駱大軍，陸 翔，韓 流

（1.云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661601；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

布沼壩露天礦南幫降段可行性研究

駱大軍1，陸 翔2，韓 流2

（1.云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661601；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

為確保礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，有效控制西幫滑坡體清幫減載及資源回收期間剝采比及露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)，分析了布沼壩露天礦降段的必要性，對(duì)比確定了降段位置，對(duì)最終降段位置（南幫）降段過(guò)程中西幫安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

露天礦；降段；壓腳體；穩(wěn)定性分析

Abstract:To ensuremine output and economic benefits and effectively control the landslide body load reduction of west slope and stripping ratio during resource recycling and open-pitmine productivity continue,this article analyzes the necessity of descending, determines the descending position,analyzes and evaluates the final descending location west slope secure stability in the process of descending.

Key words:open-pitmine;descending;foot;stability analysis

云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局位于云南省紅河哈尼族彝族自治州開(kāi)遠(yuǎn)市境內(nèi)，礦務(wù)局分為布沼壩及小龍?zhí)?個(gè)第三系褐煤露天礦，礦區(qū)面積約21 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量1 093.00 Mt。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，已從一個(gè)年產(chǎn)幾十萬(wàn)噸的小型褐煤露天礦發(fā)展成為擁有國(guó)內(nèi)先進(jìn)采掘設(shè)備的大型露天礦。布沼壩露天礦目前最低開(kāi)采標(biāo)高為960 m，西幫最大采深300 m，南幫、東幫為工作幫，主提煤出入溝布置在北幫[1]。

在編制和實(shí)現(xiàn)露天礦山工程進(jìn)度計(jì)劃過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)礦山工程延深速度和工作臺(tái)階推進(jìn)速度相關(guān)定律及相鄰工作臺(tái)階礦山工程協(xié)調(diào)發(fā)展定律，正確處理擴(kuò)幫與延伸的矛盾[2-3]。在擴(kuò)幫條件允許的情況下，要按計(jì)劃及時(shí)開(kāi)拓準(zhǔn)備新水平，以保證采礦施工和備采礦量準(zhǔn)備相銜接。降段工程是露天礦生產(chǎn)接續(xù)的關(guān)鍵工程，其工程位置的選擇、工程質(zhì)量直接影響到新的開(kāi)采水平的準(zhǔn)備[4-5]。

1 布沼壩露天礦降段必要性

布沼壩露天礦上一次大規(guī)模降段工程于2007年12月—2008年6月完成，露天礦坑底位置降段至963 m水平，采煤工作面延深了2個(gè)采煤臺(tái)階，并且在坑底建設(shè)了水塘和水泵房。降段過(guò)程中僅降段區(qū)增加超過(guò)250萬(wàn)t的采掘儲(chǔ)量，降段工程為布沼壩露天礦帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益[6-7]。

2008年至今，布沼壩露天礦受采場(chǎng)西幫邊坡滑坡的影響，接近10 a未進(jìn)行降段工程。根據(jù)布沼壩露天礦開(kāi)采現(xiàn)狀，南幫工作幫上部表土和泥灰?guī)r層超前剝離加速，煤層整體向南傾斜，煤層底板標(biāo)高逐漸降低，隨著南幫采剝工作面推進(jìn)，煤臺(tái)階將減少，且東部工作幫逐漸到界，露煤量緊張已經(jīng)嚴(yán)重影響到采剝生產(chǎn)正常接續(xù)。目前，礦坑內(nèi)的可采區(qū)域越來(lái)越小，工作線長(zhǎng)度嚴(yán)重受限，近兩年的剝采比一直維持在2.2～2.6 m3/t，居高不下。根據(jù)近幾年的市場(chǎng)行情，布沼壩露天礦的年產(chǎn)量維持在600萬(wàn)t左右，并且有小幅度的上揚(yáng)。目前，布沼壩露天礦的剝采比不合理，剝離量較大、采煤量較小。為確保礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，有效控制西幫滑坡體清幫減載及資源回收期間剝采比及露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)，開(kāi)辟新的采煤臺(tái)階勢(shì)在必行[8-9]。

