端幫靠幫開(kāi)采穩(wěn)定性分析與經(jīng)濟(jì)效益研究*

孟慶武 舒繼森 韓 流

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

傳統(tǒng)的露天煤礦靠幫開(kāi)采是指采場(chǎng)最上部工作線(xiàn)到界后，下部工作線(xiàn)繼續(xù)開(kāi)采直至達(dá)到設(shè)計(jì)的終了幫坡角的開(kāi)采過(guò)程。在設(shè)計(jì)最終邊坡角時(shí)，通常采用靜態(tài)極限平衡法，要求非工作幫最終邊坡服務(wù)于采場(chǎng)采剝作業(yè)的全過(guò)程，最終邊坡穩(wěn)定系數(shù)取值偏高，而且最終邊坡上還要設(shè)置保安平盤(pán)和運(yùn)輸平盤(pán)。因此，設(shè)計(jì)的最終邊坡角比實(shí)際上能達(dá)到的穩(wěn)定邊坡角要小。

我國(guó)大型露天煤礦基本為近水平煤層埋藏，采用分區(qū)開(kāi)采內(nèi)排壓幫開(kāi)采程序，年產(chǎn)量和工作線(xiàn)推進(jìn)強(qiáng)度大，使得端幫邊坡暴露面積和存在時(shí)間大大減?。?］。因此，更加有必要采用靠幫開(kāi)采來(lái)提高露天礦的端幫邊坡角。

利用靠幫開(kāi)采的相關(guān)理論和方法，選取合適的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，提高端幫邊坡角，在露天礦上部境界不動(dòng)的情況下，不但可使露天開(kāi)采境界內(nèi)的資源量增加，剝采比減少，對(duì)于分區(qū)內(nèi)排開(kāi)采的露天煤礦還可以有效減少條區(qū)間二次剝離量，顯著提高露天開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。

1 靠幫開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 穩(wěn)定性分析基本方法

傳統(tǒng)的邊坡設(shè)計(jì)方法是靜態(tài)極限平衡法，這是一種確定性的研究方法，在計(jì)算時(shí)通常選取一個(gè)較為保守的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs(如1.3)，將滑體作為剛體分析其沿滑動(dòng)面的平衡狀態(tài)，常用的方法有瑞典條分法、Bishop法、傳遞系數(shù)法等。但極限平衡法沒(méi)有考慮地應(yīng)力的作用［2-3］，而且由于大型露天煤礦邊坡體的復(fù)雜性，計(jì)算時(shí)模型的建立與參數(shù)的選取不可避免地使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不吻合［4］，造成邊坡角取值偏大。

因此，要有效地實(shí)施端幫靠幫開(kāi)采，就必須合理地減小端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)，而且對(duì)于大型露天煤礦而言，有必要考慮地應(yīng)力的作用，同時(shí)采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行定量的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，通過(guò)多種方案的計(jì)算、分析、比較，確定最合理的端幫邊坡角。

對(duì)于我國(guó)大型露天煤礦而言，端幫邊坡的范圍很大，在進(jìn)行數(shù)值模擬和極限平衡法分析計(jì)算時(shí)，如果對(duì)整個(gè)邊坡做三維計(jì)算和分析，工作量將特別大，對(duì)結(jié)果的分析也很繁雜，不能一目了然，故對(duì)整個(gè)邊坡的大范圍的穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)采用二維的有限差分(FLAC2D)和極限平衡分析(GEO－SLOPE)程序。其中極限平衡分析同時(shí)采用簡(jiǎn)化Bishop法、精確Janbu法和Sarma法。2種方法相互比較、補(bǔ)充、驗(yàn)證，可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性［2］。

1.2 穩(wěn)定性分析具體步驟

(1)收集端幫邊坡的地質(zhì)資料，準(zhǔn)確掌握端幫地質(zhì)構(gòu)造、巖層物理力學(xué)性質(zhì)、地下水、地應(yīng)力等影響邊坡穩(wěn)定的主要因素［5］。

