郭海建，李 明，成 功，劉 偉

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順 113122；3.新疆煤炭設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；4.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司 南露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

在露天煤礦的開采過程中，出于邊坡安全的考慮，設(shè)計往往需要1 個合理的幫坡角[1]，這就導(dǎo)致底部周界與地表境界不一致，致使大量煤炭資源壓覆在底部周界內(nèi)的最終邊幫下，造成了煤炭資源浪費(fèi)，無形中使得企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受損。尤其針對地質(zhì)條件相對復(fù)雜的露天煤礦，邊坡煤炭資源的采出問題[2-4]尤為突出。

因此，如何解決此類問題，合理回收煤炭資源成為國內(nèi)外學(xué)者亟待解決的難題之一，近年來國內(nèi)外一系列學(xué)者對此類問題開展了一系列研究。王東等[5]基于煤柱三維支擋效應(yīng)的力學(xué)成因類型及影響因素的認(rèn)識，提出了煤柱支擋效應(yīng)的二維等效方法、三維支擋效應(yīng)表達(dá)式，揭示了支擋煤柱形態(tài)參數(shù)對支擋效應(yīng)的影響；王曉光等[6]針對扎哈淖爾露天礦南幫受順傾地層和巖體力學(xué)性質(zhì)差的影響，通過建立邊坡三維模型分析了橫采內(nèi)排條件下邊坡開挖位置、追蹤距離對邊坡穩(wěn)定性影響，確定了橫采內(nèi)排條件下滿足穩(wěn)定性要求的南幫邊坡形態(tài)；曹博等[7]通過露天礦橫采內(nèi)排工作線布置及發(fā)展方式，建立了橫采內(nèi)排模型，對橫采采區(qū)寬度進(jìn)行了優(yōu)化；孫有剛等[8]采用了理論分析與現(xiàn)場踏勘相結(jié)合的方法，確定了最小內(nèi)排追蹤距離，分析了端幫邊坡和橫向內(nèi)排土場最大穩(wěn)定幫坡角。另外，文獻(xiàn)［9－15］對邊幫煤炭資源采出問題的分析研究也體現(xiàn)了其理論和應(yīng)用價值。

以往邊幫煤炭資源采出方案多集中于陡幫開采技術(shù)研究，隨著近年來采排工藝的完善，在利用橫采工作幫、內(nèi)排土場間的空間位置關(guān)系，在時間及空間上考慮三維效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響。為此，以霍林河南露天煤礦北區(qū)東幫邊坡工程實際為背景，建立了不同地質(zhì)分區(qū)下與實際地形、地質(zhì)構(gòu)造等吻合度極高的邊坡計算模型，從控制邊坡穩(wěn)定性的角度出發(fā)對北區(qū)東幫控制開采方案進(jìn)行深入研究，優(yōu)化東幫最終邊坡形態(tài)。

1 邊坡工程地質(zhì)特征及開采條件分區(qū)

1.1 邊坡工程地質(zhì)特征

霍林河南露天煤礦北區(qū)東幫（非工作幫）邊坡地層自下而上依次為：霍林河群組、新近系、第四系?；袅趾尤航M主要由砂礫巖、泥巖和4 個煤組構(gòu)成，分別為Ⅰ煤組、Ⅱ煤組、Ⅲ煤組、Ⅳ煤組，Ⅲ、Ⅳ煤組為主采煤組。通過工程地質(zhì)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)，北區(qū)東幫總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北西、傾角平緩的單斜構(gòu)造，沿地層走向有波狀起伏，地層傾角5°～16°，主要發(fā)育斷層有2 條（F4、F4－1），斷距15～80 m，斷層破碎帶12～50 cm，膠結(jié)程度較差，節(jié)理走向NNE（65°～80°）。本區(qū)主采煤層位于Ⅲ煤組以下，其中21、24 煤為北區(qū)當(dāng)前主要可采煤層，平均可采總厚約30 m。

1.2 邊坡開采條件分區(qū)