2 降段位置的選擇

降段工程是露天礦生產(chǎn)接續(xù)的關(guān)鍵工程，其工程位置的選擇、工程質(zhì)量直接影響到新的開(kāi)采水平的準(zhǔn)備。從布沼壩露天礦坑底采場(chǎng)空間分布情況以及煤層底板延深方向可知，以坑底蓄水池為界，坑底降段施工位置可分以下幾種情況：

1）蓄水池以北位置已開(kāi)采至煤層底板，該位置降段會(huì)影響北幫邊坡上部區(qū)域的安全及西幫滑體的穩(wěn)定；

2）蓄水池以西位置為西幫清幫減載滑體，在滑體未清理完畢之前，不具備降段的條件；

3）蓄水池以東坑底位置地勢(shì)平坦，臺(tái)階整齊，煤層傾向與東幫工作線垂直，且蓄水池位置處于煤層底板堅(jiān)硬灰?guī)r背斜脊線處，東幫與西幫滑體正好處于背斜兩翼，采場(chǎng)東幫下部煤臺(tái)階與西幫不存在力學(xué)聯(lián)系，東幫降段對(duì)于西幫穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。從北幫延伸下來(lái)的山脊線將采場(chǎng)底板地形劃分為東、西2個(gè)區(qū)域。西側(cè)區(qū)域底板從西北向東南延伸逐級(jí)下降，并且有明顯的下降平臺(tái)。東側(cè)區(qū)域底板向東逐漸下降。而目前北幫脊線位置在采場(chǎng)范圍內(nèi)已經(jīng)基本揭露出來(lái)，只有在集水坑往南的位置未完全揭露，該區(qū)域還有10 m左右的煤層。由于北幫山脊線位置屬于強(qiáng)度較大的基巖，其結(jié)構(gòu)上的支撐和阻擋可以很好的抑制西北變形區(qū)向東發(fā)展。而且東幫降段不會(huì)通過(guò)基底向西幫傳遞牽引下滑力，這一點(diǎn)可以通過(guò)集水坑?xùn)|南側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)及矢量變形方向來(lái)驗(yàn)證?；谶@種地形條件和基底巖體的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，建議在東幫970 m水平進(jìn)行率先降段。

4）蓄水池東北位置，即東幫北側(cè)位置，由于地表臺(tái)階比較雜亂，且存在部分復(fù)雜煤臺(tái)階，因選采及臺(tái)階平整需要，故不適合近期降段。并且，該處隨著煤層底板標(biāo)高的下降，煤硫分逐漸增高，市場(chǎng)需求量較小，因此，可根據(jù)平整時(shí)間以及市場(chǎng)需求的變化，以及東幫南側(cè)降段施工進(jìn)程，后期進(jìn)行降段工程。

5）蓄水池以南位置沿工作線推進(jìn)方向，煤層底板標(biāo)高逐漸降低，整體傾向向南，滿足降段的基本要求。但對(duì)于西幫滑體而言，采場(chǎng)西南部的邊幫對(duì)滑體起到一定的支撐作用，坡角的降段開(kāi)挖會(huì)降低支撐體的抗滑力，破壞原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，對(duì)西幫邊坡安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅。故按照現(xiàn)狀條件，現(xiàn)階段不建議在南幫西部實(shí)施全貫通降段工程，可根據(jù)西幫清方減載及資源回收工程的施工進(jìn)度，設(shè)定南幫降段安全警戒線，待西幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高，條件成熟后，再進(jìn)一步進(jìn)行降段及擴(kuò)幫工程。

