羅 科，馬 力，劉晨東，呂貴龍，石 磊，徐甜新，薛 飛

(1.山西焦煤山煤國際河曲露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 露天采礦技術(shù)研究所，陜西 西安 710054)

露天開采過程中，由于開采工藝與初步設(shè)計的限制，端幫的邊坡角通常較小，往往導(dǎo)致端幫下部大量的煤炭資源被壓占造成端幫壓煤現(xiàn)象[1-3]。近年來，隨著煤炭資源的不斷縮減和開采工藝的發(fā)展進步，使得回收端幫壓煤提高經(jīng)濟效益成為可能[4，5]。

才慶祥等[6]提出了靠幫開采的概念，其實質(zhì)為陡幫開采，即通過下部境界外擴與上部境界收縮的方式來提高邊坡角；在此基礎(chǔ)上，黃甫等[7]結(jié)合露天礦邊坡上部和下部邊坡暴露時間和巖性差異，提出了下部邊坡外擴與邊坡內(nèi)縮的局部陡幫開采方式；宋子嶺等[8]通過對安家?guī)X煤礦壓幫前后邊坡穩(wěn)定性情況進行分析，確立了下部加陡的局部陡幫開采方式，并確定壓幫高度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈正相關(guān)；Zhengao Zha等[9]通過建模對三種端幫煤開采方式進行對比分析，最終確定了局部陡坡開采法為端幫超厚煤層開采的最佳方法；結(jié)合季凍區(qū)凍土的特點，佘長超等[10]通過研究分析提出了凍結(jié)期間二次靠幫開采，實現(xiàn)了南幫邊坡角從30°提升至33°；吳榕真等[11]、呂粲等[12，13]采用極限平衡法與有限元強度折減法對端幫邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化進行了研究分析，并確定了最佳的陡幫開采方案，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益最大化；尚濤等[14]通過剖面法研究了端幫穩(wěn)定系數(shù)與開挖降段深度、時間、內(nèi)排回填高度的關(guān)系分別為負相關(guān)、二次函數(shù)負相關(guān)與指數(shù)相關(guān)關(guān)系；任鵬等[15]利用數(shù)值模擬與極限平衡法相結(jié)合的方法，對邊坡穩(wěn)定性進行了分析，并確定了最佳陡幫開采方案，在此基礎(chǔ)上劉新新[16]統(tǒng)計分析了內(nèi)排壓幫高度與端幫邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系及其對端幫穩(wěn)定性的積極效果；Zuoan Wei等[17]分析了靜載荷動載作用的下陡幫邊坡潛在滑移破壞模式，并提出了新的邊坡穩(wěn)定措施。為露天礦端幫邊坡穩(wěn)定及提高端幫邊坡角度研究提供了一定的參考[18-20]。

以河曲露天煤礦采場端幫邊坡為研究對象，利用極限平衡法與有限元強度折減法對端幫邊坡進行穩(wěn)定性分析，確立極限狀態(tài)下的端幫邊坡角度，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的陡幫開采方案，并進行了工程量與經(jīng)濟量分析。

1 工程地質(zhì)條件及典型剖面選取

1.1 河曲露天礦工程地質(zhì)條件

河曲露天礦地處山西黃土高原西北部，屬典型的黃土高原地貌，礦田屬大陸性半干旱型氣候，礦田內(nèi)溝谷平時基本干枯無水，只有雨季時才有洪水排泄，自東而西流入黃河。目前為首采區(qū)產(chǎn)煤，生產(chǎn)能力為800萬t/a，開采工藝采用單斗卡車工藝，工作線推進方向由南到北，東西兩端幫負責(zé)運輸。礦田范圍內(nèi)賦存地層自老而新主要有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、石炭系中統(tǒng)本汐組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、第三系上新統(tǒng)保德組，第四系上更新統(tǒng)。結(jié)合礦山地質(zhì)條件，端幫邊坡巖土體的物理力學(xué)指標見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

1.2 典型剖面選取

河曲露天礦首采區(qū)開采現(xiàn)狀如圖1所示，結(jié)合開采實際，在東西端幫選取共3個典型剖面對河曲露天礦的陡幫開采技術(shù)可行性進行研究分析，如圖2所示。