北區(qū)采場走向長度為1.8 km，方案研究的主采煤層為底部21 煤和24 煤，該區(qū)域煤炭資源開采核心的邊坡問題即在F4上盤煤層已采出，并已內(nèi)排回填的條件下，如何最大限度地開采下盤21 煤和24煤，同時保障內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定。

依據(jù)煤層位置與內(nèi)排土場距離、煤層開采與老滑體影響關(guān)系、煤層開采與F4、F4－1斷層相對位置，將北區(qū)劃分為3 個區(qū)域，由于南露天礦規(guī)劃，區(qū)域3 位于北區(qū)北端幫位置，短期不進(jìn)行開采，本次研究方案主要為區(qū)域1 和區(qū)域2，選取北區(qū)－1、北區(qū)－2 剖面作為研究對象，綜合以往霍林河南露天礦地質(zhì)資料以及巖體力學(xué)實驗成果確定了邊坡巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)。北區(qū)東幫邊坡分區(qū)平面圖如圖1，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 北區(qū)東幫邊坡分區(qū)平面圖

2 北區(qū)東幫煤炭資源采出方案

2.1 安全儲備系數(shù)

露天礦邊坡具有時效性，采場與排土場推進(jìn)速度是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，依據(jù)GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》，并根據(jù)目前南露天煤礦工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)等資料的掌握情況，結(jié)合該區(qū)域煤炭開采方法和開采周期，南露天煤礦東幫邊坡穩(wěn)定性分析的安全儲備系數(shù)選取為1.15；臨時邊坡穩(wěn)定系數(shù)選取為1.05。

2.2 區(qū)域1 煤炭資源采出方案

區(qū)域1 位于北區(qū)2015 年滑體和八號路之間，南北走向長600 m，研究的主采煤層為F4斷層下盤的21 煤和24 煤，而21 煤和24 煤存在夾矸弱層且不具備疏干排水條件，若以緩坡的方式回采壓覆煤炭資源，會造成大量壓煤，經(jīng)濟(jì)上不合理?；谇笆雒禾抠Y源賦存特征，在保證邊坡安全的前提下從經(jīng)濟(jì)角度論證各種開采方案的合理性。首先，若采用縱采全部采出方案將24 煤全部采出，沿24 煤與F4斷層交線處將形成臨時的局部到界邊坡，此時無法保證局部及東幫－內(nèi)排復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性；若采用縱采留煤柱方案，考慮到F4斷層下盤煤柱對內(nèi)排土場邊坡起到壓腳作用，貿(mào)然全部采出，將破壞整體邊坡穩(wěn)定性，而留煤柱后，壓煤量較大，造成大量的資源浪費(fèi)。因此，若想最大限度安全回收北區(qū)東幫的24 煤，勢必要采用“橫采內(nèi)排、追蹤壓幫”的開采方式。

2.3 區(qū)域1 縱采轉(zhuǎn)橫采資源采出方案

目前21 煤以上已進(jìn)行了大量剝離工程，形成采場現(xiàn)狀有利于“橫采內(nèi)排、追蹤壓幫”方案的實施，若想最大限度回收21 煤和24 煤，關(guān)鍵是控制邊坡臨空面寬度和暴露時間，利用側(cè)邊約束和邊坡穩(wěn)定的時間效應(yīng)，快速將煤炭采出，跟進(jìn)排土恢復(fù)甚至超出原地表幾何輪廓進(jìn)行壓幫，降低對整體邊坡穩(wěn)定的影響?？紤]采用“橫采內(nèi)排、追蹤壓幫”的采出方案，邊坡側(cè)邊界約束效應(yīng)顯著，因此，需利用時效邊坡理論，計算臨時工作幫邊坡穩(wěn)定。以區(qū)域1 邊坡工程實際為背景，建立了區(qū)域1 邊坡計算模型。