綜上所述，根據(jù)采場(chǎng)的空間限制和煤層賦存形態(tài)，采場(chǎng)西幫和北幫不具備降段條件，最有利的降段區(qū)域?yàn)椴蓤?chǎng)東南方向，如圖1中A區(qū)域所示。隨著西幫滑體清幫工程及東北幫采煤臺(tái)階的推移，降段后的工作面再繼續(xù)向西往B區(qū)域及向北往C區(qū)域擴(kuò)幫，最終形成東幫和南幫L型降段采煤工作面。

圖1 降段區(qū)域平面位置圖

3 南幫降段工程關(guān)鍵位置確定及安全性評(píng)價(jià)

布沼壩露天礦通過(guò)實(shí)施清方減載方案，對(duì)西幫邊坡進(jìn)行了大規(guī)模的治理，邊坡變形速率逐漸降低，總體變形趨勢(shì)由治理前的加速變形降低為蠕動(dòng)變形，西幫治理取得了良好的效果。目前，西幫采煤工作已經(jīng)恢復(fù)，西幫年產(chǎn)量可達(dá)到1.0 Mt，大大緩解了整個(gè)露天礦的產(chǎn)煤壓力。但西幫變形面積大，潛在滑區(qū)面積廣，體積大，安全等級(jí)高，對(duì)西幫的穩(wěn)定性仍要高度重視，不能掉以輕心[10]。

布沼壩露天礦西幫邊坡與南幫邊坡存在力學(xué)聯(lián)系，南幫邊坡的推進(jìn)有可能誘發(fā)西幫的變形加劇，甚至出現(xiàn)滑體復(fù)活現(xiàn)象。目前，集水坑往南的975～1 060 m水平為西幫滑體提供了一定程度的支擋作用，同時(shí)，還保障著1 070 m水平上的破碎站和404膠帶機(jī)道的安全。因此，采場(chǎng)下部西南角區(qū)域?qū)τ谖鲙头€(wěn)定性和南幫安全推進(jìn)具有重要的作用。

南幫為工作幫邊坡，在降段推進(jìn)的過(guò)程中，由于整體角度相對(duì)較小，因此，其自身穩(wěn)定性較好。在此主要分析南幫動(dòng)態(tài)推進(jìn)過(guò)程，對(duì)于西幫邊坡穩(wěn)定性的影響。即滑體南部部分支擋體取消之后的穩(wěn)定狀態(tài)。

西幫滑體總量為1 228 m3，清方減載工程清理了182萬(wàn)m3滑體，目前還存在滑體1 046萬(wàn)m3。根據(jù)4個(gè)補(bǔ)勘剖面揭露的滑體范圍及滑面傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分布在傾斜滑面上的滑體體積為609萬(wàn)m3，分布在水平滑面的滑體體積為437萬(wàn)m3。傾斜滑面上的滑體產(chǎn)生主動(dòng)下滑力，水平滑面上的滑體提供抗滑力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示不同巖性區(qū)域的滑體分布情況及相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 西幫滑體范圍及滑面傾角統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1所統(tǒng)計(jì)的滑體體積和滑面的長(zhǎng)度、傾角等信息，以及所含巖性的物理力學(xué)參數(shù)等信息，采用剩余推力法計(jì)算滑體所產(chǎn)生的下滑力，傾斜滑面上部滑體產(chǎn)生的剩余下滑力為4 755 832 kN，水平滑面上部滑體提供的沿滑體運(yùn)動(dòng)方向上的抗滑力為3 690 570 kN，因此，沿滑動(dòng)方向上的下滑合力為1 065 26 kN。按照滑體與壓腳區(qū)域的位置關(guān)系，建立滑體側(cè)向推力與支撐體的力學(xué)模型，滑體壓腳力學(xué)模型如圖2。基于立體幾何的基本原理，計(jì)算壓腳體的頂、底面積、體積計(jì)算公式，并由此建立壓腳寬度L為壓腳體體積、重力之間的函數(shù)關(guān)系。壓腳體重力是抵抗滑體下滑變形的基礎(chǔ)力量，因此，根據(jù)壓腳體的重力產(chǎn)生的抗滑力和粘聚力應(yīng)大于西幫滑體的剩余下滑力的基本原理建立力學(xué)平衡方程，得到了關(guān)于壓腳體長(zhǎng)度L的一元二次方程，求解后得到壓腳的安全距離。

