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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 露天煤矿压帮内排端帮稳定性变化规律研究 周永利 1， 才庆祥2， 周 伟 2， 陆 翔 2 （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） 摘要 通过理论分析结合数值模拟的手段， 对国内某露天煤矿端帮靠帮开采结束后逐步进行 内排压帮这一过程进行了边坡稳定性分析。首先从二维角度建立了内排压帮的理论模型， 同时 推导出了内排压帮后边坡安全系数的计算公式， 阐述了这一过程中边坡安全性提高的机理。然 后使用 FLAC3D数值模拟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，同时将 内排压帮过程分成 3 个阶段进行了稳定性分析。根据模拟结果发现内排的跟进明显的减小了端 帮岩体的剪切应变增量， 同时岩体的变形范围和变形量也明显缩小。压帮内排能够使边坡安全 性得到有效的提升。而且内排工作的前期， 对端帮稳定性的增加效果最为明显。 关键词 露天煤矿； 内排土场； 数值模拟； 边坡稳定性； 时效边坡 中图分类号 TD824.7文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0285-04 Study on Slope Stability Change Law of Inner Dump Covering End-slope in Open-pit Coal Mine ZHOU Yongli1, CAI Qingxiang2, ZHOU Wei2, LU Xiang2 （1.Science and Technology Research Institute, Shenhua Group Junggar Engergy Co., Ltd., Junggar 010300, China; 2.School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China） Abstract This paper analyzes the slope stability of inner dump covering end-slope after the end-slope mining of a domestic open -pit coal mine by means of theoretical analysis and numerical simulation. Firstly, the theoretical model of inner dump covering end-slope is established from two-dimensional view point. At the same time, the calculation ula of slope safety factor after inner dump covering end-slope is given, and the mechanism of slope safety improvement in this process is expounded. Then the numerical analysis software FLAC3Dis used to analyze the stability of the end-slope without inner dump after the end-slope mining, and the process of inner dump covering end-slope is divided into three stages. According to the simulation results, the follow-up of the inner dump obviously reduces the shear strain increment of end-slope rock, and the deation range and amount of rock also obviously reduce. Therefore, the inner dump can effectively improve the slope safety. Especially, in the early stage of the inner discharge work, the effect of increasing the stability of the end-slope is the best. Key words open-pit mine; inner dump; numerical simulation; slope stability; timeliness slope 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， DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.049 周永利， 才庆祥， 周伟， 等.露天煤矿压帮内排端帮稳定性变化规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 285-288. ZHOU Yongli, CAI Qingxiang, ZHOU Wei, et al. Study on Slope Stability Change Law of Inner Dump Cov－ ering End-slope in Open-pit Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 285-288.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0501103） ； 国家 自然科学基金面上资助项目 （51774271， 51574222） 285 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1内排土场压坡脚作用机理 Fig.1Action mechanism of pressure slope foot of inner dump 图 2内排过程的边坡地质模型 Fig.2Slope geological model of the internal discharge process 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 Fs p cosψsinψtan “ φ CL-Wcosβtanφ Wsinβ 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 （cosψsinψtanφ） 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。 286 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4不同内排跟进距离下的边坡变形情况 Fig.4Slope deation under different follow-up distances of the internal discharge 图 3剪切应变增量云图 Fig.3Slope 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Ⅲ 3 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 2.4810-2左右， 当内排跟进到 第 2 个阶段 （模型Ⅲ） 时， 最大应变增量 9.9310-6， 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。 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。 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 287 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 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。 参考文献 ［1］ 刘国鸿.基于 FlAC3D强度折减法的露天煤矿边坡稳定 性分析 ［J］ .露天采矿技术， 2015 （2） 7-9. ［2］ 张忠超.端帮开挖影响下沿帮排土场边坡稳定性研究 ［D］ .北京 煤炭科学研究总院， 2017. ［3］ 马金龙.矿山边坡滑坡分析及治理技术 ［J］ .世界有色 金属， 2019 （13） 223-225. ［4］ 葛勇勇， 张红兵， 赵洪宝， 等.井工开采对露天矿边帮 稳定性影响研究 ［J］ .金属矿山， 2013， 42 （2） 32-35. ［5］ 韩流， 舒继森， 马燕燕， 等.基于稳定性分析的靠帮开 采不动境界研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2012 （3） 14. ［6］ 陈涛.滑坡引发的次生与衍生灾害危险性评估研究 ［D］ .宁波 宁波大学， 2012. ［7］ 周鹭.露天矿边坡大型滑坡地质的综合治理措施 ［J］ . 世界有色金属， 2018 （22） 110-110. ［8］ 蔡光琪， 傅新华， 赵登娟.平朔东露天矿半压帮内排开 采程序研究 ［J］ .露天采矿技术， 2016 （11） 1-6. ［9］ 吴榕真， 尚涛， 韩流， 等.准东煤矿靠帮开采南端帮稳 定性动态分析 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （1） 239-241. ［10］ 唐文亮， 彭洪阁， 马力， 等.露天矿内排土场滑坡成因 及治理措施研究 ［J］ .煤炭技术， 2016， 35 （8） 166. ［11］ 刘生纬， 赵建昌， 张家玮.解析法和有限元法在高边 坡稳定性分析中的应用 ［J］ .兰州交通大学学报， 2017， 36 （6） 96-100. ［12］ 张天文， 才庆祥， 李鹏越， 等.极限平衡与有限元法用 于边坡稳定性分析的对比 ［J］ .化工矿物与加工， 2016， 45 （7） 46-48. ［13］ 史秀志， 陈小康， 曾志林， 等.极限平衡法与 FLAC3D 在边坡稳定分析中的应用对比 ［J］ .现代矿业， 2009， 25 （3） 34-36. ［14］ 张元杰. 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