橫采條件下，東幫穩(wěn)定性受橫采工作幫與內(nèi)排土場雙重支擋作用，因此，跟進(jìn)內(nèi)排與工作幫坡底之間的追蹤距離是控制內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。現(xiàn)分別按50、100、150 m 進(jìn)行設(shè)計，跟進(jìn)內(nèi)排土場坡面角為33°，平盤寬度50 m，壓幫標(biāo)高848 m，工作幫平盤寬度30 m，段高12 m，結(jié)合相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算。計算結(jié)果：追蹤距離50 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.186；追蹤距離100 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.087；追蹤距離150 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.031。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，區(qū)域1 橫采跟進(jìn)內(nèi)排與工作幫坡底的追蹤距離為50m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小為1.186，滿足安全儲備系數(shù)要求，潛在滑面空間位置位于臨空面附近，因此，確定合理的追蹤距離為50 m。

2.4 區(qū)域2 煤炭資源采出方案

區(qū)域2 位于北區(qū)中部，南北走向長600 m，主要可采煤層為F4斷層下盤21 煤、24 煤。類似區(qū)域1，分別假設(shè)橫采工作幫坡底與跟進(jìn)內(nèi)排的追蹤距離為50、100、150 m，跟進(jìn)內(nèi)排土場坡面角為33°，平盤寬度50 m，壓幫高度848 m，工作幫平盤寬度30 m，段高12 m，進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定計算。計算結(jié)果：追蹤距離50 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.153；追蹤距離100 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.053；追蹤距離150 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.017。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，區(qū)域2 橫采跟進(jìn)內(nèi)排與工作幫坡底的追蹤距離為50 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小為1.153，滿足安全儲備系數(shù)要求，潛在滑面空間位置位于臨空面附近，因此，確定合理的追蹤距離為50 m。

2.5 北區(qū)東幫煤炭資源開采實施

南露天煤礦北區(qū)東幫擬分區(qū)域1 縱采轉(zhuǎn)橫采和區(qū)域2 橫采2 個階段進(jìn)行開采。先對區(qū)域1 擴(kuò)幫剝離，將留設(shè)壓腳煤柱位置下部的坑底煤層縱采采出，之后盡快完成壓腳煤柱以下區(qū)域內(nèi)排；同時在邊坡雷達(dá)和GNSS 系統(tǒng)監(jiān)測條件下，由南向北逐步橫采壓腳煤柱，內(nèi)排臺階跟進(jìn)貼排至東幫－內(nèi)排土場與壓腳煤柱保持一定距離，以控制東幫－內(nèi)排土場復(fù)合邊坡臨空面寬度，直至區(qū)域1 坑底煤層開采完畢；隨之對區(qū)域2 在留設(shè)壓腳煤柱的條件下繼續(xù)由南向北逐步橫采坑底煤層，內(nèi)排臺階同樣跟進(jìn)貼排至東幫－內(nèi)排土場與橫采工作幫保持一定距離，以控制東幫－內(nèi)排土場復(fù)合邊坡臨空面寬度，直至區(qū)域2 坑底煤層開采完畢。區(qū)域3 位于北區(qū)規(guī)劃的北端幫位置，根據(jù)南露天礦規(guī)劃，短期內(nèi)不進(jìn)行開采，因此，本次采出方案研究未對其進(jìn)行設(shè)計。

3 結(jié)語

1）霍林河南露天煤礦北區(qū)東幫邊坡滑坡模式以24 煤底板弱層為底界面的切層－順層滑動；縱采方案無法安全高效地回收霍林河南露天煤礦北區(qū)東幫壓覆煤炭資源，采用以“橫采內(nèi)排、追蹤壓幫”為主的控制開采方案可最大限度地回收東幫邊坡壓覆的煤炭資源。

2）霍林河南露天煤礦北區(qū)東幫邊坡穩(wěn)定性隨內(nèi)排與橫采工作幫坡底的追蹤距離增大呈負(fù)指數(shù)降低，當(dāng)內(nèi)排追蹤距離50 m 時，可充分利用邊坡三維效應(yīng)回收壓覆的煤炭資源。