朱 濤，孫進(jìn)步，萬(wàn)忠明

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

端幫陡幫開(kāi)采是指露天采場(chǎng)端部的邊幫（即端幫）在靠界過(guò)程中，加陡端幫幫坡角，盡可能多回收端幫壓煤，并盡早實(shí)現(xiàn)內(nèi)排壓幫[1]。目前陡幫開(kāi)采技術(shù)較為成熟，利用此技術(shù)增大端幫最終邊坡角可回收端幫壓煤，減少開(kāi)采相鄰采區(qū)時(shí)的重復(fù)剝離量，在國(guó)內(nèi)各大型露天煤礦得到廣泛應(yīng)用。

新疆天池能源有限責(zé)任公司將軍戈壁二號(hào)露天煤礦（以下簡(jiǎn)稱“將二礦”）位于新疆準(zhǔn)東奇臺(tái)縣城北東90 km 處。礦田位于將軍戈壁勘查區(qū)的西部，地處準(zhǔn)東煤田西黑山礦區(qū)北部，劃定礦區(qū)范圍批復(fù)面積為87.23 km2。本礦一期建設(shè)規(guī)模10.0 Mt/a，二期建設(shè)規(guī)模20.0 Mt/a，2017 年生產(chǎn)規(guī)模[2]達(dá)到10.0 Mt/a。首采區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采煤層自上而下依次為B5 煤、B3煤和B2 煤，剝離工藝為單斗-卡車間斷開(kāi)采工藝，采用液壓挖掘機(jī)將剝離物裝入自卸卡車，自卸卡車運(yùn)行至排土場(chǎng)排棄物料，用輪式前裝機(jī)推送剝離物輔助排土；采煤工藝采為單斗-卡車-地面半固定式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝。

首采區(qū)由北側(cè)拉溝向南推進(jìn)，到界之后，西幫開(kāi)始緩幫過(guò)渡為工作幫，南幫由工作幫逐漸加陡變成端幫。在2017 年完成轉(zhuǎn)向后，南幫各臺(tái)階全部到界，內(nèi)排已經(jīng)跟進(jìn)壓覆東幫和北幫，由于暴露時(shí)間短，且內(nèi)排跟進(jìn)及時(shí)，南幫的穩(wěn)定性良好。因此，在將二礦進(jìn)行陡幫開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用，在保證端幫安全穩(wěn)定的前提下，盡可能的提高邊坡角，不僅增加了煤炭資源回收率，更節(jié)約了采區(qū)間的二次剝離量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 陡幫前南端幫穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性方面比較成熟的方法有極限平衡法、有限差分法和有限元法，本次選擇GEO-slope 和FLAC 2 種分析軟件對(duì)將二礦南端幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

運(yùn)用GEO-slope 對(duì)確定的2 個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，再運(yùn)用FLAC3D建立礦區(qū)三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算，分別得到了其穩(wěn)定性系數(shù)。

1.1 GEO-slope 端幫穩(wěn)定性分析

GEO-slope 軟件的計(jì)算原理即為極限平衡原理。分別在該軟件中建立數(shù)值計(jì)算模型，利用CAD對(duì)剖面進(jìn)行層狀劃分，在GEO-SLOPE 軟件中將層狀輸出。南端幫P1-P1 剖面煤巖層分布如圖1，南端幫P1-P1 剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖2，圖2 中深色為煤層，從上到下分別是B5、B3、B2 煤層[3]。巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

圖1 南端幫P1-P1 剖面煤巖層分布

通過(guò)計(jì)算得到南端幫P1-P1 剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.256，穩(wěn)定性良好。從圖2 可以看出該方法分析是將滑體劃分為若干條塊，每個(gè)條塊的重力和抗滑力及條塊與條塊之間的相互作用力都納入到穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)這種條分法處理，并將每個(gè)條塊進(jìn)行疊加，最終得到整個(gè)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

圖2 南端幫P1-P1 剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

1.2 FLAC 端幫穩(wěn)定性分析

為了驗(yàn)證二維數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，特建立三維數(shù)值計(jì)算模型，考慮邊坡整體的穩(wěn)定性。通過(guò)分析礦區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，對(duì)建立的三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，模型只考慮南幫和東幫部分區(qū)域。通過(guò)3DMine 軟件獲取三維地表高程數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ANSYS 軟件建立三維幾何模型，然后將建立的幾何模型導(dǎo)入HYPERMESH 劃分網(wǎng)格，最后將網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[4]。計(jì)算時(shí)模型底面約束豎向位移，模型四周約束法相位移。根據(jù)前期地質(zhì)勘探報(bào)告及土工試驗(yàn)結(jié)果，采用表1 中的力學(xué)參數(shù)對(duì)南端幫模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。

通過(guò)分析得到該邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.68，可以看出通過(guò)FLAC3D計(jì)算得到的結(jié)果比GEO-slope計(jì)算得到的結(jié)果（1.256 和1.028）更偏于安全，這主要是因?yàn)镕LAC3D計(jì)算的三維模型是一個(gè)整體，而整體的穩(wěn)定性必然大于任何一個(gè)截面的穩(wěn)定性。所以根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，陡幫前的南端幫具有較大的安全系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行陡幫是可行的。

