露天采场边坡下空区群稳定性分析和治理

露天采场边坡下空区群稳定性分析和治理

崔玥

晋能控股煤业集团潞新公司露天煤矿  839003

摘要：为研究某露天矿南部空区对上部边坡的影响，利用Ansys进行数值计算，并采用强度折减法得到边坡安全系数和相应破坏类型，最后提出“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”综合治理方案。研究结果表明：治理前部分空区存在局部应力集中，采用综合治理方案后2#煤层和边坡坡角拉应力分布范围和拉应力值减小，12个月后边坡位移量趋于稳定。

关键词：空区群；边坡稳定；Ansys数值模拟；强度折减法；防治措施

随着露天开采计划的推进，可能导致空区上部边坡垮塌或者滑坡，为此需对南部该部分空区群对南部边坡稳定性影响进行研究，以确保矿山安全生产。空区群对边坡稳定性影响常用的研究方法包括极限平衡理论分析、数值模拟和相似实验，本文基于ansys软件对南部盘曲进行数值模拟计算，并结合强度折减理论对边坡安全系数进行计算，最后根据模拟结果为空区治理提供相应建议。

1建立有限元模型

经由CAD to Ansys插件生成命令流，而后更改命令流获得高程点三维坐标，将所得高程点导入Surfer更改不合理高程点，获得矿区地表三维模型导出。将所得曲面同Bigmap中矿区地形进行比较，并同技术员交流，确认无误后导出修改后的高程点，再导入Rhino生成曲面模型，并根据需求裁剪边界，导出为igs文件格式。最后利用Ansys软件导入igs文件，生成地表三维曲面模型。

图1 地表三维曲面建模过程

2稳定性数值计算及结果分析

2.1 模拟结果分析

2.1.1 拉应力分析

某露天矿南部边坡下2#煤层和5#煤层各采空区拉应力分布图如图2所示，由图2(a)可知，2-3采空区东面围岩转角处存在应力集中现象，而底板受5#煤层和同水平煤层开采的影响，岩体存在一定的拉应力，最大拉应力为0.28MPa；2-1和2-2采空区由于空区面积和跨度较小、采场较为规则，因而应力集中现象相对较弱，采空区稳定性较好。5-2、5-3和5-4三个采空区转角处应力集中现象较为显著，与2#煤层不同之处在于该煤层所在水平下方无开采扰动，即下层岩体应力重新分布情况不明显，因而5#煤层围岩相较于2#煤层拉应力分布范围减小。根据两个煤层空区拉应力分布图可知，现7个采空区较为稳定，但有部分应力集中现象较为显著，2#煤层拉应力分布范围较大，坡角处拉应力值较大，随着露天开采境界降低，边坡存在一定滑坡危险。

2.1.2 等效体应力分析

某露天矿南部边坡下2#煤层3个采空区各处压应力值较小，但2-3采空区东侧转角处的压应力较大，约为12.3MPa，2-1和2-2采空区由于两者相距较近，在采动应力场的叠加影响下，2-1和2-2采空区相邻处应力值为7.69MPa。5#煤层5-1采空区南侧转角处围岩应力集中现象较为显著，这是受2#煤层2-1采空区影响，该处最大压应力为13.8MPa，其余采空区应力分布较为均匀，且围岩受相邻空区间采动应力场叠加影响较弱。7个采空区的压应力值较小，边坡坡角处无应力集中现象。

2.2 边坡安全系数计算

为得到南部边坡安全系数，采用式(1)和式(2)对边坡粘聚力和内摩擦角进行强度折减计算，工具软件为Ansys，当边坡失稳时折减系数即为安全系数Fs，公式如下：

                          (1)

                    (2)

式中，c`和φ`为折减后的抗剪强度指标；Fsr为每次计算的折减系数。

边坡稳定性研究过程中折减系数依次设为1.0、1.1、1.2...1.5，通过式(1)和式(2)对内聚力c和内摩擦角φ进行折减计算，将所得值结合表1中的材料参数赋予建立的几何模型，划分网格、数值计算过程与本文第二部分相同，结合3.1.1节中拉应力分布情况，本文针对某露天矿南部边坡稳定性研究过程中以坡脚水平位移陡增为判据。经多次数值计算，南部边坡安全性系数为1.2，当折减系数Fsr=1.3时，边坡出现张裂缝—圆弧型滑面，贯通2-2、5-3采空区。

3 空区及边坡治理

3.1 空区及边坡治理方案

由于井工开采工艺转露天开采后封闭，且井下部分采空区积水严重，结合空区距离边坡较近等赋存特点，设计采用“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”的综合治理方案。将采空区至地表的上覆岩土体崩落，并采用铲运机将坡顶处的岩土对采坑进行修整，形成3个+15m的台阶，平台宽度30m，台阶边坡角15°，既可彻底消除采空区安全隐患，又可通过降低边坡角进一步提高边坡安全系数。

边坡坡脚采用全球定位系统（GPS）测量法，平时采用人工简易监测，以巡查为主，主要查看坡体上裂缝等发育、变化情况。由于边坡西南侧岩溶发育，受降水影响较大，因而在坡顶设置截水沟，加强地表水疏排，减小地表水渗透。

3.2 治理效果

经采空区顶板崩落、修整采坑并形成3个台阶后，边坡拉应力主要分布在边坡上部，拉应力分布范围减小明显，且拉应力值由0.28MPa降至0.019MPa，可有效提高边坡的稳定性。

边坡各测点位移变化趋势如图5所示，边坡在施工后前10个月位移变化较大，边坡初始移动较大的原因为边坡爆破和施工扰动较大导致应力重新分布，且填埋岩土在自重应力场作用下逐步压实。后6个月整体位移趋势逐渐趋于稳定，且根据现场调查发现，边坡无明显隆起、变形特征，发生滑坡可能性较小。

4 结论

(1) 基于数值模拟结果，现各个空区和边坡较为稳定，但2-3、5-2、5-3、5-4四个空区应力集中现象较为显著，且2#煤层及其下部岩体和坡角处拉应力值较大，最大拉应力为0.28MPa；

(2) 2#煤层3个采空区各处压应力值较小，2-1和2-2采空区在采动应力场的叠加影响下应力值为7.69MPa，5#煤层5-1采空区受2-1采空区影响，其南侧转角处围岩最大压应力为13.8MPa，其余采空区应力分布较为均匀，且围岩受相邻空区间采动应力场叠加影响较弱；

(3) 采用强度折减法得到边坡安全系数Fs=1.2，失稳形式为张裂缝—圆弧型失稳；

(4) 提出“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”的综合治理方案，有效减小了边坡拉应力分布范围，且应力值降至0.019MPa，边坡位移量逐渐趋于稳定。

作者简介：崔玥，1987年8月，男，汉族，河北乐亭人。