陡幫開采技術在將軍戈壁二號露天煤礦的應用

朱 濤，孫進步，萬忠明

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

端幫陡幫開采是指露天采場端部的邊幫（即端幫）在靠界過程中，加陡端幫幫坡角，盡可能多回收端幫壓煤，并盡早實現內排壓幫[1]。目前陡幫開采技術較為成熟，利用此技術增大端幫最終邊坡角可回收端幫壓煤，減少開采相鄰采區時的重復剝離量，在國內各大型露天煤礦得到廣泛應用。

新疆天池能源有限責任公司將軍戈壁二號露天煤礦（以下簡稱“將二礦”）位于新疆準東奇臺縣城北東90 km 處。礦田位于將軍戈壁勘查區的西部，地處準東煤田西黑山礦區北部，劃定礦區范圍批復面積為87.23 km2。本礦一期建設規模10.0 Mt/a，二期建設規模20.0 Mt/a，2017 年生產規模[2]達到10.0 Mt/a。首采區內主要開采煤層自上而下依次為B5 煤、B3煤和B2 煤，剝離工藝為單斗-卡車間斷開采工藝，采用液壓挖掘機將剝離物裝入自卸卡車，自卸卡車運行至排土場排棄物料，用輪式前裝機推送剝離物輔助排土；采煤工藝采為單斗-卡車-地面半固定式破碎站-帶式輸送機半連續工藝。

首采區由北側拉溝向南推進，到界之后，西幫開始緩幫過渡為工作幫，南幫由工作幫逐漸加陡變成端幫。在2017 年完成轉向后，南幫各臺階全部到界，內排已經跟進壓覆東幫和北幫，由于暴露時間短，且內排跟進及時，南幫的穩定性良好。因此，在將二礦進行陡幫開采技術的應用，在保證端幫安全穩定的前提下，盡可能的提高邊坡角，不僅增加了煤炭資源回收率，更節約了采區間的二次剝離量，具有顯著的經濟效益。

1 陡幫前南端幫穩定性分析

邊坡穩定性方面比較成熟的方法有極限平衡法、有限差分法和有限元法，本次選擇GEO-slope 和FLAC 2 種分析軟件對將二礦南端幫邊坡的穩定性進行模擬分析。

運用GEO-slope 對確定的2 個剖面進行穩定性分析，再運用FLAC3D建立礦區三維數值計算模型進行驗算，分別得到了其穩定性系數。

1.1 GEO-slope 端幫穩定性分析

GEO-slope 軟件的計算原理即為極限平衡原理。分別在該軟件中建立數值計算模型，利用CAD對剖面進行層狀劃分，在GEO-SLOPE 軟件中將層狀輸出。南端幫P1-P1 剖面煤巖層分布如圖1，南端幫P1-P1 剖面穩定性分析結果如圖2，圖2 中深色為煤層，從上到下分別是B5、B3、B2 煤層[3]。巖土力學參數見表1。

表1 巖土力學參數

圖1 南端幫P1-P1 剖面煤巖層分布

通過計算得到南端幫P1-P1 剖面穩定系數為1.256，穩定性良好。從圖2 可以看出該方法分析是將滑體劃分為若干條塊，每個條塊的重力和抗滑力及條塊與條塊之間的相互作用力都納入到穩定系數的計算過程中，通過這種條分法處理，并將每個條塊進行疊加，最終得到整個邊坡的穩定系數。

圖2 南端幫P1-P1 剖面穩定性分析結果

1.2 FLAC 端幫穩定性分析

為了驗證二維數值計算結果的準確性，特建立三維數值計算模型，考慮邊坡整體的穩定性。通過分析礦區現有數據，對建立的三維數值計算模型進行了一定的簡化，模型只考慮南幫和東幫部分區域。通過3DMine 軟件獲取三維地表高程數據，導入ANSYS 軟件建立三維幾何模型，然后將建立的幾何模型導入HYPERMESH 劃分網格，最后將網格導入FLAC3D進行邊坡穩定性分析[4]。計算時模型底面約束豎向位移，模型四周約束法相位移。根據前期地質勘探報告及土工試驗結果，采用表1 中的力學參數對南端幫模型進行三維數值模擬計算。

