哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡角度優化

呂 粲 李克民 馬 力 劉 干 劉 桐

(1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡角度優化

呂 粲1，2李克民1，2馬 力1，2劉 干1，2劉 桐1，2

(1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

露天煤礦邊坡是構成采礦場形狀的重要要素，合適的邊坡角度對維持露天煤礦邊坡穩定和經濟效益具有重要意義。以哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡為例，分別采用數值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3種極限平衡法相結合的方法，分析了哈爾烏素南端幫邊坡在37°現有的條件下端幫邊坡最小穩定系數為1.341，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體，南端幫邊坡處于穩定狀態且有進一步提高的可能。充分結合目前南端幫平臺構成特征并考慮端幫運輸系統的情況下，提出4種提高端幫邊坡角度方案，并采用有限元法和Janbu極限平衡法對4種可行方案進行對比和穩定性分析。結果表明：邊坡角度可以提高至40°，最低穩定系數能達到1.135，可增加原煤產量近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，可提高經濟效益7 382萬元。

露天煤礦 端幫邊坡 穩定性分析 角度優化

露天煤礦終了采礦場呈倒梯臺形狀，大型近水平露天煤礦端幫高陡，地表境界與底部境界錯落水平面內壓賦大量煤炭資源。因此，露天礦邊坡工程是直接關系到礦山生產安全和直接經濟效益的重要研究內容[1-3]，一座相對中等規模的露天礦山，若采場總體邊坡角提高1°，即可減少巖石剝離量約1 000×104m3，節省成本近億元，可獲巨大的經濟效益[4]。

為保證露天煤礦端幫邊坡長時穩定，設計的端幫邊坡角度趨于保守，而加上端幫邊坡上設置多個保安平臺和運輸平臺，最終露天煤礦端幫邊坡角比實際能達到的邊坡角要小得多，造成大量煤炭資源浪費[5-6]。因此，有必要對生產露天煤礦的端幫邊坡角度進行優化研究，結合采場端幫運輸系統的布置，在保證生產安全的重要前提下，確定最經濟、適宜、合理的端幫邊坡角度。

1 礦山概況

哈爾烏素露天煤礦地處鄂爾多斯高原，設計生產能力20 Mt/a，通過擴能改造生產能力已突破30 Mt/a，是我國在建露天煤礦中規模最大的露天煤礦之一。巖層剝離采用單斗挖掘機—汽車間斷剝離工藝，剝離臺階高度15 m，采煤采用單斗挖掘機—汽車—半固定破碎站的半連續工藝，整體上工藝簡單，剝采排時空發展穩定[7]。采剝工程于首采區沿工作線向東推進，南北端幫已形成，并實現采空區內排土。采場工作幫邊坡角為7°，內排土場工作幫邊坡角為12°，南端幫邊坡角為37°，坑底寬度40 m，工作幫推進度取340 m/a。

根據選取的南端幫典型剖面如圖1所示，獲取該端幫地段巖體物理力學參數見表1。

巖石名稱容 重/(kN/m3)內摩擦角/(°)黏聚力/kPa彈性模量/MPa泊松比黃 土19.529.545800.30中砂巖22.731.5150161010.16砂質泥巖24.529.525080330.24泥巖124.624.21289220.18細砂巖123.922.216233140.15泥巖225.334.41289220.18細砂巖226.422.216233140.15泥巖325.735.9170111700.30粗砂巖126.230.2210265500.27泥巖425.136.1170111700.30粗砂巖224.230.2175265500.275#煤層14.635.0185101230.29粗砂巖321.228.3175265500.276#煤層14.035.0185101230.29泥巖526.435.9153384240.10

2 南端幫邊坡穩定性分析

邊坡穩定性分析方法分別采用數值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3種極限平衡法相結合[8-9]，計算確定其南端幫邊坡穩定性系數。分析結果如圖2所示。

圖2 南端幫邊坡穩定性計算結果Fig.2 Slope stability calculating result

從圖2可以看出，滑面為圓弧滑動式，采用有限元與極限平衡的Fellenius、Bishop和Janbu的計算結果分別為1.38、1.357、1.467和1.341，其中Janbu法計算結果最小。從穩定性計算結果來看，該露天煤礦南幫邊坡穩定系數取1.341，南端幫邊坡穩定程度較高，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體。該潛在滑動面其目前較穩定，從安全和實際應用角度考慮，尚有進一步提高的可能性[10]。

