呂 粲 李克民 馬 力 劉 干 劉 桐

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡角度優(yōu)化

呂 粲1，2李克民1，2馬 力1，2劉 干1，2劉 桐1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

露天煤礦邊坡是構(gòu)成采礦場形狀的重要要素，合適的邊坡角度對維持露天煤礦邊坡穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。以哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡為例，分別采用數(shù)值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3種極限平衡法相結(jié)合的方法，分析了哈爾烏素南端幫邊坡在37°現(xiàn)有的條件下端幫邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)為1.341，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體，南端幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)且有進(jìn)一步提高的可能。充分結(jié)合目前南端幫平臺構(gòu)成特征并考慮端幫運輸系統(tǒng)的情況下，提出4種提高端幫邊坡角度方案，并采用有限元法和Janbu極限平衡法對4種可行方案進(jìn)行對比和穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：邊坡角度可以提高至40°，最低穩(wěn)定系數(shù)能達(dá)到1.135，可增加原煤產(chǎn)量近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，可提高經(jīng)濟(jì)效益7 382萬元。

露天煤礦 端幫邊坡 穩(wěn)定性分析 角度優(yōu)化

露天煤礦終了采礦場呈倒梯臺形狀，大型近水平露天煤礦端幫高陡，地表境界與底部境界錯落水平面內(nèi)壓賦大量煤炭資源。因此，露天礦邊坡工程是直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)安全和直接經(jīng)濟(jì)效益的重要研究內(nèi)容[1-3]，一座相對中等規(guī)模的露天礦山，若采場總體邊坡角提高1°，即可減少巖石剝離量約1 000×104m3，節(jié)省成本近億元，可獲巨大的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

為保證露天煤礦端幫邊坡長時穩(wěn)定，設(shè)計的端幫邊坡角度趨于保守，而加上端幫邊坡上設(shè)置多個保安平臺和運輸平臺，最終露天煤礦端幫邊坡角比實際能達(dá)到的邊坡角要小得多，造成大量煤炭資源浪費[5-6]。因此，有必要對生產(chǎn)露天煤礦的端幫邊坡角度進(jìn)行優(yōu)化研究，結(jié)合采場端幫運輸系統(tǒng)的布置，在保證生產(chǎn)安全的重要前提下，確定最經(jīng)濟(jì)、適宜、合理的端幫邊坡角度。

1 礦山概況

哈爾烏素露天煤礦地處鄂爾多斯高原，設(shè)計生產(chǎn)能力20 Mt/a，通過擴(kuò)能改造生產(chǎn)能力已突破30 Mt/a，是我國在建露天煤礦中規(guī)模最大的露天煤礦之一。巖層剝離采用單斗挖掘機(jī)—汽車間斷剝離工藝，剝離臺階高度15 m，采煤采用單斗挖掘機(jī)—汽車—半固定破碎站的半連續(xù)工藝，整體上工藝簡單，剝采排時空發(fā)展穩(wěn)定[7]。采剝工程于首采區(qū)沿工作線向東推進(jìn)，南北端幫已形成，并實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)排土。采場工作幫邊坡角為7°，內(nèi)排土場工作幫邊坡角為12°，南端幫邊坡角為37°，坑底寬度40 m，工作幫推進(jìn)度取340 m/a。

根據(jù)選取的南端幫典型剖面如圖1所示，獲取該端幫地段巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

巖石名稱容 重/(kN/m3)內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa彈性模量/MPa泊松比黃 土19.529.545800.30中砂巖22.731.5150161010.16砂質(zhì)泥巖24.529.525080330.24泥巖124.624.21289220.18細(xì)砂巖123.922.216233140.15泥巖225.334.41289220.18細(xì)砂巖226.422.216233140.15泥巖325.735.9170111700.30粗砂巖126.230.2210265500.27泥巖425.136.1170111700.30粗砂巖224.230.2175265500.275#煤層14.635.0185101230.29粗砂巖321.228.3175265500.276#煤層14.035.0185101230.29泥巖526.435.9153384240.10

2 南端幫邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析方法分別采用數(shù)值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3種極限平衡法相結(jié)合[8-9]，計算確定其南端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 南端幫邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.2 Slope stability calculating result

從圖2可以看出，滑面為圓弧滑動式，采用有限元與極限平衡的Fellenius、Bishop和Janbu的計算結(jié)果分別為1.38、1.357、1.467和1.341，其中Janbu法計算結(jié)果最小。從穩(wěn)定性計算結(jié)果來看，該露天煤礦南幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)取1.341，南端幫邊坡穩(wěn)定程度較高，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體。該潛在滑動面其目前較穩(wěn)定，從安全和實際應(yīng)用角度考慮，尚有進(jìn)一步提高的可能性[10]。

3 南幫邊坡角度優(yōu)化確定

為實現(xiàn)該露天煤礦南端幫邊坡角度的優(yōu)化，需調(diào)整不同端幫平臺寬度綜合確定，依據(jù)其目前南幫端幫平臺構(gòu)成及邊坡穩(wěn)定性分析，采用有限元數(shù)值模擬軟件，分析計算各種端幫平臺調(diào)整后對應(yīng)方案的穩(wěn)定性系數(shù)。為保證陡幫開采過程中邊坡穩(wěn)定，按照極限平衡法思想，以最小穩(wěn)定系數(shù)=1為調(diào)整臨界點。