通過(guò)采用極限平衡分析方法與強(qiáng)度折減分析方法對(duì)南端幫邊坡平面穩(wěn)定性現(xiàn)狀的分析，南端幫現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。依據(jù)現(xiàn)狀分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)踏察情況，說(shuō)明采用極限平衡法分析南端幫邊坡穩(wěn)定性更加合理，后續(xù)邊坡穩(wěn)定性分析中將以極限平衡分析方法為主，以強(qiáng)度折減分析方法進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

2 陡幫開(kāi)采參數(shù)

2.1 最大邊坡角

以初始邊坡角35°的南端幫P1-P1 剖面為例，建模計(jì)算得到其穩(wěn)定系數(shù)為1.256，顯然該邊坡存在很大的陡幫開(kāi)采空間，通過(guò)提高邊坡角度進(jìn)行漸進(jìn)式的試算，不同邊坡角度下穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，隨著端幫邊坡角度的不斷增大，穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)下降，二者具有一定的負(fù)相關(guān)性，當(dāng)邊坡角度增大到39°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)已接近于1，當(dāng)角度提高到40°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為0.978，已經(jīng)小于1。為了保證安全穩(wěn)定，暫確定南端幫P1-P1 剖面位置的陡幫開(kāi)采最大角度為39°，再使用FLAC3D軟件驗(yàn)證后確定最終邊坡角度。

表2 不同陡幫角度下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)

2.2 陡幫后南端幫整體穩(wěn)定性

通過(guò)利用極限平衡法計(jì)算分析，將二礦南端幫最大邊坡角可以提升到39°，為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，保障礦區(qū)的安全運(yùn)營(yíng)，特建立三維數(shù)值計(jì)算模型，考慮陡幫后南端幫的整體穩(wěn)定性。

通過(guò)FLAC3D的計(jì)算，得到南端幫邊坡角提高到39°后的穩(wěn)定性系數(shù)為1.29，大于1.2 的設(shè)計(jì)值，陡幫至39°后的邊坡仍然能夠保持穩(wěn)定，陡幫開(kāi)采方案基于39°最終邊坡角度進(jìn)行。

3 南端幫陡幫開(kāi)采方案

在南端幫陡幫開(kāi)采實(shí)施前，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察分析，由于直角轉(zhuǎn)向期間南幫局部區(qū)域暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，南幫煤巖的的風(fēng)化現(xiàn)象明顯，被侵蝕的煤巖體呈層狀剝落，強(qiáng)度顯著降低，并且發(fā)現(xiàn)已到界B5 煤臺(tái)階和下部臺(tái)階出現(xiàn)了貫穿裂隙。考慮到南幫不同區(qū)域暴露時(shí)間不同、裂隙發(fā)育程度不同，根據(jù)不同區(qū)域的實(shí)際情況制定不同的陡幫開(kāi)采方案。將南幫劃分為3段區(qū)域：①I 區(qū)：裂隙發(fā)育區(qū)域；②II 區(qū)：已有邊坡靠幫區(qū)；③III 區(qū)：尚未剝離的區(qū)域。

3.1 南端幫I 區(qū)開(kāi)采方案

I 區(qū)為裂隙發(fā)育區(qū)，南幫已經(jīng)出現(xiàn)了潛在的鍥形滑面，如果不及時(shí)處理，有可能會(huì)發(fā)生鍥形滑坡。在南幫I 區(qū)的陡幫開(kāi)采充分考慮安全因素，陡幫開(kāi)采的同時(shí)治理該區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)的鍥形滑坡。

從安全和時(shí)間方面考慮，裂隙下部區(qū)域不再靠幫，并組織迅速內(nèi)排壓幫至B5 煤底板水平[6]，B5 煤底板以上局部靠幫，通過(guò)中間橋運(yùn)輸，從物料重心位置角度考慮，搭中間橋和端幫相比，搭中間橋能實(shí)現(xiàn)同水平剝離物運(yùn)距不增加。

B5 煤開(kāi)采量完成后依次繼續(xù)向西推進(jìn)進(jìn)入II區(qū)，這樣就開(kāi)始了II 區(qū)的陡幫開(kāi)采方案。

3.2 南端幫II 區(qū)的陡幫開(kāi)采方案

在南幫I 區(qū)B5 煤的剝采作業(yè)繼續(xù)向II 區(qū)推進(jìn)，開(kāi)始II 區(qū)的陡幫開(kāi)采，由于I 區(qū)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)處于臨界狀態(tài)，此時(shí)I 區(qū)的B2、B3 煤內(nèi)排直接壓覆，不考慮陡幫。

II 區(qū)的陡幫作業(yè)從工作幫開(kāi)始，也就是在II 區(qū)和III 區(qū)的分界面開(kāi)始作業(yè)，維持南幫現(xiàn)有運(yùn)輸平盤不變，僅下部陡幫，新增445 運(yùn)輸平盤，同時(shí)為了縮短下部物料運(yùn)距，采用西幫中間橋[7]。

