北山露天礦東幫開采與回填方案邊坡穩(wěn)定性研究

曹德 趙力 王剛

摘要：以北山露天煤礦為依據(jù)，采用極限平衡法對東幫邊坡開采與回填壓腳方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究。對以往巖土物理力學(xué)試驗取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，獲取適用于本次研究區(qū)域的巖體力學(xué)評價參數(shù)。通過對4種開采設(shè)計方案的穩(wěn)定性和采煤量分析，得出最合理的開采角度為65°。由于形成單臺高陡邊坡，對5種回填壓腳方案進(jìn)行穩(wěn)定性和回填量對比分析，最終得出回填壓腳邊坡角36°最合理。

Abstract： Based on the Beishan Open-pit Coal Mine， the limit equilibrium method is used to study the slope stability of the eastern slope mining and backfill presser foot scheme. The datas obtained from previous geotechnical physical mechanics experiments are summrized to obtain the rock mechanics evaluation parameters applicable to the study area. Through the analysis of the stability and coal mining volume of the four mining design schemes， the most reasonable mining angle is 65°. Due to the formation of a single high-steep side slope， the stability and backfill amount of the five backfill presser foot schemes are compared and analyzed， and finally the backfill presser foot slope angle of 36° is the most reasonable.

關(guān)鍵詞：露天煤礦;極限平衡;邊坡穩(wěn)定性;邊坡角;回填壓腳

Key words： open-pit coal mine;limit equilibrium;slope stability;slope angle;backfill presser foot

中圖分類號：TD824.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0109-03

0? 引言

煤炭為不可再生的重要戰(zhàn)略性資源[1]，對保障國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展起著重要的作用，必須由傳統(tǒng)的粗放型開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)約保護(hù)性開發(fā)，開發(fā)大型現(xiàn)代化礦山。為合理開發(fā)寶貴資源，規(guī)范開采順序，需要對煤炭資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，合理利用[2]。針對如何最大限度地回收煤炭資源量，延長礦山服務(wù)年限。盡早的有效擴(kuò)大和利用排土空間，縮短剝離運距降低生產(chǎn)成本。露天煤礦的開采由于最終邊坡角的限制，其邊幫壓覆的煤炭資源量非常大[3]。因此針對如何最大限度地回收煤炭資源量及如何保證陡幫開采邊坡穩(wěn)定性的治理措施，是采礦工程科學(xué)技術(shù)人員備受關(guān)注的關(guān)鍵問題之一。

1? 礦山概況

北山露天煤礦二號露天采掘場已形成東西長1.4km，南北寬2.4km，采場面積（包括北部排土場）約3.76km2，最低開采水平+580m、開采深度125m，主要對B2、B3、B4、B5、B7煤層進(jìn)行開采，臺階水平劃分，沿煤層底板向頂板推進(jìn)，平均工作線長度900m，14個臺階、臺階高度10m，東幫、西幫已形成端幫，南幫為工作幫（幫坡角8°），北幫已實現(xiàn)內(nèi)排，內(nèi)排臺階6個、臺階高度20m;其工作線東西向布置、工作幫向南推進(jìn)（即沿著煤層傾向推進(jìn)）。現(xiàn)對東端幫壓覆的煤炭資源進(jìn)行最大化剝采，通過理論分析與現(xiàn)場實際情況結(jié)合得出內(nèi)排壓幫控制開采方法是合理利用開采程序，提高端幫邊坡角，回收深部煤炭資源最合理，不僅最大限度地提高煤炭資源回收量，延長礦山服務(wù)年限，而且剝采比小、縮短剝離運距，降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益好。但需制定合理控制開采邊坡角及回填壓幫方案，以確保東段幫在開采及回填壓幫后邊坡的穩(wěn)定性。

2? 巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)確定是邊坡穩(wěn)定性計算評價的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵。工程實踐與試驗研究表明：由于受尺寸效應(yīng)、試驗條件以及巖體中不連續(xù)面等因素影響，巖體強度明顯要小于巖石（塊）強度。而工程分析所采用的參數(shù)常直接取于實驗室測試的巖塊強度，用其分析邊坡穩(wěn)定性容易出現(xiàn)失真，因此邊坡穩(wěn)定性分析時，必須要通過科學(xué)合理的方法獲取巖體的強度指標(biāo)。本次巖土體物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)的確定是結(jié)合以往試驗研究成果，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗，歸納總結(jié)得出該礦本次穩(wěn)定性分析的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見表1。

3? 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡法

該方法基本原理是假定邊坡體中存在潛在滑面，并對滑面之上的滑體進(jìn)行有限條分最終形成若干個相互作用的條塊，首先對每個單獨條塊建立靜力平衡方程，接著利用各條塊之間的相互作用關(guān)系并聯(lián)立各條塊靜力平衡方程，來創(chuàng)建整個宏觀滑體的靜力平衡方程，最終將滑面上抗剪力與剪切力的比值定義為潛在滑體的穩(wěn)定系數(shù)[4]。由于極限平衡理論體系的不斷豐富，衍生出很多更為簡便的方法，例如Morgenstern-price法、Ordinary法、Bishop法、Janbu法等[5～6]。本次運用Morgenstern-price法來計算東幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，該方法采納了全部邊界條件及平衡條件來彌補計算方法的缺陷，因此計算結(jié)果更具真實性[7-9]。

