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)的露天煤礦靠幫開采是指采場(chǎng)最上部工作線到界后,下部工作線繼續(xù)開采直至達(dá)到設(shè)計(jì)的終了幫坡角的開采過程。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)置保安平盤和運(yùn)輸平盤。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)開采內(nèi)排壓幫開采程序,年產(chǎn)量和工作線推進(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采來提高露天礦的端幫邊坡角。
利用靠幫開采的相關(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,顯著提高露天開采的經(jīng)濟(jì)效益。
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)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,選取合理的靠幫開采的穩(wěn)定系數(shù)[6],以此確定每個(gè)剖面靠幫開采的端幫邊破角。
(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,確定最佳的靠幫開采的端幫邊坡角。
以分區(qū)內(nèi)排開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采帶來的經(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,可以按照類似的方法進(jìn)行分析。
靠幫開采的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析模型如圖1。
圖1 靠幫開采經(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
由靠幫開采帶來的純剝離成本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采帶來的純剝離成本和純采礦成本,萬元;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。
由靠幫開采帶來的銷售收入為
式中,QSR為每年由靠幫開采帶來的煤炭銷售收入,萬元;η為回采率,%;c為煤炭銷售價(jià)格,元/t。
則靠幫開采可以產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益QXY(萬元)為
對(duì)于分區(qū)內(nèi)排開采的露天礦,假設(shè)在后一條區(qū)開采時(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)采用靠幫開采后前一條區(qū)端幫邊坡角由α提高到β,后一條區(qū)開采時(shí)與前一條區(qū)相接一側(cè)端幫邊坡角為γ,靠幫開采前后產(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為采用靠幫開采每年可以節(jié)約的二次剝離成本,萬元。
以我國(guó)北方某近水平露天煤礦為例,進(jìn)行靠幫開采的邊坡穩(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—汽車生產(chǎn)工藝,分區(qū)開采,壓幫內(nèi)排。
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)條件下靠幫開采的端幫邊坡角南幫為44°,北幫為42°。
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)采用端幫靠幫開采每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為11 692.112萬元。
二條區(qū)開采位置選在一條區(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)采用靠幫開采每年可以為二條區(qū)開采節(jié)約二次剝離成本為1 662.287萬元。
由此可見,在該露天礦實(shí)施靠幫開采經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
(1)對(duì)我國(guó)大型近水平露天煤礦實(shí)施端幫靠幫開采是有必要的,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)施端幫靠幫開采有一定的指導(dǎo)意義。
(3)建立了由靠幫開采帶來的經(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1 662.287萬元,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
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