3 南幫邊坡角度優化確定

為實現該露天煤礦南端幫邊坡角度的優化，需調整不同端幫平臺寬度綜合確定，依據其目前南幫端幫平臺構成及邊坡穩定性分析，采用有限元數值模擬軟件，分析計算各種端幫平臺調整后對應方案的穩定性系數。為保證陡幫開采過程中邊坡穩定，按照極限平衡法思想，以最小穩定系數=1為調整臨界點。

3.1 南端幫邊坡角度優化

南部端幫邊坡各平臺為坑底975 m水平、1 022 m平臺、1 060 m平臺、1 095 m平臺、1 030 m平臺，最下端幫臺階高度47 m，其他各臺階高度在35 m左右。端幫臺階的形成與工作幫臺階有關，端幫臺階高度為工作幫臺階高度的2倍左右，由相鄰2個工作臺階到界后并段形成1個端幫臺階。在目前端幫邊坡平臺構成現狀的情況下，如果繼續采用預裂爆破將2個35 m臺階并段，則無法保留設于上部各平臺的運輸通道，由此而引起多水平的運輸道路優化問題及邊坡安全問題。

在邊坡工程中通常有凸型邊坡和凹形邊坡2種形態，根據露天煤礦邊坡地層巖性賦存特點，凸型邊坡的穩定性要強于凹形邊坡，該礦南幫邊坡穩定性優化中僅考慮在最下部1 022 m平臺寬度調整的邊坡角度及穩定性變化。目前該礦1 022 m平臺寬度40.35 m，分別將平臺寬度降低至30.98 m、22.72 m、14.16 m、7.21 m時對應的邊坡角提高至38°、39°、40°、41°，即為表2所示的4個方案。

表2 南端幫陡幫開采方案設計Table 2 Steep slope mining scheme design of south end-slope

各方案的邊坡穩定性計算結果見表3。

表3 南幫陡幫開采方案邊坡穩定性計算結果Table 3 Slope stability results of steep south end-slope mining schemes

由表3可以看出，隨著底部1 022 m平臺寬度的不斷降低，端幫邊坡穩定的穩定系數逐漸降低，按照Janbu法極限平衡原理確定的穩定性系數為幾種方案的最小值。方案一的最低穩定系數為1.287，方案二的最低穩定系數為1.277，2種方案的潛在危險滑動面貫穿整個端幫邊坡，破壞模式為圓弧滑動。隨著下部平臺寬度的繼續降低，方案三和方案四的最低穩定系數分別為1.135和1.077，2種方案的危險滑動面發生在下部2個臺階內部，邊坡容易發生局部破壞。

因南端幫為順層邊坡，為保證邊坡穩定性安全并考慮到邊坡地層以泥巖和砂巖為主，泥巖遇水強度降低，影響整體邊坡穩定，在方案設計時，取南幫邊坡最低安全穩定系數為1.1。因此，從邊坡穩定性角度考慮，哈礦南端幫靠幫開采方案可采用方案三，即將底部1 022 m平臺寬度降低26.2 m，保留14 m的安全平臺寬度。

3.2 南端幫邊坡優化剝采量變化

通過分析各不同陡幫開采方案的邊坡角度變化引起的端幫剝采量變化，按照年推進度340 m/a、5#煤容重1.46 t/m3、6#煤容重1.40 t/m3計算增加的煤巖量變化見表4。

表4 南幫陡幫開采方案剝采量變化Table 4 Stripping and excavating volume variation of steep south end-slope mining schemes

在該礦目前南幫邊坡角度為37°的條件下，根據其穩定性計算，可提高至40°，可增加5#煤量2.5萬t，6#煤量41.3萬t，總計近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，邊界層剝采比僅為0.41 m3/t。取原煤價格200元/t，采煤成本24元/t，剝離成本18元/m3，經濟效益可達7 382萬元。

4 結 論

(1)對哈爾烏素露天煤礦目前條件下南端幫邊坡穩定性進行分析，其穩定系數為1.341，南端幫邊坡穩定程度較高，潛在圓弧滑動面貫穿整個坡體，尚有進一步提高的可能性。

(2)經過方案對比和穩定性分析計算，該礦南端幫通過調整最下部平臺寬度至14 m，邊坡角度可提高至40°，最低穩定系數能達到1.135，滿足安全要求。

(3)通過邊坡角度優化，可增加5#煤量2.5萬t，6#煤量41.3萬t，總計近43.8萬t，增加巖石剝離量18.15萬m3，邊界層剝采比僅為0.41 m3/t，經濟效益顯著。

[1] 孫樹海，曹蘭柱，張立新.露天礦邊坡穩定性的模糊綜合評判[J].遼寧工程技術大學學報，2007,26(2):177-179. Sun Shuhai，Cao Lanzhu，Zhang Lixin.Fuzzy comprehensive judgment method used in slope stability of strip mine[J].Journal of Liaoning Technical University，2007,26(2):177-179.

