季節(jié)性巖土強(qiáng)度差異下的靠幫開采及效益分析

馬忠輝，黃玉凱，陳樹召，潘朝港

（1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100013；2.神華寶日希勒能源有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021599；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

季凍土一般指冬季凍結(jié)、夏季完全融化的土，我國季凍土分布范圍廣泛，約占我國國土面積的55%[1]。在我國內(nèi)蒙古自治區(qū)的一些露天煤礦，氣候季節(jié)性分明，存在剝離作業(yè)期和剝離停產(chǎn)期，季節(jié)大致可分為夏季和冬季。分別受夏季干旱氣候和冬季嚴(yán)寒氣候的影響，邊坡巖層物理力學(xué)參數(shù)在兩季呈現(xiàn)差異，外加冬季邊坡表層凍土的影響，露天礦邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化[2-3]。露天煤礦在生產(chǎn)過程中，出于安全生產(chǎn)的目的，當(dāng)開采達(dá)到最終境界且端幫邊坡角達(dá)到設(shè)計(jì)角度時(shí)，端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)尚有一定的安全余量，邊坡角度偏小會(huì)造成部分煤炭資源被端幫壓覆無法采出?？繋烷_采是基于時(shí)效邊坡理論，通過內(nèi)排壓幫增大暴露端幫的穩(wěn)定性，提高端幫邊坡角，增加煤炭資源回收量或者減少剝離工作量的開采方式，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

煤炭的市場需求一般為冬季大、夏季小。因此，為了適應(yīng)不同季節(jié)的資源需求波動(dòng)規(guī)律，基于凍融作用下巖土強(qiáng)度理論[6]，結(jié)合冬夏兩季端幫穩(wěn)定性差異，在冬夏兩季露天礦的生產(chǎn)中分別設(shè)計(jì)不同的端幫邊坡角，在保證安全的前提下同時(shí)提高冬季的采煤量和經(jīng)濟(jì)效益。在冬季凍結(jié)期向夏季過渡的解凍期內(nèi)，凍土層逐漸發(fā)展為融化層，巖層的強(qiáng)度發(fā)生衰減，由于端幫邊坡角過高而使得端幫穩(wěn)定性系數(shù)下降，危及露天礦的安全生產(chǎn)。此時(shí)，采用增加內(nèi)排壓幫土方量的方式提高解凍期的端幫穩(wěn)定性，保障解凍期內(nèi)露天礦端幫作業(yè)的安全性。為此，以內(nèi)蒙古某露天煤礦二采區(qū)北端幫為背景，對巖土強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析結(jié)果和效益等指標(biāo)進(jìn)行量化研究。

1 凍融作用下巖土強(qiáng)度差異分析

凍土是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。它區(qū)別于融土的最本質(zhì)特征是冰的存在，通常情況下融土是由巖土顆粒、水和空氣組成的三相體系，而凍土是由巖土顆粒、水、空氣和冰組成的四相體系。即使在較低的溫度下，凍土中仍然有一部分未凍水存在。在特定溫度下，凍土在未受力時(shí)，未凍水與冰之間處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；而在受力過程中，未凍水含量會(huì)增大。Othman 和Benson 對一種正常固結(jié)土的凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融作用后土的密度增大[7]。

凍土與融土在剪切過程中，剪切面貫穿的物質(zhì)成分存在差異，融土剪切面經(jīng)過巖土顆粒、水和空氣，而凍土剪切面經(jīng)過巖土顆粒、水、空氣和冰。在巖土的凍結(jié)過程中，巖土顆粒間一部分孔隙水由于凍結(jié)作用變成冰晶，冰的密度小于水，導(dǎo)致巖土體積膨脹。凍土與融土的剪切面貫穿物質(zhì)成分細(xì)觀圖如圖1。

圖1 剪切面貫穿物質(zhì)成分細(xì)觀圖Fig.1 Microstructure of material composition across shear plane

圖1 呈現(xiàn)了由巖土顆粒以及顆?？紫堕g空氣、水和冰組成的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。由于冰晶的生成，在單位體積內(nèi)冰晶壓縮了孔隙間空氣的體積，且剪切面貫穿物質(zhì)成分中含冰量明顯上升。由此推斷凍土抗剪強(qiáng)度高于融土的原因：①冰晶強(qiáng)度高于水的強(qiáng)度，凍土中剪切面貫穿的含冰量高于融土；②冰晶的生成填補(bǔ)了孔隙間的部分空氣體積，使剪切面貫穿的空氣含量減少。

1.1 抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則，巖土的抗剪強(qiáng)度τ=σtanφ+C，其中σ 為正應(yīng)力，φ、C 分別為巖土的內(nèi)摩擦角和黏聚力。通過試驗(yàn)證實(shí)，莫爾-庫倫準(zhǔn)則依然適用凍土的強(qiáng)度[8-9]。當(dāng)考慮溫度的影響時(shí)，抗剪強(qiáng)度為：