3.2 安全儲備系數(shù)

本次安全儲備系數(shù)主要按照《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》（GB50197-2015）之有關(guān)規(guī)定（見表2），并在現(xiàn)有的邊坡資料基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)邊坡工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件來最終確定。由于東幫地表緊鄰國防公路，考慮到國防公路的安全問題，最終確定東幫邊坡的安全儲備系Fs數(shù)為1.2，治理后東幫采掘場成為最終邊坡安全儲備系數(shù)為1.3。

4? 開采方案穩(wěn)定性分析

4.1 剖面選取

通過邊坡穩(wěn)定性影響因素分析以及工程地質(zhì)勘查完成（剖面位置主要選擇在工程地質(zhì)鉆孔附近）的情況，選取東幫深部靠幫開采范圍內(nèi)的典型剖面，對其進(jìn)行工程地質(zhì)模型的構(gòu)建并分析邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算工程地質(zhì)模型剖面平面布置見圖1所示。

4.2 開采方案確定

北山露天煤礦編制以+600m水平運輸平盤為頂部界局部邊坡角55°、60°、65°、70°四種方案反至煤層底板形成一個高陡臺階，隨后內(nèi)排工作幫以距離采煤工作幫50m的空間關(guān)系向東推進(jìn)。在開采過程中下部會出現(xiàn)高陡邊坡的情況，為保證安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益最大化，對各方案進(jìn)行對比分析，尋求最合理的開采角度，工程地質(zhì)模型見圖2。

本次東幫端幫開采方案對東幫邊坡穩(wěn)定性的影響非常大，因此分別對東幫端幫現(xiàn)狀邊坡和4種開采方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。建立工程地質(zhì)模型并進(jìn)行穩(wěn)定性計算。現(xiàn)狀整體邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖3。

經(jīng)穩(wěn)定性計算得出未開采前整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.214，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但+660m～+630m水平處局部邊坡處穩(wěn)定性較低，在下部端幫開采過程中要注意此處是否會發(fā)生片幫。為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化和邊坡安全穩(wěn)定生產(chǎn)，分別對設(shè)計下部煤層開采角度為55°、60°、65°、75°，四種開采方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性和單位長度采煤量進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

從表3可看出局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著邊坡角增大而減小，采煤量隨設(shè)計邊坡角增大而增大。開采方案1和2局部邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對于工作幫臨時邊坡來看，滿足生產(chǎn)需求，且還可再進(jìn)一步加大邊坡角;開采方案4，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.825，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.943，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。開采方案3，局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.891小于1.0，屬于不穩(wěn)定邊坡，由于深部邊坡變陡導(dǎo)致整體邊坡角度變大，東幫整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.012接近于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)端幫開采方案，這一時刻的邊坡狀態(tài)存在時間較短。在充分利用邊坡的時效性的同時，只需快速對暴露的邊坡進(jìn)行內(nèi)排回填壓腳。綜合采煤量和邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，開采方案3設(shè)計邊坡角為65°最合理，開采方案3穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖4所示。

4.3 回填壓腳方案穩(wěn)定性分析

根據(jù)礦區(qū)實際情況標(biāo)高+600位置與需原平盤接壤，因此根據(jù)開采方案3設(shè)計從標(biāo)高+600開采位置以平盤寬度20m，回填壓腳部分單臺階邊坡角分別為33°、34°、35°、36°、37°，向下部煤層底板反2個臺階，在標(biāo)高+600平盤上增高1個臺階。建立工程地質(zhì)模型并對5種不同角度回填壓腳方案進(jìn)行穩(wěn)定性計算。以36°回填壓腳方案如圖5所示。

從表4可看出，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)在平盤寬度不變的情況下隨著單臺階角度增大而減小，回填壓腳量隨單臺階角度增大而減小。回填壓腳方案1～4，局部邊坡和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，滿足安全儲備需求;回填壓腳方案5整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，不滿足安全儲備需求。綜合分析，回填壓腳方案4，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.356，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.301，回填壓腳方案4，不僅滿足邊坡安全穩(wěn)定性要求還能最大程度減少工程量。回填壓腳方案4計算結(jié)果如圖6所示。

5? 結(jié)論

①通過對以往巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)、資料的歸納、分析、整理，對各項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行可靠性分析，結(jié)合類比分析結(jié)果，獲得適用于本次研究的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

②以65°單臺階邊坡角開采東幫余煤，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)雖小，但整體邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，充分利用邊坡時效性，進(jìn)行內(nèi)排回填壓腳可獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

③以單臺階邊坡角為36°進(jìn)行邊坡回填壓腳，可滿足邊坡穩(wěn)定性的安全儲備需求，還可減少回填工作量。

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