[2] 楊天鴻，張鋒春，于慶磊，等.露天礦高陡邊坡穩定性研究現狀及發展趨勢[J].巖土力學，2011，32(5):1437-1472. Yang Tianhong，Zhang Fengchun，Yu Qinglei，et al.Research situation of open-pit mining high and steep slope stability and its developing trend[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(5):1437-1472.

[3] 劉向峰，朱劍鋒，王振偉.黑岱溝露天礦排土場西部變形區滑坡控制[J].遼寧工程技術大學學報，2011(3):361-364. Liu Xiangfeng，Zhu Jianfeng，Wang Zhenwei.Slope control of Heidaigou Open-pit dump west deformation area[J].Journal of Liaoning Technical University，2011(3):361-364.

[4] 張四維.我國露天礦邊坡工程研究成果與進展[J].地質災害與環境保護，2000，21(9):1-6. Zhang Siwei.Advance in the research on open-pit slope in China[J].Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2000，21(9):1-6.

[5] 才慶祥，周 偉，車兆學，等.近水平露天煤礦端幫靠幫開采方式與剝采比研究[J].中國礦業大學學報，2007，36(6):743-747. Cai Qingxiang，Zhou Wei，Che Zhaoxue，et al.Research on the mining method and stripping ratio of steep end-slope mining in surface coal mines with flat coal deposit[J].Journal of China University of Mining & Technology，2007，36(6):743-747.

[6] 羅懷廷，張 亮.哈爾烏素露天煤礦北端幫運輸系統優化研究[J].神華科技，2013(2):42-44. Luo Huaiting，Zhang Liang.Research on optimization of transportation system in northern slope of Haerwusu Open-pit Coal Mine[J].Shenhua Science and Technology，2013(2):42-44.

[7] 韓占占.哈爾烏素露天煤礦邊坡穩定性分析[J].露天采礦技術，2013(9):24-27. Han Zhanzhan.Analysis on Haerwusu Open-pit Mine slope stability[J].Opencast Mining Technology，2013(9):24-27.

[8] 丁立明，才慶祥，劉 雷，等.軟弱夾層對露天礦邊坡穩定性的影響[J].金屬礦山，2012(4):40-42. Ding Liming，Cai Qingxiang，Liu Lei，et al.Effect of weak interlayer on slope stability of open-pit mine[J].Metal Mine，2012(4):40-42.

[9] 張 濤，馬 寧，陳慶豐，等.弓長嶺露天鐵礦大陽溝排土場邊坡穩定性分析[J].金屬礦山，2013(9):6-9. Zhang Tao，Ma Ning，Chen Qingfeng，et al.Analysis of slope stability of Dayanggou dump at Gongchangling Open Pit Iron Mine[J].Metal Mine，2013(9):6-9.

[10] 王博文，才慶祥，周 偉，等.基于邊坡時效性的露天煤礦端幫靠幫開采[J].煤炭工程，2010(4):9-11. Wang Bowen,Cai Qingxiang,Zhou Wei，et al.End slope mining and pit slope mining of surface mine base on slope time effect[J].Coal Engineering，2010(4):9-11.

(責任編輯 徐志宏)

Optimization of the South End-slope Angle of Haerwusu Surface Coal Mine

Lu Can1，2Li Kemin1，2Ma Li1，2Liu Gan1，2Liu Tong1，2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221116，China)

The end-slope is the significant factor of composing the open coal pit，and the reasonable end-slope angle has a great significance on maintaining slope stability and economic benefit.Taking the south end-slope of Haerwusu open coal pit as a case，the numerical finite element method and three ultimate equilibrium methods of Fellenius，Bishop，Janbu were adopted separately to obtain the minimum stability coefficient to be 1.341 on the basis of the slope angle at 37°.There is a potential circular slip surface throughout the entire south end-slope.Its stability is in steady state and has the potential to improve.Based on considering the south end-slope constitutive characteristic and haulage system arrangement，four schemes of improving south end-slope degree were proposed.Numerical finite element method and ultimate equilibrium method of Janbu theory were adopted to analyze slope stability of four feasible programs，the results showed that the slope angle was increased to 40°，and the minimum stability coefficient reached 1.135.By this method，more than 438 thousand ton of coal resources and 181.5 thousand m3of rock stripping volume were increased，which brings economic benefit of more than 73 820 thousand yuan.

Surface coal mine，End-slope，Stability analysis，Slope angle optimization

2014-03-03

呂 粲(1990—)，女，碩士研究生。

TD824

A

1001-1250(2014)-05-032-04