3.1 南端幫邊坡角度優(yōu)化

南部端幫邊坡各平臺為坑底975 m水平、1 022 m平臺、1 060 m平臺、1 095 m平臺、1 030 m平臺，最下端幫臺階高度47 m，其他各臺階高度在35 m左右。端幫臺階的形成與工作幫臺階有關(guān)，端幫臺階高度為工作幫臺階高度的2倍左右，由相鄰2個工作臺階到界后并段形成1個端幫臺階。在目前端幫邊坡平臺構(gòu)成現(xiàn)狀的情況下，如果繼續(xù)采用預(yù)裂爆破將2個35 m臺階并段，則無法保留設(shè)于上部各平臺的運輸通道，由此而引起多水平的運輸?shù)缆穬?yōu)化問題及邊坡安全問題。

在邊坡工程中通常有凸型邊坡和凹形邊坡2種形態(tài)，根據(jù)露天煤礦邊坡地層巖性賦存特點，凸型邊坡的穩(wěn)定性要強于凹形邊坡，該礦南幫邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化中僅考慮在最下部1 022 m平臺寬度調(diào)整的邊坡角度及穩(wěn)定性變化。目前該礦1 022 m平臺寬度40.35 m，分別將平臺寬度降低至30.98 m、22.72 m、14.16 m、7.21 m時對應(yīng)的邊坡角提高至38°、39°、40°、41°，即為表2所示的4個方案。

表2 南端幫陡幫開采方案設(shè)計Table 2 Steep slope mining scheme design of south end-slope

各方案的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3。

表3 南幫陡幫開采方案邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 3 Slope stability results of steep south end-slope mining schemes

由表3可以看出，隨著底部1 022 m平臺寬度的不斷降低，端幫邊坡穩(wěn)定的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，按照J(rèn)anbu法極限平衡原理確定的穩(wěn)定性系數(shù)為幾種方案的最小值。方案一的最低穩(wěn)定系數(shù)為1.287，方案二的最低穩(wěn)定系數(shù)為1.277，2種方案的潛在危險滑動面貫穿整個端幫邊坡，破壞模式為圓弧滑動。隨著下部平臺寬度的繼續(xù)降低，方案三和方案四的最低穩(wěn)定系數(shù)分別為1.135和1.077，2種方案的危險滑動面發(fā)生在下部2個臺階內(nèi)部，邊坡容易發(fā)生局部破壞。

因南端幫為順層邊坡，為保證邊坡穩(wěn)定性安全并考慮到邊坡地層以泥巖和砂巖為主，泥巖遇水強度降低，影響整體邊坡穩(wěn)定，在方案設(shè)計時，取南幫邊坡最低安全穩(wěn)定系數(shù)為1.1。因此，從邊坡穩(wěn)定性角度考慮，哈礦南端幫靠幫開采方案可采用方案三，即將底部1 022 m平臺寬度降低26.2 m，保留14 m的安全平臺寬度。

3.2 南端幫邊坡優(yōu)化剝采量變化

通過分析各不同陡幫開采方案的邊坡角度變化引起的端幫剝采量變化，按照年推進(jìn)度340 m/a、5#煤容重1.46 t/m3、6#煤容重1.40 t/m3計算增加的煤巖量變化見表4。

表4 南幫陡幫開采方案剝采量變化Table 4 Stripping and excavating volume variation of steep south end-slope mining schemes

在該礦目前南幫邊坡角度為37°的條件下，根據(jù)其穩(wěn)定性計算，可提高至40°，可增加5#煤量2.5萬t，6#煤量41.3萬t，總計近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，邊界層剝采比僅為0.41 m3/t。取原煤價格200元/t，采煤成本24元/t，剝離成本18元/m3，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)7 382萬元。

4 結(jié) 論

(1)對哈爾烏素露天煤礦目前條件下南端幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其穩(wěn)定系數(shù)為1.341，南端幫邊坡穩(wěn)定程度較高，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體，尚有進(jìn)一步提高的可能性。

(2)經(jīng)過方案對比和穩(wěn)定性分析計算，該礦南端幫通過調(diào)整最下部平臺寬度至14 m，邊坡角度可提高至40°，最低穩(wěn)定系數(shù)能達(dá)到1.135，滿足安全要求。

(3)通過邊坡角度優(yōu)化，可增加5#煤量2.5萬t，6#煤量41.3萬t，總計近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，邊界層剝采比僅為0.41 m3/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Optimization of the South End-slope Angle of Haerwusu Surface Coal Mine

Lu Can1，2Li Kemin1，2Ma Li1，2Liu Gan1，2Liu Tong1，2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221116，China)

The end-slope is the significant factor of composing the open coal pit，and the reasonable end-slope angle has a great significance on maintaining slope stability and economic benefit.Taking the south end-slope of Haerwusu open coal pit as a case，the numerical finite element method and three ultimate equilibrium methods of Fellenius，Bishop，Janbu were adopted separately to obtain the minimum stability coefficient to be 1.341 on the basis of the slope angle at 37°.There is a potential circular slip surface throughout the entire south end-slope.Its stability is in steady state and has the potential to improve.Based on considering the south end-slope constitutive characteristic and haulage system arrangement，four schemes of improving south end-slope degree were proposed.Numerical finite element method and ultimate equilibrium method of Janbu theory were adopted to analyze slope stability of four feasible programs，the results showed that the slope angle was increased to 40°，and the minimum stability coefficient reached 1.135.By this method，more than 438 thousand ton of coal resources and 181.5 thousand m3of rock stripping volume were increased，which brings economic benefit of more than 73 820 thousand yuan.

Surface coal mine，End-slope，Stability analysis，Slope angle optimization

2014-03-03

呂 粲(1990—)，女，碩士研究生。

TD824

A

1001-1250(2014)-05-032-04