通過分析得到該邊坡的整體穩定系數為1.68，可以看出通過FLAC3D計算得到的結果比GEO-slope計算得到的結果（1.256 和1.028）更偏于安全，這主要是因為FLAC3D計算的三維模型是一個整體，而整體的穩定性必然大于任何一個截面的穩定性。所以根據計算結果可以看出，陡幫前的南端幫具有較大的安全系數，對其進行陡幫是可行的。

通過采用極限平衡分析方法與強度折減分析方法對南端幫邊坡平面穩定性現狀的分析，南端幫現狀穩定性較好。依據現狀分析結果與現場踏察情況，說明采用極限平衡法分析南端幫邊坡穩定性更加合理，后續邊坡穩定性分析中將以極限平衡分析方法為主，以強度折減分析方法進行驗證[5]。

2 陡幫開采參數

2.1 最大邊坡角

以初始邊坡角35°的南端幫P1-P1 剖面為例，建模計算得到其穩定系數為1.256，顯然該邊坡存在很大的陡幫開采空間，通過提高邊坡角度進行漸進式的試算，不同邊坡角度下穩定性系數見表2。

從表2 可以看出，隨著端幫邊坡角度的不斷增大，穩定性系數相應下降，二者具有一定的負相關性，當邊坡角度增大到39°時，穩定系數已接近于1，當角度提高到40°時，穩定系數為0.978，已經小于1。為了保證安全穩定，暫確定南端幫P1-P1 剖面位置的陡幫開采最大角度為39°，再使用FLAC3D軟件驗證后確定最終邊坡角度。

表2 不同陡幫角度下的邊坡穩定系數

2.2 陡幫后南端幫整體穩定性

通過利用極限平衡法計算分析，將二礦南端幫最大邊坡角可以提升到39°，為了驗證數值計算的準確性，保障礦區的安全運營，特建立三維數值計算模型，考慮陡幫后南端幫的整體穩定性。

通過FLAC3D的計算，得到南端幫邊坡角提高到39°后的穩定性系數為1.29，大于1.2 的設計值，陡幫至39°后的邊坡仍然能夠保持穩定，陡幫開采方案基于39°最終邊坡角度進行。

3 南端幫陡幫開采方案

在南端幫陡幫開采實施前，經過現場考察分析，由于直角轉向期間南幫局部區域暴露時間過長，南幫煤巖的的風化現象明顯，被侵蝕的煤巖體呈層狀剝落，強度顯著降低，并且發現已到界B5 煤臺階和下部臺階出現了貫穿裂隙。考慮到南幫不同區域暴露時間不同、裂隙發育程度不同，根據不同區域的實際情況制定不同的陡幫開采方案。將南幫劃分為3段區域：①I 區：裂隙發育區域；②II 區：已有邊坡靠幫區；③III 區：尚未剝離的區域。

3.1 南端幫I 區開采方案

I 區為裂隙發育區，南幫已經出現了潛在的鍥形滑面，如果不及時處理，有可能會發生鍥形滑坡。在南幫I 區的陡幫開采充分考慮安全因素，陡幫開采的同時治理該區域可能會出現的鍥形滑坡。

從安全和時間方面考慮，裂隙下部區域不再靠幫，并組織迅速內排壓幫至B5 煤底板水平[6]，B5 煤底板以上局部靠幫，通過中間橋運輸，從物料重心位置角度考慮，搭中間橋和端幫相比，搭中間橋能實現同水平剝離物運距不增加。

B5 煤開采量完成后依次繼續向西推進進入II區，這樣就開始了II 區的陡幫開采方案。

3.2 南端幫II 區的陡幫開采方案

在南幫I 區B5 煤的剝采作業繼續向II 區推進，開始II 區的陡幫開采，由于I 區邊坡穩定性系數處于臨界狀態，此時I 區的B2、B3 煤內排直接壓覆，不考慮陡幫。

