祁茂富

（山西中煤平朔爆破器材有限責(zé)任公司，山西 朔州036000）

國外露天礦山在20 世紀(jì)60 年代就已應(yīng)用陡幫開采工藝。從我國近幾年的研究來看，陡幫開采工藝具有基建剝離量小、投資少、達(dá)產(chǎn)快等優(yōu)點(diǎn)[1]。

作為平朔東露天礦的工作幫，其邊坡巖層傾向與邊坡傾向相反，巖層中的節(jié)理相對(duì)較散亂，此處地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體力學(xué)強(qiáng)度低，開采強(qiáng)度大，邊坡高度大，外排土場(chǎng)臨近采場(chǎng)，影響邊幫穩(wěn)定性，加之地下水影響，使不穩(wěn)定邊坡治理及陡幫開采可行性研究問題日益突出。通過對(duì)端幫陡幫開采的可行性進(jìn)行研究，選擇合適的邊坡角度，在保證邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)有效提高礦山資源利用效率。

原設(shè)計(jì)端幫邊坡最終角度為27°，此設(shè)計(jì)是對(duì)于整個(gè)礦區(qū)的工作幫而言的，而露天礦的采區(qū)較為狹長，端幫工作幫的區(qū)域就有15 km。根據(jù)礦山相關(guān)資料，端幫27°邊坡的穩(wěn)定系數(shù)較大。為此，本著提高資源回采率和提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的原則，提出對(duì)端幫實(shí)行陡幫開采的方案。

1 陡幫開采邊坡角確定

陡幫開采是利用提高剝巖幫工作幫坡角推遲剝巖量的一種經(jīng)濟(jì)合理的新型開采工藝，其中應(yīng)用較為廣泛的形式是組合式開采工藝[2]。

從28°開始，以1°為步長，逐步增大此端幫邊坡的角度，得出邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化的規(guī)律，并從穩(wěn)定性角度確定陡幫開采的最大角度。端幫陡幫不同角度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。

表1 端幫陡幫不同角度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

不同方法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)有所偏差，以最常用的Bishop 法計(jì)算結(jié)果作為陡幫角度確定的依據(jù)。對(duì)不同角度下Bishop 法計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行擬合分析可知，該端幫上部臺(tái)階邊坡角度為22°，整體邊坡角度為33°時(shí)，Bishop 法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)為1.201，十分接近1.20。在以安全為主的前提下，將陡幫邊坡角度定為32°，這樣在保證端幫邊坡具有足夠的穩(wěn)定性的同時(shí)又能夠盡可能地回收資源，提高資源利用率[3]Bishop 法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)趨勢(shì)圖如圖1。

圖1 Bishop 法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)趨勢(shì)圖

2 端幫陡幫開采方案

2．1 陡幫開采方式

因露天礦邊坡上下部分暴露時(shí)間和巖性差異，邊坡各部分能達(dá)到的穩(wěn)定角度也有所不同。而在陡幫開采的實(shí)際應(yīng)用中，已有采用陡幫開采對(duì)邊坡下部進(jìn)行局部陡幫，使邊坡成為上緩下陡的凸邊坡形態(tài)，實(shí)現(xiàn)多回收資源或者少剝離巖石的目的[4-5]。結(jié)合露天礦邊坡上部和下部暴露時(shí)間和巖性差異，提出2 種局部陡幫開采方式[5]。

1）下部邊坡外擴(kuò)陡幫法。上部邊坡保持不變，下部邊坡局部陡幫（底部境界收縮的凸邊坡），即上部境界不動(dòng)，從中部開始，下部邊坡向外推進(jìn)，下部邊坡外擴(kuò)陡幫開采方法如圖2。該種方式不需要從最上部平盤開始擴(kuò)幫，而是從中間開始擴(kuò)幫作業(yè)，因而對(duì)上部工作線的推進(jìn)沒有影響，更有利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施由于這種方式保留了上部平盤，道路運(yùn)輸沒有受到影響。