式中：φ（T）、C（T）為溫度效應(yīng)下的內(nèi)摩擦角與黏聚力。

利用應(yīng)變控制式直剪儀與凍融箱進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試樣直徑為6.18 cm、高度為2 cm，試樣為粉末狀黃土和矸石，密度分別為1.803、2.104 t/m3。進(jìn)行4 組黃土和4 組矸石凍融作用下的直接剪切試驗(yàn)，黃土的抗剪強(qiáng)度線性回歸線如圖2，矸石與黃土的趨勢相似。

由圖2 可知，凍結(jié)狀態(tài)線性回歸線位于融化狀態(tài)線性回歸線的上方，說明抗剪強(qiáng)度的值，凍結(jié)狀態(tài)下大于融化狀態(tài)。從凍結(jié)狀態(tài)發(fā)展到融化狀態(tài)的過程中，巖土中發(fā)生水分遷移、含冰量減少和土體各種成分的重新排列組合，造成了巖土體孔隙和土骨架特征的變化，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

1.2 內(nèi)摩擦角和黏聚力變化規(guī)律

在凍融過程中，巖土結(jié)構(gòu)性的2 個(gè)要素：即巖土顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)和巖土顆粒間的聯(lián)結(jié)發(fā)生了改變。前者與內(nèi)摩擦角φ 密切相關(guān)，而后者對黏聚力C 影響更顯著。

依次按照抗剪強(qiáng)度線性回歸線，計(jì)算求得各組巖土的內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力C。凍融作用下黃土和矸石的內(nèi)摩擦角和黏聚力的分析曲線如圖3 和圖4。

圖2 黃土凍結(jié)-融化抗剪強(qiáng)度線性回歸線Fig.2 Linear regression line of freeze-melt shear strength of loess

圖3 凍結(jié)-融化內(nèi)摩擦角曲線Fig.3 Internal friction angle curves of freeze-melt

圖4 凍結(jié)-融化黏聚力曲線Fig.4 Cohesion curves of freeze-melt

由圖3 可知，根據(jù)黃土和矸石凍結(jié)-融化內(nèi)摩擦角曲線，2 種巖性情況下，凍結(jié)狀態(tài)內(nèi)摩擦角曲線位于融化狀態(tài)內(nèi)摩擦角曲線的下方，說明內(nèi)摩擦角的值，凍結(jié)狀態(tài)下小于融化狀態(tài)。由圖4 可知，根據(jù)黃土和矸石凍結(jié)-融化黏聚力曲線，2 種巖性情況下，凍結(jié)狀態(tài)黏聚力曲線位于融化狀態(tài)黏聚力曲線的上方，說明黏聚力的值，凍結(jié)狀態(tài)下大于融化狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，巖土從凍結(jié)狀態(tài)發(fā)展到融化狀態(tài)的過程中，內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力C 的變化趨勢相反，即φ 增大，而C 減小。2 個(gè)參數(shù)在凍融作用下有如此變化趨勢的原因?yàn)椋簝?nèi)摩擦角的增大是由于凍融過程中大孔隙所占的比例下降，巖土顆粒間的接觸點(diǎn)增多有利于摩擦力的發(fā)揮；而黏聚力的降低則是由于冰晶的生長破壞了巖土顆粒間聯(lián)結(jié)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)弱化。

2 季節(jié)性端幫穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性的判定依據(jù)是抗滑力與下滑力或者抗滑力矩與下滑力矩的比值，并將其與1.0 進(jìn)行比較來判斷穩(wěn)定性系數(shù)是否達(dá)標(biāo)。在基于時(shí)效邊坡理論的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中，端幫屬于臨時(shí)性邊坡，穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)滿足1.10。

某露天礦北端幫剖面地層巖性自上而下依次是：黏土、砂礫巖、1-2 煤、砂泥互層、2-1 煤、砂巖、3煤和砂巖。運(yùn)用Geo-Slope 穩(wěn)定性分析軟件，采用Morgenstern-Price 法，分別計(jì)算冬夏兩季的北端幫穩(wěn)定性系數(shù)，確定安全、經(jīng)濟(jì)的端幫邊坡角[10-11]。

2.1 模型與參數(shù)

在該露天煤礦，每年的10 月下旬到來年的4 月上旬，裸露在外的表土?xí)纬杉竟?jié)性凍土，這一時(shí)期為露天礦的凍結(jié)期。凍結(jié)期持續(xù)時(shí)間大約為6 個(gè)月，凍土層厚度大約為3.0 m。

