烧区边坡稳定性情况及其变化规律，选取能够表征边坡稳定程度的边坡安全系数作为评价指标。边坡安全系数定义为边坡沿滑面的抗滑力与滑动力的比值，即：F=PS（1）式中：F为边坡安全系数；P为边坡沿滑面滑动的总抗滑力，N；S为边坡下滑的总滑动力，N。考虑到边坡类型、边坡服务年限等变量，需设定不同的边坡安全系数阈值来评判边坡稳定性情况，根据 露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范 中对于边坡安全系数阈值选取的相关要求，同时结合矿区的实际情况，综合认为此处边坡的安全系数阈值定为1.2最为合理，即当F跃1.2时，表示边坡稳定性良好；当1.2逸F跃1.0时，则表示边坡处于基本稳定状态，可满足短期稳定性要求，但无法在现有工况下保持长期稳定；当F=1.0时，边坡处于临界稳定状态；当F约1.0时，边坡处于不稳定状态，随时可能发生变形滑动。在现有工程模型的基础上，利用计算机软件分别对2种不同状态下的边坡安全系数进行计算：第1种状态假设边坡整体处于原岩状态，采用原岩参数求解；第2种状态考虑火烧区的影响，代入火烧岩及火烧变质煤参数进行分析。在原岩状态下，滑坡体最易从地表剪入并以弧形滑面从煤层与泥岩交界面剪出，剪入位置距坡顶线20 m左右，此时的边坡安全系数为1.221，大于边坡的安全系数阈值1.2，即边坡稳定性良好。受火烧影响，边坡最易滑动面明显后扩，剪入位置距坡顶线42 m左右，此时的边坡安全系数仅为1.016，较原岩状态下降了约17%，小于边坡安全系数阈值，且趋近于临界值1.0，边坡处在基本稳定状态，虽然短期内能够保持稳定，但长期存在极大的失稳风险。针对火烧区边坡潜在的风险，可结合实际情况采取内排压脚、边坡参数优化、工程加固等边坡增稳措施加以管控和治理。5结语1）通过力学实验测定了火烧区煤岩层物理力学指标。对比发现，经过高温灼烧后煤岩层力学强度显著劣化，抗剪能力和抗变形能力下降明显。2）含火烧区的边坡体属于软弱区控制式岩体结构，数值模拟结果显示边坡体的变形及最大剪应变29露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月增量均集中在火烧区内，火烧区内部破坏为边坡的潜在失稳模式。3）经过不同状态下边坡稳定性的定量化分析得出，较原岩状态相比，受火烧影响的边坡安全系数大幅下降、稳定性降低且滑面扩大。4）针对火烧区边坡潜在的滑坡风险，应结合实际情况，必要时采取内排压脚、边坡参数优化、工程加固等边坡增稳措施加以管控和治理。参考文献：1 张秀山援新疆煤田火烧区特征及灭火问题探讨 J 援中国煤田地质，2004，16（1）：18-21.2 缪海宾，王建国，王振伟，等援新疆别斯库都克露天矿火烧区煤岩试验 J 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版),2013，32（12）：1618-1621.3 赵德乾，王振伟，赵雪，等援烧变岩剪切特性试验研究J 援露天采矿技术，2013（9）：5-7.4 赵德乾，王振伟，李营作，等援火烧蚀变岩和火烧高变质煤试样抗剪强度指标测定实验研究 J 援露天采矿技术，2013（7）：1-3.5 王振伟援饱和状态下火烧蚀变煤岩抗压强度评定研究J 援露天采矿技术，2013（1）：6-8.6 常文林，王振伟，李秀春援不同开采条件下露天矿火烧区边坡参数优化研究 J 援露天采矿技术，2013（2）：1-2.7 田军，李海洲，夏冬援新疆白砾滩露天煤矿烧变岩特征及边坡稳定性分析 J 援煤矿安全，2013，44（7）：223-225.8 孙玉亮援露天矿火烧区特征及边坡稳定性分析 J 援山西焦煤科技，2018，42（4）：45-49.9 田华，李新鹏，韩流，等援黑山露天矿浅部火烧区边坡稳定性研究 J 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援采矿技术，圆园圆员，圆员（远）：员源源原员源远援怨 王亚强，杨海涛，李晨，等援预裂爆破成缝宽度与线装药密度关系试验研究 允 援金属矿山，圆园圆员（苑）：愿怨原怨缘援员园 高斌援预裂爆破炮孔间距与孔径倍数关系的数值模拟与优化 阅 援包头：内蒙古科技大学，圆园圆员援员员 陈元利，付玉华，郭丽艳，等援“小构造”复杂岩石条件下掏槽爆破的试验研究 允 援矿业研究与开发，圆园圆园，源园（远）：圆猿原圆苑援员圆 夏钢源，方建国援预裂爆破在晋宁磷矿露天坑边坡的应用 允 援现代矿业，圆园圆员，猿苑（员圆）：员缘远原员缘怨援33