圖2 滑體壓腳力學(xué)模型

通過(guò)計(jì)算，得到不同的壓腳體留臺(tái)水平與安全合理的壓腳體長(zhǎng)度L之間的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，壓腳留臺(tái)的臺(tái)階高度越大，所需預(yù)留的壓腳體長(zhǎng)度越小。結(jié)合布沼壩露天礦西南角的工程設(shè)備布置情況，1 060 m水平布置了剝離半連續(xù)破碎站和404膠帶機(jī)道等重要設(shè)備，因此，最高的留臺(tái)水平定在1 060 m水平，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從1 060 m水平留臺(tái)，需要預(yù)留的安全壓腳長(zhǎng)度為50.42 m，根據(jù)這一分析結(jié)果，確定邊坡1 060 m水平的留臺(tái)位置如圖4所示。1 060 m水平以下的臺(tái)階按照平盤寬度40m，臺(tái)階坡面角45°逐個(gè)確定位置。

圖3 壓腳體長(zhǎng)度與留臺(tái)高度的關(guān)系曲線

圖4 1 060 m水平的留臺(tái)位置示意圖

隨著西幫上部的進(jìn)一步清方減載，滑體的下滑力也不斷減小，當(dāng)清方至1 120 m水平時(shí)，滑體的下滑力進(jìn)一步減小，此時(shí)可以進(jìn)行960 m水平的降段；當(dāng)西幫清方至1 090 m水平時(shí)，可以進(jìn)行950 m水平的降段。根據(jù)西幫清方過(guò)程中的結(jié)構(gòu)和南幫降段形成的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到現(xiàn)狀西幫邊坡和970 m水平推進(jìn)時(shí)的南幫穩(wěn)定系數(shù)為1.29；西幫清方至1 120 m水平時(shí)且南幫降段至960 m水平的穩(wěn)定系數(shù)為1.26；西幫清方至1 070 m水平且南幫降段至950 m水平時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為1.21。從分析結(jié)果可知，南幫降段過(guò)程中采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)良好，對(duì)于西幫邊坡的影響不大，因此，在西幫正常清方減載的過(guò)程中進(jìn)行南幫推進(jìn)降段，不存在明顯的安全問(wèn)題。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)布沼壩露天礦坑底采場(chǎng)空間分布及煤層賦存形態(tài)的分析，對(duì)礦區(qū)內(nèi)5種工程位置進(jìn)行了對(duì)比，最終確定了南幫降段的方案。

2）通過(guò)建立滑體側(cè)向推力與支撐體的力學(xué)模型，利用立體幾何的基本原理，計(jì)算確定了壓腳體的長(zhǎng)度和壓腳的安全距離。

3）針對(duì)西幫安全等級(jí)高，失穩(wěn)潛在危害大的情況，對(duì)南幫降段過(guò)程中西幫的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，南幫降段到960 m水平時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.26，南幫降段到950 m水平時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.21。

［1］趙建康，張?zhí)煳?，馬明.布沼壩露天礦西幫清方減載設(shè)計(jì)及實(shí)施［J］.露天采礦技術(shù)，2014（9）：51-54.

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Feasibility study on south slope descending in Buzhaoba Open-pit M ine

LUO Dajun1,LU Xiang2,HAN Liu2
(1.Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661601,China; 2.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

TD824

B

1671-9816（2017）10-0011-04

2017-06-22

駱大軍（1985—），男，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局采礦工程師。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.004

駱大軍，陸翔，韓流.布沼壩露天礦南幫降段可行性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：11-14.