圖1 河曲露天礦首采區(qū)開采現(xiàn)狀

2 最佳端幫邊坡角確定

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇

極限平衡法將滑體視為剛體，不考慮變形，只考慮滑體沿滑面的位移，是邊坡穩(wěn)定性分析采用的一種較為普遍的計算方法，尤其是在邊坡穩(wěn)定性分析中常假定滑動面為圓弧滑動模式。其中，極限平衡法主要是通過試算各種不同位置圓心所對應(yīng)滑面的穩(wěn)定系數(shù)，并以全局穩(wěn)定系數(shù)最小滑面為該剖面的穩(wěn)定系數(shù)，而有限元強度折減法則是通過不斷折減，使邊坡達到極限破壞狀態(tài)，可以確定臨界破壞時巖體的應(yīng)力狀態(tài)分布。本文邊坡穩(wěn)定性分析方法采用極限平衡法(Janbu法與摩根斯坦法)與有限元強度折減法進行綜合分析，通過危險滑動面位置與應(yīng)力云圖綜合說明滑面的穩(wěn)定性情況，并互相驗證。

圖2 各剖面形態(tài)

2.1.1 極限平衡法

滑體的位移為剪切破壞，遵守Mohr-Coulumb準則，即τ=σtanφ+C，式中τ及σ為滑面上的剪切力及正應(yīng)力，C及φ為滑面上的粘聚力及內(nèi)摩擦角?；w在滑面上的平衡條件，應(yīng)用到滑塊在斜坡上的平衡原理，如圖3所示。

圖3 滑塊平衡原理

2.1.2 有限元強度折減法

強度折減法的基本原理為將巖土體的抗剪強度c、φ的正切值除以折減系數(shù)Fr，采用有限元進行計算，如果邊坡在選取的折減系數(shù)下達到破壞，此時的折減系數(shù)便是安全系數(shù)：

令：

則式(2)成為：

τr=σtanφr+cr

(4)

參數(shù)φr和cr為折減后的強度指標，將φr和cr帶入有限元計算，如果折減系數(shù)Fr>1.0，則利用有限元計算的位移和應(yīng)力就比實際的大，破壞的單元也比實際的多。令Fr從1.0逐步增大，則計算的位移逐步變大，破壞單元逐步增加，當(dāng)邊坡整體失穩(wěn)時的Fr即為安全系數(shù)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析及最終邊坡角確定

邊坡穩(wěn)定性分析依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》要求，端幫儲備系數(shù)在1.1～1.5以內(nèi)，并考慮河曲露天煤礦采用內(nèi)排模式，其儲備安全系數(shù)采用1.2。

各剖面邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，東幫1-1剖面下部邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1左右，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，西幫2-2剖面與3-3剖面穩(wěn)定系數(shù)均滿足儲備系數(shù)1.2要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，探索不同凸邊坡組合下的邊坡穩(wěn)定性情況，確定邊坡穩(wěn)定最優(yōu)參數(shù)見表2。

圖4 各剖面邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3 陡幫開采可行性分析

3.1 端幫平盤參數(shù)優(yōu)化

河曲露天礦目前端幫在運輸系統(tǒng)中還擔(dān)任著高程運輸?shù)淖饔?，斜坡道使得平盤寬度大大增加，應(yīng)將高程運輸放到工作幫上以降低端幫平盤寬度，提高端幫邊坡角；端幫平盤兩臺階作為一個單元；運輸平盤設(shè)置為雙車道，且礦區(qū)內(nèi)運輸車輛最寬寬度為4.5m，道路寬度與車輛寬度、行車密度及運行速度有關(guān)，其計算式如下：

B=nA+(n-1)x+2Y

(5)

式中，B為路面寬度，m；n為行車線數(shù)，取2；A為汽車后輪計算的寬度即為車輛最大寬度，m；x為兩車凈距，m，通常取0.7～1.7m，取1.5m考慮中間設(shè)置擋墻，因此增加1m，x為2.5m；Y為后輪外緣距路邊的距離，取3m。

表2 各剖面穩(wěn)定邊坡角 (°)

