露天矿排土场—端壁复合边坡浅埋煤层自燃致灾机制及其对边坡稳定性的影响与防控研究

《Scientific Reports》：Numerical analysis of coal seam spontaneous combustion effects and preventive berm design for composite slope stability in arid open-pit mines

　　

摘要

本研究探讨了露天矿排土场 - 端壁复合边坡坡脚处浅埋煤层的自燃问题及其对边坡稳定性的影响。本研究采用结合理论分析、数值模拟和现场调查的综合方法，以识别煤层火灾引发机制，评估其对边坡稳定性的影响，并制定基于机制的预防策略。结果显示，应力重分布、剪切变形、裂隙演化和氧气迁移共同控制着复合边坡中煤层火灾的引发。废石排土场与端壁边坡之间的相互作用在坡脚内部引起显著的剪切应力集中和变形，促进了裂隙的扩展和贯通。在炎热干燥条件下，由此形成的裂隙网络提供了氧气通道，使得浅埋煤层在没有直接出露的情况下也能发生自燃。煤炭燃烧通过耦合的热 - 力学劣化进一步降低了边坡稳定性，使安全系数从 1.668 降至 1.560。本研究开发了一种反压马道策略，以调节坡脚应力条件，抑制裂隙连通性，并切断氧气传输通道，将安全系数从无马道的初始值 1.668 提高至 1.758。研究结果为复合边坡系统中煤层火灾隐患的评估和主动预防提供了地质力学基础。