(2)根據(jù)邊坡工程地質(zhì)分區(qū)和不同位置邊坡的穩(wěn)定性情況及重要程度，選擇若干具有代表性的剖面進(jìn)行分析，確定相關(guān)的巖石物理力學(xué)參數(shù)。

(3)對(duì)于每個(gè)剖面，以原有端幫邊坡角為基準(zhǔn)，確定若干個(gè)提高端幫邊坡角度的方案。

(4)對(duì)于每個(gè)方案，將掌握的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)和相關(guān)邊坡參數(shù)分別輸入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，進(jìn)行綜合數(shù)值模擬分析，求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

(5)根據(jù)端幫邊坡的地質(zhì)情況和露天礦的實(shí)際推進(jìn)速度，選取合理的靠幫開(kāi)采的穩(wěn)定系數(shù)［6］，以此確定每個(gè)剖面靠幫開(kāi)采的端幫邊破角。

(6)將不同剖面2種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，確定最佳的靠幫開(kāi)采的端幫邊坡角。

2 經(jīng)濟(jì)效益研究

以分區(qū)內(nèi)排開(kāi)采的近水平煤層埋藏的露天礦為例，在上部境界不動(dòng)的情況下分別分析端幫靠幫開(kāi)采帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和減少的二次剝離成本。

在分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析模型，均以單一煤層為例，對(duì)于復(fù)合煤層，可以按照類(lèi)似的方法進(jìn)行分析。

2.1 靠幫開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

靠幫開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析模型如圖1。

圖1 靠幫開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型

根據(jù)1.2小節(jié)穩(wěn)定性分析的步驟對(duì)露天礦端幫進(jìn)行靠幫開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析后，假設(shè)兩側(cè)端幫邊坡角分別由α1、α2提高到β1、β2(如圖1)，則兩側(cè)端幫多采出的巖石面積SY1、SY2和礦石面積SK1、SK2分別為

式中，h、H分別為根據(jù)鉆孔資料得出的煤層平均厚度和上覆巖層平均厚度的期望值，m。

多采出的巖石總面積SY和礦石總面積SK分別為

由靠幫開(kāi)采帶來(lái)的純剝離成本QB和純采礦成本QC分別為

式中，QB和QC分別為每年由靠幫開(kāi)采帶來(lái)的純剝離成本和純采礦成本，萬(wàn)元;L為露天礦實(shí)際年推進(jìn)強(qiáng)度，m/a;a為單位純剝離成本，元/m3;b為單位純采礦成本，元/t;k為原煤容重，t/m3。

由靠幫開(kāi)采帶來(lái)的銷(xiāo)售收入為

式中，QSR為每年由靠幫開(kāi)采帶來(lái)的煤炭銷(xiāo)售收入，萬(wàn)元;η為回采率，%;c為煤炭銷(xiāo)售價(jià)格，元/t。

則靠幫開(kāi)采可以產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益QXY(萬(wàn)元)為

2.2 節(jié)約的條區(qū)間二次剝離成本計(jì)算

對(duì)于分區(qū)內(nèi)排開(kāi)采的露天礦，假設(shè)在后一條區(qū)開(kāi)采時(shí)前一條區(qū)相應(yīng)位置處已全部?jī)?nèi)排完畢，則會(huì)在條區(qū)相接處產(chǎn)生相應(yīng)的二次剝離量。采用靠幫開(kāi)采可以減少條區(qū)間二次剝離量，進(jìn)而節(jié)約二次剝離成本。

圖2 減少的條區(qū)間二次剝離成本計(jì)算模型

減少的條區(qū)間二次剝離成本計(jì)算分析模型如圖2。假設(shè)采用靠幫開(kāi)采后前一條區(qū)端幫邊坡角由α提高到β，后一條區(qū)開(kāi)采時(shí)與前一條區(qū)相接一側(cè)端幫邊坡角為γ，靠幫開(kāi)采前后產(chǎn)生的二次剝離面積分別為圖2中的△AEG和△ADF，則減少的二次剝離面積SJ為

