某露天煤矿抛掷爆破及煤层开挖对边坡稳定性的影响

陈 寿 汪日生 郭飞高 刘建国

(葛洲坝易普力四川爆破工程有限公司)

露天矿边坡稳定性对于矿山安全高效生产影响较大，目前，主要采用极限平衡法和岩土数值模拟方法进行边坡稳定性评价[1]。随着研究的不断深入，根据不同的地质条件状况，极限平衡法可进一步分为简布法、毕肖普法、瑞典条分法、斯宾赛法、不平衡推力传递法、摩根斯坦-普拉斯法、萨尔玛法等[2-3]。在岩土工程领域常用的数值模拟方法主要有有限元极限法[4-6]、离散元法[7]、快速拉格朗日分析法[8]、边界元法[9]、块体系统不连续变形分析法[10]、数值流形方法[11]等。我国西北地区某露天煤矿在抛掷爆破和拉斗铲倒堆开挖过程中，实体高台阶曾发生多次滑坡，严重威胁着台阶上方钻机及台阶下方采煤机械和人员安全。为确保该矿安全生产，本研究采用Geo-studio和FLAC3D软件分别对爆破振动、煤层开挖因素影响下的边坡稳定性进行分析，为实体高台阶实时监控预警及滑坡快速治理提供理论依据。

1 工程概况

本研究矿区抛掷爆破的实体高台阶主要由岩层和煤层组成。煤层为主采的6#复合煤层，该煤层属于层状构造，其结构主要呈现为线理状和条带状。该煤层平均厚度为28.8 m，整体埋藏十分平缓，倾角为3°～5°，煤层硬度、韧性、密度普遍较大，脆性稍差。6#煤层以上的岩石台阶主要为黏土岩、泥岩、砂泥岩，岩层高度为38～42 m，属于坚硬—半坚硬岩石，普氏硬度系数为3.4～6.0。当前岩石台阶的设计倾角为65°，煤层边坡设计倾角为75°，岩石高台阶长约2 200 m，煤层开采工作分为东西两区，工作面长度均为1 000 m左右。本研究以东区为例，依据《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2015)和《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)，并结合该矿抛掷爆破实体高台阶的存在期较短(1～2个月)的特征，确定实体高台阶边坡的储备安全系数为1.2。根据矿区地质资料并结合现场取样，在实验室测得的煤岩体的物理力学参数见表1。

表1 矿区煤岩体物理力学参数

2 爆破振动影响下边坡稳定性分析

2.1 西区爆破振动影响分析

2.1.1 模型构建

本研究运用基于极限平衡法的Geo-studio软件中QUAKE/W动力有限元模块根据西区的实际情况构建了如图1所示的模型。模型上覆岩层台阶高44 m，坡面倾角65°，中部煤层厚28 m，坡面倾角75°，下部基岩主要为厚72 m的泥岩。整个模型基底长300 m，高144 m。

图1 台阶剖面模型

2.1.2 计算结果分析

由Geo-studio软件自带的地震波模拟现场爆破振动产生的震动波，在西区初始模型的基础上导入了历时10 s的地震波(图2)。地震波传播至边坡的瞬间，边坡向自由面发生了剧烈晃动。软件默认以0.02 s作为时间步长记录地震波对边坡的影响，故10 s的震动共计500步，按每20个时间步长保存一次记录。在初始应力模型的基础上再次添加边坡稳定性分析模块，基于摩尔-库伦理论得到的安全系数为1.15[12]，相应的安全储备系数为1.2，但无法认定边坡会一定发生破坏。

图2 振动过程中的地震波谱

受地震波的影响，边坡的安全系数变化较大，由图3(a)可知，安全系数在爆破振动过程中剧烈变化，多次降至1.0以下，因此在分析边坡受振动影响时是否会发生坍塌，应侧重于分析爆破振动过程中的边坡位移量。图3(b)显示在持续10 s的振动过程中，实体高台阶边坡受爆破振动影响产生的永久性位移量约为0.27 m，如此大的位移较易诱发边坡在原本不稳定的破坏面处发生滑坡。由此可见，爆破振动对边坡岩层的破坏较大，是影响边坡稳定性的关键因素，因此，在爆破作业后应认真确定边坡的稳定性。