進(jìn)行靠幫開采內(nèi)排壓幫時(shí)，內(nèi)排壓幫臺(tái)階的高度一般為正常工作幫臺(tái)階高度的2～3 倍，現(xiàn)采用條分式靠幫開采[12-13]，壓端幫底腳的臺(tái)階寬度取40 m，并用與端幫底腳高度相同的內(nèi)排臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn)壓幫，臺(tái)階高度為24 m。構(gòu)建的端幫穩(wěn)定性分析模型如圖5。

圖5 端幫穩(wěn)定性分析模型Fig.5 Stability analysis model of end-slope

如圖5，冬季模型相對于夏季模型，主要區(qū)別在于端幫邊坡夏季3 m 厚的表土層發(fā)展為冬季的凍土層。根據(jù)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，所需地層的物理力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)測得，夏季端幫地層物理力學(xué)參數(shù)見表1,冬季端幫地層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 夏季端幫地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of end-slope in summer

表2 冬季端幫地層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of end-slope in winter

2.2 季節(jié)性端幫穩(wěn)定性

由選取方案及穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算得: ①夏季端幫在邊坡角為23°、28°、34°、38°、39°、40°時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)FsX分別為1.701、1.453、1.235、1.135、1.102、1.079；②冬季端幫在邊坡角為23°、28°、34°、38°、39°、40°、41°、42°時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)FsD分別為1.804、1.587、1.316、1.217、1.185、1.167、1.149、1.088。

夏季端幫在39°、40°時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.102、1.079，冬季端幫在41°、42°時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.149、1.088，因此滿足端幫穩(wěn)定性系數(shù)大于1.10時(shí)，確定的端幫邊坡角夏季為39°，冬季為41°。季節(jié)性端幫穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果見表3。

由表3 可知，隨著端幫邊坡角增大，冬夏兩季的端幫穩(wěn)定性系數(shù)都出現(xiàn)明顯下降，不利于端幫的生產(chǎn)安全。端幫邊坡角從23°增大到39°，夏季端幫穩(wěn)定性系數(shù)Fs從1.701 下降到1.102，下降幅度為35.21%，單位角度穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度Xd為2.20%；相同角度時(shí)，冬季相對于夏季，端幫穩(wěn)定性系數(shù)增大，冬季端幫穩(wěn)定性更好。根據(jù)季節(jié)性端幫穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果，不同角度時(shí)冬季端幫相對于夏季端幫穩(wěn)定性系數(shù)強(qiáng)化幅度都在6.06%以上，平均強(qiáng)化幅度Qp達(dá)到7.34%，說明在合理的端幫邊坡角范圍內(nèi)，穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求時(shí)，季節(jié)性靠幫開采方案可行。

表3 季節(jié)性端幫穩(wěn)定性系數(shù)分析結(jié)果Table 3 Analysis results of stability coefficients of seasonal end-slope

一般的，當(dāng)夏季的端幫邊坡角從a 提高到b 時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)Fs從m 下降到n，單位角度穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度為2.20%，而冬季端幫在邊坡角為b 時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為k（k＞n，因?yàn)镕sD＞FsX）,冬季端幫相對于夏季端幫穩(wěn)定性系數(shù)平均強(qiáng)化幅度達(dá)到7.34%，因此季節(jié)性穩(wěn)定性系數(shù)平均強(qiáng)化幅度Qp大于單位角度穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度Xd；若穩(wěn)定性系數(shù)Fs＞1.10且n＜1.10，k＞1.10，則穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求，說明靠幫開采將端幫邊坡角從夏季的a 提高到冬季的b 是可行的，而季節(jié)性靠幫開采方案最終確定的冬季端幫最大安全角度c，則有可能大于b。

在該實(shí)例中，滿足上述結(jié)果時(shí)，a=39°，b=40°，c=41°。因此當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求時(shí)，季節(jié)性靠幫開采方案可將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°。

3 季節(jié)性靠幫開采效益及安全保障措施

基于靠幫開采和內(nèi)排壓幫技術(shù)，進(jìn)行北端幫季節(jié)性靠幫開采效益分析，并提出過渡期端幫安全控制措施。

3.1 靠幫開采經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)需要，靠幫開采有2 種方式：①深部境界固定，地表境界內(nèi)縮，該方式主要是為了減少端幫的剝離量；②地表境界固定，深部境界外擴(kuò)，該方式主要是為了增加端幫煤炭的回收量。

為了增加煤炭資源的采出量，提高經(jīng)濟(jì)效益，采用靠幫開采的第②種方式，將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°，季節(jié)性靠幫開采示意圖如圖6。