II 區的陡幫作業從工作幫開始，也就是在II 區和III 區的分界面開始作業，維持南幫現有運輸平盤不變，僅下部陡幫，新增445 運輸平盤，同時為了縮短下部物料運距，采用西幫中間橋[7]。

3.3 南端幫III 區的陡幫開采方案

由于南幫III 區的范圍是未開采區域，因此南幫III 區的陡幫開采設計實質上是將二礦南端幫邊坡參數的重新優化設計。

南幫陡幫方案形成的最終邊幫有470 平盤，平盤寬30 m，可作為主要運輸通道，在內排壓幫至B5煤底板后，B5 煤二次陡幫繼續開采4 m，470 平盤寬度最寬能達到34 m。上部515 平盤寬15 m，也能作為運輸道路完成一定的運輸任務。中間橋作用下降就可以考慮橋頭“煤鼻子”上的二次剝離和下部B2煤的開采。截斷中間橋需要和內排作業同時考慮，這是由于內排空間的重心在南部，而剝離物的重心在中部，如果過早截斷中間橋將導致內排運距上升，內排空間的重心重新恢復到中間位置即是中間橋拆除的最佳時間[8]。此時總的內排空間的重心在中間位置，但是南北內排工作線推進進度并不相同，內排土場南部下方的445、470、485 工作線推進比北部快，而南部上方的500、515 等臺階的推進速度比北部慢。

此時南幫陡幫基本完成，515 平盤和470 平盤都具備運輸能力，能形成以470 平盤、515 平盤為主的南幫運輸系統。

4 經濟效益分析

南幫陡幫作業在I 區和II 區共開采出煤炭124萬t，按照90 元/t 的價格計算，陡幫開采煤炭價值11 160 萬元；陡幫剝離量72 萬m3，陡幫剝采比約為0.73 m3/t，III 區的陡幫剝采比更低約為0.5 m3/t，不過由于III 區陡幫延伸至二采區終了，隨著地質參數變化該值也會變化。

I 區和II 區陡幫作業時，由于南部端幫運輸道路被階段，陡幫剝離物料需要繞行中間橋，增加的運距約1.2 km，按照1 元/（km·m3）計算，增加運輸費用約86 萬元，相比額外增加的11 074 萬元的煤炭價值，在I 區和II 區的陡幫開采是非常經濟的。對于工作幫的剝離物料，相比走南幫，通過中間橋運輸，其重心位移的路線相差不大，僅在高程上略有損失。采用2 段對進開采的方案能更快的實現上部運輸系統的貫通，將陡幫對運輸系統的影響降低到最低。

對于III 區而言，其陡幫剝采比更小，經濟技術條件要優于I 區和II 區，且此時南幫運輸道路已經貫通，內排運距上也沒有額外損失，若能順利實施到二采區終了，能創造非常可觀的經濟效益。

5 結語

1）通過GEO-slope 軟件系統研究了陡幫開采過程中的最大邊坡角和壓幫內排臺階參數對邊坡穩定系數的影響，得到南端幫最大陡幫角度為39°。

2）目前已實施完成的南端幫I 區、II 區陡幫開采方案剝離量72 萬m3，采出煤炭資源量124 萬t，獲得約11 074 萬元的經濟收益。

3）針對將二礦南幫現狀進行了穩定性分析，分別以復合邊坡與端幫邊坡方式進行建模分析，通過分析得到，相同開采步驟條件下，復合邊坡穩定系數略高于端幫邊坡。

4）根據I、II、III 區南幫區段劃分，綜合分析得出I 區已處于臨界滑動狀態，直接內排壓幫至B5 底板水平后回收部分B5 煤；II 區暴露時間相對較短，可進行陡幫開采作業，陡幫角度39°；III 區為未開采區段，通過調整運輸系統直接進行陡幫開采。