3.3 南端幫III 區(qū)的陡幫開(kāi)采方案

由于南幫III 區(qū)的范圍是未開(kāi)采區(qū)域，因此南幫III 區(qū)的陡幫開(kāi)采設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是將二礦南端幫邊坡參數(shù)的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

南幫陡幫方案形成的最終邊幫有470 平盤，平盤寬30 m，可作為主要運(yùn)輸通道，在內(nèi)排壓幫至B5煤底板后，B5 煤二次陡幫繼續(xù)開(kāi)采4 m，470 平盤寬度最寬能達(dá)到34 m。上部515 平盤寬15 m，也能作為運(yùn)輸?shù)缆吠瓿梢欢ǖ倪\(yùn)輸任務(wù)。中間橋作用下降就可以考慮橋頭“煤鼻子”上的二次剝離和下部B2煤的開(kāi)采。截?cái)嘀虚g橋需要和內(nèi)排作業(yè)同時(shí)考慮，這是由于內(nèi)排空間的重心在南部，而剝離物的重心在中部，如果過(guò)早截?cái)嘀虚g橋?qū)?dǎo)致內(nèi)排運(yùn)距上升，內(nèi)排空間的重心重新恢復(fù)到中間位置即是中間橋拆除的最佳時(shí)間[8]。此時(shí)總的內(nèi)排空間的重心在中間位置，但是南北內(nèi)排工作線推進(jìn)進(jìn)度并不相同，內(nèi)排土場(chǎng)南部下方的445、470、485 工作線推進(jìn)比北部快，而南部上方的500、515 等臺(tái)階的推進(jìn)速度比北部慢。

此時(shí)南幫陡幫基本完成，515 平盤和470 平盤都具備運(yùn)輸能力，能形成以470 平盤、515 平盤為主的南幫運(yùn)輸系統(tǒng)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

南幫陡幫作業(yè)在I 區(qū)和II 區(qū)共開(kāi)采出煤炭124萬(wàn)t，按照90 元/t 的價(jià)格計(jì)算，陡幫開(kāi)采煤炭?jī)r(jià)值11 160 萬(wàn)元；陡幫剝離量72 萬(wàn)m3，陡幫剝采比約為0.73 m3/t，III 區(qū)的陡幫剝采比更低約為0.5 m3/t，不過(guò)由于III 區(qū)陡幫延伸至二采區(qū)終了，隨著地質(zhì)參數(shù)變化該值也會(huì)變化。

I 區(qū)和II 區(qū)陡幫作業(yè)時(shí)，由于南部端幫運(yùn)輸?shù)缆繁浑A段，陡幫剝離物料需要繞行中間橋，增加的運(yùn)距約1.2 km，按照1 元/（km·m3）計(jì)算，增加運(yùn)輸費(fèi)用約86 萬(wàn)元，相比額外增加的11 074 萬(wàn)元的煤炭?jī)r(jià)值，在I 區(qū)和II 區(qū)的陡幫開(kāi)采是非常經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于工作幫的剝離物料，相比走南幫，通過(guò)中間橋運(yùn)輸，其重心位移的路線相差不大，僅在高程上略有損失。采用2 段對(duì)進(jìn)開(kāi)采的方案能更快的實(shí)現(xiàn)上部運(yùn)輸系統(tǒng)的貫通，將陡幫對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的影響降低到最低。

對(duì)于III 區(qū)而言，其陡幫剝采比更小，經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件要優(yōu)于I 區(qū)和II 區(qū)，且此時(shí)南幫運(yùn)輸?shù)缆芬呀?jīng)貫通，內(nèi)排運(yùn)距上也沒(méi)有額外損失，若能順利實(shí)施到二采區(qū)終了，能創(chuàng)造非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)GEO-slope 軟件系統(tǒng)研究了陡幫開(kāi)采過(guò)程中的最大邊坡角和壓幫內(nèi)排臺(tái)階參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，得到南端幫最大陡幫角度為39°。

2）目前已實(shí)施完成的南端幫I 區(qū)、II 區(qū)陡幫開(kāi)采方案剝離量72 萬(wàn)m3，采出煤炭資源量124 萬(wàn)t，獲得約11 074 萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)收益。

3）針對(duì)將二礦南幫現(xiàn)狀進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，分別以復(fù)合邊坡與端幫邊坡方式進(jìn)行建模分析，通過(guò)分析得到，相同開(kāi)采步驟條件下，復(fù)合邊坡穩(wěn)定系數(shù)略高于端幫邊坡。

4）根據(jù)I、II、III 區(qū)南幫區(qū)段劃分，綜合分析得出I 區(qū)已處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)，直接內(nèi)排壓幫至B5 底板水平后回收部分B5 煤；II 區(qū)暴露時(shí)間相對(duì)較短，可進(jìn)行陡幫開(kāi)采作業(yè)，陡幫角度39°；III 區(qū)為未開(kāi)采區(qū)段，通過(guò)調(diào)整運(yùn)輸系統(tǒng)直接進(jìn)行陡幫開(kāi)采。