最終確定運輸平盤最小寬度為17.5m，清掃保安平盤最小寬度為5m，具體平盤設(shè)置中可根據(jù)不同巖層情況，進行適當(dāng)調(diào)整，且保證同一端幫每個平盤功能相同。

3.2 端幫陡幫開采方案

3.2.1 1-1剖面陡幫開采方案

基于模擬結(jié)果，由于1-1剖面為凸邊坡形態(tài)，煤層主要集中在下部臺階，故只需對下部臺階進行調(diào)整，為此提出兩種方案。方案一為在原始邊坡形態(tài)的基礎(chǔ)上進行微調(diào)，并增加+968平盤，寬度為5m，其余平盤進行相應(yīng)調(diào)整，由于調(diào)整幅度較小，故邊坡角度保持不變；方案二為方案一的補充方案，其在方案一的基礎(chǔ)上增設(shè)+922平盤，寬度為20m，以保持邊坡穩(wěn)定，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖5所示，參數(shù)變化見表3。圖5中①為原始狀態(tài)和方案一的邊坡角度，其上部邊坡角為23°，下部邊坡為42°；②為原始邊坡與方案一共同的整體邊坡角為28°；③為方案二的邊坡角度，其上部邊坡角為23°，下部邊坡角為37°；④為方案二條件下的整體邊坡角為27°。

圖5 1-1剖面陡幫開采方案

對兩種方案下的邊坡穩(wěn)定性情況進行模擬，結(jié)果如圖6、圖7所示。

方案一中邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.0左右，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，存在滑移風(fēng)險，因此不推薦此方案，方案二的邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.20～1.33之間，滿足儲備系數(shù)要求。綜合以上分析結(jié)果，東幫1-1剖面當(dāng)前處于臨界平衡狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)低于儲備系數(shù)要求，可按方案二下部平盤布設(shè)方式盡快內(nèi)排壓腳，增大下部臺階的抗滑力，提高該剖面穩(wěn)定系數(shù)。

表3 1-1剖面陡幫開采方案平臺寬度調(diào)整參數(shù) m

圖6 1-1剖面方案一邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖7 1-1剖面方案二邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2.2 2-2剖面陡幫開采方案

2-2剖面邊坡角度可從28°提升為32°，邊坡整體形式為凸形邊坡結(jié)構(gòu)。其優(yōu)化原則以原有平臺高度和臺階坡面角不變?yōu)橐罁?jù)，對局部臺階平盤寬度進行微調(diào)，以最小平盤寬度為平盤寬度調(diào)整極限，其中運輸平盤為18m，清保平盤為5m，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖8所示，參數(shù)變化見表4。圖8中①為原始凸邊坡形態(tài)下的邊坡角度，其上部邊坡角為20°，下部邊坡角為39°；②為原始狀態(tài)下的整體邊坡角為28°；③為調(diào)整方案中下的邊坡角，其上部邊坡角為28°，下部邊坡角為38°；④為調(diào)整方案中下的整體邊坡角為32°。

圖8 2-2剖面陡幫開采方案

表4 2-2剖面陡幫開采方案平臺寬度調(diào)整參數(shù) m

對調(diào)整后的邊坡穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果如圖9所示。由模擬結(jié)果知，調(diào)整后的方案安全系數(shù)保持在1.29～1.42，滿足儲備系數(shù)1.2要求，整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 2-2剖面陡幫開采方案穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2.3 3-3剖面陡幫開采方案

3-3剖面的整體邊坡角可提升至36°，以原有平臺高度和臺階坡面角不變?yōu)橐罁?jù)，保持原有平盤功能不變，提出方案一。方案二在方案一基礎(chǔ)上去除清掃保安平盤，原有運輸平盤寬度不變，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖10所示，參數(shù)變化見表5。圖10中①為原始凸邊坡形態(tài)下邊坡角，上部邊坡角為17°，下部邊坡角為38°；②為原始邊坡形態(tài)整體邊坡角為27°；③為方案一條件下邊坡角，上部邊坡角為27°，下部邊坡角為37°；④為方案一條件下整體邊坡角為31°；⑤為方案二條件下邊坡角，上部邊坡角為27°，下部邊坡角為43°；⑥為方案二條件下整體邊坡角為34°。