圖6 季節(jié)性靠幫開采示意圖Fig.6 Sketch map of seasonal steep mining

該露天煤礦年工作日天數(shù)取300 d，年推進(jìn)距離為300 m；靠幫開采時(shí)間為凍結(jié)期和解凍期內(nèi)工作日天數(shù)之和取163 d；剝離單位成本取6 元/m3；采煤單位成本取8 元/m3；原煤售價(jià)取100 元/t；原煤密度取1.15 t/m3。北端幫季節(jié)性靠幫開采的剝離成本約為100.63 萬元，采煤成本約為56.42 萬元，采出原煤的銷售收入約為811.10 萬元；因此，季節(jié)性靠幫開采經(jīng)濟(jì)效益為654.05 萬元。由此可見，季節(jié)性靠幫開采產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

3.2 過渡期端幫安全保障措施

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)繪制的該露天煤礦的月氣溫變化曲線如圖7。

圖7 月氣溫變化曲線Fig.7 Monthly temperature change curves

由圖7 可知，冬季氣溫大約是從4 月中旬達(dá)到0 ℃以上，此時(shí)凍結(jié)期結(jié)束、解凍期開始，5 月時(shí)日均氣溫范圍為3～18 ℃，大致可以認(rèn)為5 月初解凍期結(jié)束，因此解凍期持續(xù)時(shí)間大約為0.5 個(gè)月。解凍期內(nèi)原本裸露在外的凍土層發(fā)展為融化層。融化層巖體含水率增加，密度增大，物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。融化層穩(wěn)定性計(jì)算指標(biāo)為：①巖性：表層巖土混合體；②厚度：3.0 m；③黏聚力：20 kPa；④內(nèi)摩擦角：30°；⑤密度：2.05 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，解凍期內(nèi)端幫保持在41°時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)為1.036，較冬季的穩(wěn)定性系數(shù)1.149 有明顯下降，不再滿足端幫穩(wěn)定性系數(shù)1.10 的要求。為了增強(qiáng)解凍期的端幫穩(wěn)定性，保障端幫的安全，采用增加內(nèi)排壓幫土方量的方式，提高解凍期的端幫穩(wěn)定性系數(shù)。解凍期內(nèi)排壓幫土方量的增加值△V 如圖8。

圖8 解凍期端幫安全保障措施Fig.8 Safety control measures during thawing time

以5 m 為單位依次增加內(nèi)排壓幫臺(tái)階的寬度，經(jīng)過穩(wěn)定性計(jì)算，內(nèi)排壓幫臺(tái)階寬度為50 m 時(shí)的端幫穩(wěn)定性系數(shù)為1.105，滿足穩(wěn)定性系數(shù)1.10 的要求。因此，解凍期內(nèi)滿足端幫穩(wěn)定性要求的內(nèi)排壓幫臺(tái)階尺寸為：臺(tái)階高度24 m，臺(tái)階寬度50 m。

解凍期增加的內(nèi)排壓幫土方量：

式中：△V 為增加的內(nèi)排壓幫土方量，m3；S0為增加的內(nèi)排壓幫面積，m2；v 為工作面推進(jìn)速度，m/d；t0為解凍期持續(xù)時(shí)間，d。

t0取15 d，計(jì)算出內(nèi)排壓幫土方量為3 600 m3。

解凍期內(nèi)利用增加土方量的方式進(jìn)行內(nèi)排壓幫，經(jīng)濟(jì)性合理；保障了端幫在靠幫開采時(shí)的安全性，具有良好的經(jīng)濟(jì)與安全效益。

4 結(jié) 語

1）綜合季凍土強(qiáng)度理論以及黃土于矸石的直接剪切試驗(yàn)，表明凍融作用下抗剪強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角增大，黏聚力降低。

2）基于凍融作用下巖土強(qiáng)度的差異性，對季節(jié)性端幫穩(wěn)定性進(jìn)行分析。隨著邊坡角的增大，夏季端幫單位角度穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度Xd為2.20%；當(dāng)端幫保持相同的邊坡角時(shí)，計(jì)算得到的冬夏兩季的端幫穩(wěn)定性系數(shù)Fs不同，冬季相較于夏季強(qiáng)化幅度在6.06%以上，平均強(qiáng)化幅度Qp達(dá)到7.34%，在合理的端幫邊坡角范圍內(nèi)，穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求時(shí)，季節(jié)性靠幫開采方案可行。

3）由于凍結(jié)期內(nèi)存在凍土層以及季節(jié)性巖土物理力學(xué)性質(zhì)變化，季節(jié)性靠幫開采方案可將端幫邊坡角從夏季的39°提高到冬季的41°，提高煤炭回收量8.11 萬t，增加經(jīng)濟(jì)效益654.05 萬元；利用增加內(nèi)排壓幫土方量3 600 m3的方式，作為過渡期端幫安全保障措施，端幫穩(wěn)定性系數(shù)從1.036 提高到1.105，滿足規(guī)范要求。