露天煤矿压帮内排端帮稳定性变化规律研究

周永利，才庆祥，周 伟，陆 翔

（1.神华准能集团有限责任公司 科学技术研究院，内蒙古 准格尔010300；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116）

保持边坡稳定性在露天煤矿煤炭开采过程中是十分重要的问题。边坡的失稳将会使边坡维护工作难度加大，滑坡事故发生后更是会导致极大的经济利益损失以及露天矿生产工作的停滞[1-7]。

对露天矿产生的剥离物进行压帮内排能够大大减少剥离物的提升高度，缩短运输距离，降低运输成本，提高矿山企业的经济效益[8-9]。露天煤矿在开采过程中为了保证作业的安全性，需要预留保护平台，使边坡角度处于一个较低的水平，当露天煤矿进行端帮残煤回收时，会对边坡底部的煤层进行开挖，从而导致端帮的暴露[6]。内排压脚法是露天煤矿为了避免端帮长时间暴露常采用的一种工艺方法，而端帮的暴露时间就决定于内排工作的跟进速度，压帮内排的快速跟进能够有效减少端帮的暴露时间，所以压帮内排是解决靠帮开采导致端帮稳定性下降这一问题的最佳解决途径[5]。可见边坡稳定性问题已成为制约露天煤矿实现高产高效作业的主要因素，为此通过力学理论分析及数值模拟计算方法对边坡稳定性进行分析，探究内排跟进过程中，端帮稳定性的变化过程[10-15]，对端帮完全靠帮结束时逐步进行内排这一过程中边坡稳定性变化展开研究。

1 压帮内排对端帮稳定性影响的作用机理

回填压脚是治理边坡问题常用的一种技术手段，对于边坡下部潜在滑动出口位于边坡坡脚位置，而且边坡临空位置空间充足、地势平坦的情况，回填压脚技术相比于其它治理措施有着明显的优势，因此在边坡治理中有着非常广泛的应用。露天煤矿利用回填压脚的方法则是直接通过将剥离物进行压帮内排，该方法能够就地取材使用剥离物，一方面减少运输距离加快了排土工作，增加了经济效益，另一方面提高了端帮稳定性[16]。

露天煤矿端帮在进行靠帮开采时往往需要内排的及时跟进以减少端帮的暴露时间，剥离物的内排能够对端帮的坡脚进行压实，避免岩体裂隙的持续发育[17]。同时内排台阶自身拥有一定的抗剪强度，当端帮开始出现下滑的趋势时，内排台阶能够阻挡潜在滑面从坡脚位置剪出，从而改变潜在滑动面的位置，以达到提高边坡稳定性的目的。内排土场压坡脚作用机理如图1。

内排土场安全系数Fs表达式为:

图1 内排土场压坡脚作用机理Fig.1 Action mechanism of pressure slope foot of inner dump

式中：p 为内排土场对端帮产生的压力；W 为潜在滑动面上部滑体的重力；C 潜在滑动面上的黏聚力；φ 为潜在滑动面上的内摩擦角；L 为潜在滑动面长度；ψ 为内排土场压力方向与潜在滑动面的夹角；β 为潜在滑动面与水平方向的夹角。

式中p（cosψ+sinψtanφ）则是由内排土场给端帮提供的抗滑作用力，提高了端帮稳定性。然而单单从二维刚体极限平衡法对内排土场进行支挡效果分析无法对内排跟进距离进行分析，仍然存在与实际不相符的地方，会使计算结果偏于保守[18]。而FLAC3D能够从三维角度考虑内排跟进时的三维支挡效应，与实际更为相近。

2 端帮边坡地质模型

通过地质条件调查发现，该煤矿内的煤系地层均无含水地层，基本不存在涌水的问题，受地下水影响较小，所以在进行边坡稳定性分析时不需对水的影响加以考虑。为了分析内排过程对边坡稳定性的影响，建立了4 个边坡模型，分别为：①模型Ⅰ：未内排，即端帮靠帮结束时的模型；②模型Ⅱ：内排压帮1/3；③模型Ⅲ：内排压帮2/3；④模型Ⅳ：内排完全压帮。其中内排台阶高度为30 m，端帮上的每个台阶高度为15 m，内排过程的边坡地质模型如图2。