圖10 3-3剖面陡幫開采方案

表5 3-3剖面陡幫開采方案 m

圖11 3-3剖面陡幫開采方案一穩(wěn)定性分析結(jié)果

分析兩種方案下的邊坡穩(wěn)定性情況，結(jié)果如圖11、圖12所示。方案一與方案二區(qū)別較小，兩種方案中邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，方案一工程量小更符合原設(shè)計，方案二取消了清保平盤，可以獲得更高的經(jīng)濟效益，結(jié)合現(xiàn)場實際端幫均為運輸平盤加清保平盤設(shè)計，故推薦使用方案一。

圖12 3-3剖面陡幫開采方案二穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.3 工程量與經(jīng)濟分析

陡幫開采經(jīng)濟效益可以用以下公式進行計算：

B=ΔQ煤×(P-a)-ΔQ剝×b

(6)

式中，B為陡幫開采經(jīng)濟效益，元；△Q煤為可多采煤總量，t；P為原煤售價，152元/t；a為純采煤成本，取為85元/t；△Q剝?yōu)槎鄤儾蓭r石量，m3；b為純剝離成本，取為10.8元/m3。

3.3.1 東幫幫邊坡

1-1剖面為采場實際開采位置確定端幫實際形態(tài)，1-1剖面進行優(yōu)化經(jīng)濟分析與剝采工程量變化見表6。從表6中可以看出，1-1剖面方案二經(jīng)濟不利，但其最下部臺階增加了運輸平盤可以滿足開拓運輸系統(tǒng)要求及臺階穩(wěn)定性，方案一多回收煤炭資源的經(jīng)濟效益顯著，可采用內(nèi)排壓腳的方式提高下部臺階穩(wěn)定性，按314m/a推進度計，東幫剖面可年增加3.9萬t原煤回收，預(yù)計提高經(jīng)濟效益242萬元。

表6 1-1、2-2和3-3剖面剝采量變化及經(jīng)濟效益分析

3.3.2 西幫邊坡經(jīng)濟分析

與東幫相似，西幫選取了兩個典型剖面，且2-2剖面與3-3剖面均為開采實際?；跀?shù)值模擬結(jié)果，2-2剖面提出一種調(diào)整方案，可實現(xiàn)保證邊坡穩(wěn)定性的同時，最大程度提高煤炭采出率，增加經(jīng)濟效益。3-3剖面共有2個方案，方案二在取消了清保平盤后其經(jīng)濟效益優(yōu)于方案一，但與端幫邊坡平盤功能及特征存在影響。因此，結(jié)合方案一既滿足開采工程實際又能保證邊坡穩(wěn)定性要求，按方案一可增加原煤回采量28萬t/a，其與2-2剖面斷面形態(tài)基本一致增加原煤回采量為24萬t。據(jù)此可以確定西幫端幫平盤形態(tài)優(yōu)化后年均增加原煤26萬t，增加經(jīng)濟效益采用兩剖面平均值779萬元。

2-2剖面與3-3剖面給出方案其個平盤功能保持一致，參數(shù)則略有差異，后續(xù)開采過程中，可按照3-3剖面的形態(tài)繼續(xù)開采，既可以保持邊坡穩(wěn)定，也可以獲得一定的經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合河曲露天煤礦巖體力學(xué)參數(shù)，綜合采用極限平衡法(Janbu法、摩根斯坦法)和有限元強度折減法進行分析并互相驗證，計算確定了各幫邊坡穩(wěn)定性情況，并分別確定了各幫邊坡穩(wěn)定角度。

2)基于穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合采場實際，提出了高程運輸放在工作幫并將清掃平盤與保安平盤合二為一的方案，確定了最小運輸平盤寬度為17.5m，清保平盤寬度為5m，在此基礎(chǔ)上提出了剖面的陡幫開采方案并確定了最優(yōu)平盤參數(shù)。

3)東端幫邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，采煤過程中應(yīng)采用快速回填壓幫的方式，防止邊坡失穩(wěn)，在此條件下，可實現(xiàn)多采煤3.9萬t；西端幫采用凸形邊坡設(shè)計可提升邊坡角度4°，可多采煤26萬t，共計增加經(jīng)濟效益1021萬元。