2）邊坡內(nèi)縮陡幫法。上部和下部境界保持原有情況，幫坡臺(tái)階向內(nèi)收縮實(shí)行陡幫開采（頂部、底部境界不動(dòng)的凸邊坡），邊坡內(nèi)縮陡幫開采方法如圖3。對(duì)于這種陡幫方式可以在損失少部分煤炭資源的條件下實(shí)現(xiàn)少剝離巖石的目的，能夠節(jié)省礦山的生產(chǎn)投入。

圖2 下部邊坡外擴(kuò)陡幫開采方法

圖3 邊坡內(nèi)縮陡幫開采方法

由于該露天礦的開采權(quán)限是以上部境界圈定，在已知該端幫的最終可行陡幫開采角度，且該端幫上部臺(tái)階巖性較弱的條件下，上部臺(tái)階邊坡已經(jīng)放緩為22°，因此推薦端幫的陡幫開采方法為下部邊坡外擴(kuò)陡幫法。

2．2 陡幫開采剝采比

上部境界不動(dòng)外擴(kuò)陡幫示意圖如圖4。

圖4 上部境界不動(dòng)外擴(kuò)陡幫示意圖

計(jì)算下部邊坡外擴(kuò)陡幫法的剝采比為：

式中：n3為下部邊坡外擴(kuò)陡幫法的剝采比，m3/t；H0為從陡幫的開始水平到煤層頂板的高度，m；ρ 為原煤密度，g/cm3；h 為煤層平均厚度的期望值，m。

對(duì)當(dāng)H0=H 時(shí)，下部境界外擴(kuò)法是下部邊坡外擴(kuò)陡幫法在H0=H 時(shí)的極限情況。當(dāng)上部邊坡AF 段從邊坡角α 提高到θ，陡幫剝采比為：

式中：α 為原設(shè)計(jì)邊坡整體幫坡角，（°）；β 為陡幫后下部邊坡角，（°）；θ 為上部邊坡角，（°）；H 為上覆巖層平均厚度的期望值，m。

令θ=α，從原設(shè)計(jì)邊坡H0高度處以下采用陡幫開采，則式（2）可以簡(jiǎn)化為式（1），即式（1）是式（2）在θ=α 時(shí)的特殊情況。

陡幫開采的剝采比大小由上覆巖層厚度H、煤層厚度h、局部陡幫高度H0以及煤層密度ρ 確定，并且其剝采比對(duì)煤層厚度和上覆巖層厚度的變化更為敏感[6]。

2．3 陡幫開采方案

該端幫原最終角度為27°時(shí)，下部臺(tái)階水平按照2 個(gè)10 m 保安平盤、1 個(gè)40 m 運(yùn)輸平臺(tái)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的陡幫開采多是通過減少運(yùn)輸平盤數(shù)量或?qū)挾?，?duì)保安平盤進(jìn)行并段等手段調(diào)節(jié)。本次設(shè)計(jì)提出以下2 個(gè)方案，陡幫開采2 種方案開采示意圖如圖5。

圖5 陡幫開采2 種方案開采示意圖

2 個(gè)方案為保證上部臺(tái)階的穩(wěn)定，均使端幫上部臺(tái)階邊坡的角度為22°，整體邊坡角度定為32°。2個(gè)方案的差異之處在于下部臺(tái)階的平盤寬度與并段方式，陡幫開采方案各平盤寬度見表2。

由表2 可知，方案1 在上部臺(tái)階最后1 個(gè)安全平臺(tái)后，緊接著又是1 個(gè)10 m 的安全平臺(tái)，而方案2 在上部臺(tái)階最后1 個(gè)安全平臺(tái)后，緊接著是1 個(gè)40 m 的運(yùn)輸平臺(tái)，2 種方案在下部臺(tái)階的發(fā)展模式是一致的。為對(duì)所提出的2 個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選，首先對(duì)2 個(gè)方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，2 個(gè)方案在不同計(jì)算方法下的穩(wěn)定性系數(shù)陡幫方案穩(wěn)定性分析結(jié)果表見表3。