節(jié)約的二次剝離成本QJ為

式中，d為單位二次剝離成本，元/m3;QJ為采用靠幫開(kāi)采每年可以節(jié)約的二次剝離成本，萬(wàn)元。

3 實(shí)例研究

以我國(guó)北方某近水平露天煤礦為例，進(jìn)行靠幫開(kāi)采的邊坡穩(wěn)定性分析和經(jīng)濟(jì)效益研究。

該露天礦由西向東推進(jìn)，工作線(xiàn)推進(jìn)強(qiáng)度400 m/a，可采煤層平均厚度28 m，上覆巖層平均厚度150 m，采用單斗鏟—汽車(chē)生產(chǎn)工藝，分區(qū)開(kāi)采，壓幫內(nèi)排。

3.1 靠幫開(kāi)采的邊坡穩(wěn)定性分析

以第一條區(qū)為例，在南幫和北幫分別選取1個(gè)典型剖面(如圖3)，初始端幫邊坡角均為37°。

所選取的端幫剖面的巖層劃分及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

以初始端幫邊坡角為基準(zhǔn)，確定提高端幫邊坡角度的方案如表2所示。

將表1中地質(zhì)資料數(shù)據(jù)和相關(guān)邊坡參數(shù)分別輸入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，進(jìn)行綜合數(shù)值模擬分析，求解各個(gè)角度方案下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

圖3 南北端幫A－A剖面現(xiàn)狀

表1 A－A剖面巖層劃分及物理力學(xué)參數(shù)

表2 提高端幫邊坡角度的方案 (°)

表3 南幫邊坡不同角度穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 北幫邊坡不同角度穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

可知:2種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致。根據(jù)端幫邊坡的地質(zhì)情況和露天礦的實(shí)際推進(jìn)速度，選取穩(wěn)定系數(shù)Fs的值為1.15，對(duì)比2種方法的計(jì)算結(jié)果，確定在此穩(wěn)定系數(shù)條件下靠幫開(kāi)采的端幫邊坡角南幫為44°，北幫為42°。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益研究

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，一條區(qū)南北幫的邊坡角可由37°分別提高到44°和42°，取純剝離成本10元/m3，純采煤成本7元/t，煤炭銷(xiāo)售價(jià)格120元/t，回采率95%，根據(jù)所建立的經(jīng)濟(jì)效益模型計(jì)算得:一條區(qū)采用端幫靠幫開(kāi)采每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為11 692.112萬(wàn)元。

二條區(qū)開(kāi)采位置選在一條區(qū)南側(cè)，取二次剝離成本9元/m3，根據(jù)建立的模型計(jì)算得:一條區(qū)采用靠幫開(kāi)采每年可以為二條區(qū)開(kāi)采節(jié)約二次剝離成本為1 662.287萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，在該露天礦實(shí)施靠幫開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4 結(jié)論

(1)對(duì)我國(guó)大型近水平露天煤礦實(shí)施端幫靠幫開(kāi)采是有必要的，在技術(shù)上也是可行的。

(2)提出了端幫靠幫開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法和具體的分析步驟，對(duì)實(shí)施端幫靠幫開(kāi)采有一定的指導(dǎo)意義。

(3)建立了由靠幫開(kāi)采帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益研究模型和節(jié)約的二次剝離成本計(jì)算模型。

(4)實(shí)例驗(yàn)證了本研究方法和結(jié)果的正確性。對(duì)我國(guó)北方某露天礦實(shí)施端幫靠幫開(kāi)采，一條區(qū)兩側(cè)的端幫邊坡角可以由37°分別提高到44°、42°，由此每年可以獲得的經(jīng)濟(jì)效益為11 692.112萬(wàn)元，每年可以節(jié)約一條區(qū)和二條區(qū)之間的二次剝離成本1 662.287萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

［1］ 才慶祥，周 偉，車(chē)兆學(xué)，等.近水平露天煤礦端幫靠幫開(kāi)采方式與剝采比研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(6):743-747.

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