图2 内排过程的边坡地质模型Fig.2 Slope geological model of the internal discharge process

3 数值模拟结果

3.1 边坡剪切应变增量状态

各个模型的剪切应变增量云图如图3。模型Ⅰ～模型Ⅲ3 个模型中岩体产生的最大剪切应变均在坡脚位置，随着内排的跟进，高剪切应变区域范围一直在向临空位置缩小、转移。坡脚剪应力集中程度越为明显，岩体剪切应变量的降低表明了岩体破坏程度的下降。模型Ⅳ中的最大剪切应变位置甚至转移到了应力水平较高边坡后方。未内排的初始模型中最大应变增量为2.48×10-2左右，当内排跟进到第2 个阶段（模型Ⅲ）时，最大应变增量9.93×10-6，可见内排压帮的进行有效减少了坡脚位置岩体的应变破坏变形。

图3 剪切应变增量云图Fig.3 Slope geological model of the internal discharge process

3.2 边坡变形状态

不同内排跟进距离下的边坡变形情况如图4。内排跟进距离为0、110、220、330 m 所对应的边坡安全系数分别为1.05、1.17、1.23、1.27。当端帮靠帮结束后，边坡安全系数为1.05，边坡几乎处于极限平衡状态，同时边坡岩体朝临空面的方向变形量也比较大，边坡最大变形量达到了33 cm。当内排跟进了110 m 时，边坡的安全系数得到了较大提高，达到了1.17，而且边坡岩体最大变形量也降到了3 mm。随着后续内排工作的跟进，边坡安全系数也在一直增加，但是边坡安全系数的增加幅度呈现出了减小的趋势。

图4 不同内排跟进距离下的边坡变形情况Fig.4 Slope deformation under different follow-up distances of the internal discharge

根据不同内排跟进距离的云图可以发现，内排的跟进对边坡岩体的变形产生了很大的影响，尤其是当端帮由未内排-内排跟进110 m 时的这一过程，边坡的最大变形位置从整个边坡底部转移到了未进行内排压帮的边坡底部位置。当内排跟进距离为220 m 时，产生大变形的范围进一步缩小，基本完全集中在了最下部2 个平盘位置。当内排跟进距离达到330 m 时，大变形的范围转移到了上部未进行压帮内排的平盘位置，也呈现出一种整体滑动的趋势，但是最大变形量相比较于未内排的情形已经有了很明显的下降。可见端帮岩体的变形范围和变形量在内排跟进过程中得到了有效的控制，内排台阶对端帮起到了非常有效的保护和阻挡作用。

为了详细地分析内排跟进时端帮变形的变化过程，在FLAC3D中对第三级平盘的坡顶线每隔30 m设置了1 个位移监测点，共12 个监测点。其中未内排模型在每个台阶上的变形量完全一致，未内排模型在第三级平盘的变形量为0.264 m，第三级平盘坡顶线监测数据（图略）。

根据监测数据可以发现，未进行内排的跟进时，通过未内排模型（模型Ⅰ）可以发现边坡的位移量很大，各个监测点数据均处在分米级，最大位移量达到了0.275 m。在内排跟进110 m 的模型（模型Ⅱ）内前5 个监测点位移值均很小，这5 个监测点均位于内排台阶上部，第10 个以及后面的监测点相比于前面监测点变形量处于一个较高的水平。内排跟进220 m 的模型（模型Ⅲ）和内排跟进330 m 的模型（模型Ⅳ）的整体变形量极小，但是也表现出了各自的变形规律，其中模型Ⅲ与模型Ⅱ的变形规律较为一致，只是在变形增加阶段的每个监测点的变形量相比较于上一个监测点较小。模型Ⅳ的最大变形位置位于边坡中部，随着与中部位置距离的增加，变形量在持续减小，位移分布形式与未内排情况一致，呈现近似的对称分布。

4 结 语

对露天煤矿靠帮结束后并进行内排压帮提高边坡稳定性这一过程进行了机理分析，提出了内排压帮后的二维边坡稳定性计算公式。通过FLAC3D软件对端帮靠帮结束后未进行内排的状态进行了稳定性分析，得到的安全系数为1.05。然后又将内排压帮过程分成3 个阶段（每次内排跟进110 m）进行了稳定性分析。当内排跟进了110 m，边坡的安全系数有了很大的提升，同时边坡的变形量也由0.264 m 降到了3 mm 左右。后期内排的继续跟进使得边坡安全系数也一直有着小幅度的增加趋势。可见在内排工作的前期，则是工作进度越快边坡稳定性的提升速度越快。根据计算结果云图可以看出内排的跟进明显的减小了端帮岩体的变形范围和变形量，内排台阶的压坡脚作用有效的增加了边坡稳定性。