图3 爆破振动过程中安全系数及位移随时间的变化特征

2.2 不同爆破强度下的边坡稳定性

爆破设计选取的参数不同，产生的爆破振动强度也不同。为研究不同振动强度对边坡稳定性的影响，本研究设定了4组不同振动强度参数(表2)，在重力场下考虑爆破振动的影响，运用Geo-studio软件的QUAKE/W模块，采用摩根斯顿-普赖斯法分析了不同振动强度下的边坡稳定性，得到的安全系数如表2所示。

表2 振动强度参数设定

由表2可知：随着爆破振动强度增大，边坡安全系数趋于减小。数值模拟表明：质点振动加速度超过0.2 g时，边坡安全系数基本小于1.0，根据《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2015)，安全系数小于1.0的实体高台阶边坡发生破坏的可能极大。在4种不同振动强度作用下，边坡产生的位移量如图4所示。分析图4可知：当质点的振动加速度a超过0.1 g时，位移大幅高于0.16 m；当a达到0.4 g时，产生的位移量达到1.02 m，产生的位移极大，易导致边坡产生较大裂缝，在进一步受到降雨、下方煤层开挖扰动的影响后，边坡极易发生变形破坏。可从降低炸药量、采用微差爆破、改变装药结构、设置人为减振带、控制爆破频率减少位移累积等方面采取相关措施，来降低爆破振动危害。

图4 振动过程中的边坡累计位移

3 开挖扰动下边坡稳定性分析

3.1 模型构建

仍以西区为例，运用基于数值模拟法的FLAC3D软件构建了数值模型进行边坡稳定性分析。模型剖面长250 m，采煤工作面长400 m，模型高144 m，以Z方向-72 m处为模型的底边界，沿X正方向开挖，最终形成的模型单元数为95 040个，节点数 102 060个(图5)。

图5 三维FLAC3D计算模型

3.2 模拟结果分析

本研究采用开挖上覆岩层的方式来模拟拉斗铲倒堆作业的过程。数值模拟表明：随着岩层逐步开挖，经历不断卸载、应力释放、自由变形等一系列过程后，在坡面附近的岩体内会发生应力重新分布(图6)。分析图6可知：台阶上方位移矢量向下表现为沉降，中部位移矢量几乎与坡面平行表现为剪切，开挖位置位移矢量向上表现为剪出，开挖后坡底出现剪切破坏，但整体上边坡仍处于稳定状态。根据工作面日采煤进度以及模型尺寸，进行了开挖煤层模拟，每次开挖前进20 m，整个模型开挖分20步完成，最终最大不平衡力逐渐收敛，模型趋于平衡状态。

图6 上覆岩层开挖后塑形区分布

由于煤层开挖次数较多，故本研究选取开挖第1、10，19步进行了分析。结果表明：边坡开挖引起地应力释放，开挖周围坡体会产生卸载回弹变形，坡体向自由面移动，并且随着时间积累变形范围逐渐扩大；在坡体临空面处，尤其是坡脚位置，易形成剪应力增高区域，向坡体内部逐渐减弱；卸载过程中应力释放量最大的位置位于开挖面周围，从模型侧面来看，坡体由上至下依次呈沉降、剪切、剪出状态，整体易形成圆弧形剪切破坏。

开挖卸载使地层特别是开挖后的部分煤岩层隆起现象较明显，煤层在开挖过程中，基底岩层隆起的程度呈先增大后逐渐减小的趋势，在开挖至中间位置时隆起程度达到最大。上覆岩层开挖后，煤层隆起量达222.6 mm，煤层全部开挖完毕后，基岩隆起量为233.5 mm，本研究模拟开挖后的位移变化特征基本符合实际情况。本研究数值模拟得出的边坡安全系数为1.18，表明在开挖过程中，边坡勉强能够维持稳定状态，但经过爆破振动和开挖的复合作用后，边坡安全系数将大大降低，极易造成滑坡或大面积垮落。

4 结 语

以我国西北地区的某露天煤矿为例，针对该矿在抛掷爆破及煤层开挖过程中高台阶、大坡角边坡严重影响了矿山安全生产的实际情况，分别运用极限平衡法与数值模拟法计算出了实体高台阶在爆破振动、煤层开挖影响下的安全系数。研究表明：抛掷爆破实体高台阶边坡稳定性较为脆弱，生产过程中可通过优化边坡几何参数、爆破工艺与网络以及开挖顺序，并配以雷达监测预警系统来确保矿区安全高效作业。

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