表2 陡幫開采方案各平盤寬度

表3 陡幫方案穩(wěn)定性分析結(jié)果表

從邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，方案2 端幫邊坡較為穩(wěn)定性，方案1 稍差，但邊坡穩(wěn)定系數(shù)也能夠達(dá)到1.2 的要求。

從開采的煤巖量對(duì)2 個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算2 種陡幫開采方案的生產(chǎn)剝采比。以原設(shè)計(jì)27°邊坡為參照，設(shè)計(jì)端幫陡幫開采范圍轉(zhuǎn)折的2 條段共為3 189.45 m，2 個(gè)方案分別于原設(shè)計(jì)27°邊坡相比較。2 個(gè)方案和原設(shè)計(jì)最終開采角度對(duì)比結(jié)果見表4。從計(jì)算結(jié)果可知，2 個(gè)方案由于上部進(jìn)行了緩幫，與原設(shè)計(jì)邊坡相比減少了大量的剝離，而少采的資源相對(duì)較少，因此陡幫開采的綜合剝采比均很小。方案1 可回收煤量982.76 萬t，需多剝離2 764.24 萬m3的巖石，上部損失煤量6.30 萬t，但可少剝離731.99 萬m3的巖石。方案2 可回收煤量892.28 萬t，需多剝離2 523.77 萬m3的巖石，上部損失煤量38.58 萬t，但可少剝離810.11 萬m3的巖石。

表4 2 個(gè)方案和原設(shè)計(jì)最終開采角度對(duì)比結(jié)果

綜合分析，方案1 相比方案2 多采出了122.77萬t 的資源，僅需多剝離318.60 萬m3的巖石，多回收煤量的剝采比也僅為2.08 m3/t，方案1 多回收煤量的經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此，方案1 較方案2 經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。在2 種方案的穩(wěn)定性系數(shù)均能達(dá)到1.2 的情況下，推薦方案1 為陡幫開采方案。

3 端幫邊坡穩(wěn)定性控制措施

1）采取有效的疏干排水措施。地表水的滲入和地下水的活動(dòng)往往是導(dǎo)致邊坡滑塌的重要原因，地下水的活動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響露天礦邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。在邊坡上形成合理的排水、疏干系統(tǒng)。在端幫、端幫頂部修建截、排水溝，其目的是減少大氣降水和外部地表水流入采坑和排土場(chǎng)，影響邊坡的穩(wěn)定[7]。

2）保持合理的幫坡角。根據(jù)邊坡計(jì)算的結(jié)果，局部區(qū)域不宜繼續(xù)加高，適當(dāng)加大平臺(tái)寬度。

3）局部加固及護(hù)坡。在生產(chǎn)過程中要做到邊坡定期清掃、維護(hù)和治理，防范局部沉降和滑坡。對(duì)于出現(xiàn)的沉降裂縫，及時(shí)用紅粘土彌合，防止流水進(jìn)入巖體內(nèi)部[8]。

4）控制爆破振動(dòng)。采場(chǎng)下部硬巖進(jìn)行爆破時(shí)，合理優(yōu)化爆破參數(shù)及爆破方式，控制單孔裝藥量，減小爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

5）進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。在條件允許的情況下，加強(qiáng)對(duì)端幫的位移監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取應(yīng)急措施，為礦山的安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)[9-10]。

4 結(jié) 語

露天煤礦端幫邊坡的整體穩(wěn)定性相對(duì)較高，但端幫上部穩(wěn)定性較差，端幫上部存在滑坡征兆，因此，提出端幫上部緩幫下部陡幫的開采方案。

通過對(duì)2 種陡幫開采方案的對(duì)比，下部邊坡外擴(kuò)陡幫法（方案1）多回收煤量的經(jīng)濟(jì)效益顯著，提高礦山資源利用率，為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)不穩(wěn)定邊坡，需要采取有效的疏干排水措施，減少大氣降水和外部地表水流入采場(chǎng)和排土場(chǎng)，影響邊坡的穩(wěn)定；加強(qiáng)邊坡的監(jiān)測(cè)管理，在到界邊坡建立完善的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，嚴(yán)格控制，以免發(fā)生滑坡。