布沼壩露天礦南幫降段可行性研究

駱大軍，陸 翔，韓 流

（1.云南省小龍?zhí)兜V務局，云南 開遠 661601；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

布沼壩露天礦南幫降段可行性研究

駱大軍1，陸 翔2，韓 流2

（1.云南省小龍?zhí)兜V務局，云南 開遠 661601；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

為確保礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，有效控制西幫滑坡體清幫減載及資源回收期間剝采比及露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)，分析了布沼壩露天礦降段的必要性，對比確定了降段位置，對最終降段位置（南幫）降段過程中西幫安全穩(wěn)定性進行了分析評價。

露天礦；降段；壓腳體；穩(wěn)定性分析

Abstract:To ensuremine output and economic benefits and effectively control the landslide body load reduction of west slope and stripping ratio during resource recycling and open-pitmine productivity continue,this article analyzes the necessity of descending, determines the descending position,analyzes and evaluates the final descending location west slope secure stability in the process of descending.

Key words:open-pitmine;descending;foot;stability analysis

云南省小龍?zhí)兜V務局位于云南省紅河哈尼族彝族自治州開遠市境內(nèi)，礦務局分為布沼壩及小龍?zhí)?個第三系褐煤露天礦，礦區(qū)面積約21 km2，地質(zhì)儲量1 093.00 Mt。經(jīng)過50余年的發(fā)展，已從一個年產(chǎn)幾十萬噸的小型褐煤露天礦發(fā)展成為擁有國內(nèi)先進采掘設備的大型露天礦。布沼壩露天礦目前最低開采標高為960 m，西幫最大采深300 m，南幫、東幫為工作幫，主提煤出入溝布置在北幫[1]。

在編制和實現(xiàn)露天礦山工程進度計劃過程中，應當根據(jù)礦山工程延深速度和工作臺階推進速度相關(guān)定律及相鄰工作臺階礦山工程協(xié)調(diào)發(fā)展定律，正確處理擴幫與延伸的矛盾[2-3]。在擴幫條件允許的情況下，要按計劃及時開拓準備新水平，以保證采礦施工和備采礦量準備相銜接。降段工程是露天礦生產(chǎn)接續(xù)的關(guān)鍵工程，其工程位置的選擇、工程質(zhì)量直接影響到新的開采水平的準備[4-5]。

1 布沼壩露天礦降段必要性

布沼壩露天礦上一次大規(guī)模降段工程于2007年12月—2008年6月完成，露天礦坑底位置降段至963 m水平，采煤工作面延深了2個采煤臺階，并且在坑底建設了水塘和水泵房。降段過程中僅降段區(qū)增加超過250萬t的采掘儲量，降段工程為布沼壩露天礦帶來了良好的經(jīng)濟效益[6-7]。

2008年至今，布沼壩露天礦受采場西幫邊坡滑坡的影響，接近10 a未進行降段工程。根據(jù)布沼壩露天礦開采現(xiàn)狀，南幫工作幫上部表土和泥灰?guī)r層超前剝離加速，煤層整體向南傾斜，煤層底板標高逐漸降低，隨著南幫采剝工作面推進，煤臺階將減少，且東部工作幫逐漸到界，露煤量緊張已經(jīng)嚴重影響到采剝生產(chǎn)正常接續(xù)。目前，礦坑內(nèi)的可采區(qū)域越來越小，工作線長度嚴重受限，近兩年的剝采比一直維持在2.2～2.6 m3/t，居高不下。根據(jù)近幾年的市場行情，布沼壩露天礦的年產(chǎn)量維持在600萬t左右，并且有小幅度的上揚。目前，布沼壩露天礦的剝采比不合理，剝離量較大、采煤量較小。為確保礦山產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，有效控制西幫滑坡體清幫減載及資源回收期間剝采比及露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)，開辟新的采煤臺階勢在必行[8-9]。

2 降段位置的選擇

降段工程是露天礦生產(chǎn)接續(xù)的關(guān)鍵工程，其工程位置的選擇、工程質(zhì)量直接影響到新的開采水平的準備。從布沼壩露天礦坑底采場空間分布情況以及煤層底板延深方向可知，以坑底蓄水池為界，坑底降段施工位置可分以下幾種情況：

1）蓄水池以北位置已開采至煤層底板，該位置降段會影響北幫邊坡上部區(qū)域的安全及西幫滑體的穩(wěn)定；

2）蓄水池以西位置為西幫清幫減載滑體，在滑體未清理完畢之前，不具備降段的條件；

3）蓄水池以東坑底位置地勢平坦，臺階整齊，煤層傾向與東幫工作線垂直，且蓄水池位置處于煤層底板堅硬灰?guī)r背斜脊線處，東幫與西幫滑體正好處于背斜兩翼，采場東幫下部煤臺階與西幫不存在力學聯(lián)系，東幫降段對于西幫穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響。從北幫延伸下來的山脊線將采場底板地形劃分為東、西2個區(qū)域。西側(cè)區(qū)域底板從西北向東南延伸逐級下降，并且有明顯的下降平臺。東側(cè)區(qū)域底板向東逐漸下降。而目前北幫脊線位置在采場范圍內(nèi)已經(jīng)基本揭露出來，只有在集水坑往南的位置未完全揭露，該區(qū)域還有10 m左右的煤層。由于北幫山脊線位置屬于強度較大的基巖，其結(jié)構(gòu)上的支撐和阻擋可以很好的抑制西北變形區(qū)向東發(fā)展。而且東幫降段不會通過基底向西幫傳遞牽引下滑力，這一點可以通過集水坑東南側(cè)的監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)及矢量變形方向來驗證。基于這種地形條件和基底巖體的強度優(yōu)勢，建議在東幫970 m水平進行率先降段。

4）蓄水池東北位置，即東幫北側(cè)位置，由于地表臺階比較雜亂，且存在部分復雜煤臺階，因選采及臺階平整需要，故不適合近期降段。并且，該處隨著煤層底板標高的下降，煤硫分逐漸增高，市場需求量較小，因此，可根據(jù)平整時間以及市場需求的變化，以及東幫南側(cè)降段施工進程，后期進行降段工程。

5）蓄水池以南位置沿工作線推進方向，煤層底板標高逐漸降低，整體傾向向南，滿足降段的基本要求。但對于西幫滑體而言，采場西南部的邊幫對滑體起到一定的支撐作用，坡角的降段開挖會降低支撐體的抗滑力，破壞原有的地應力平衡狀態(tài)，對西幫邊坡安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅。故按照現(xiàn)狀條件，現(xiàn)階段不建議在南幫西部實施全貫通降段工程，可根據(jù)西幫清方減載及資源回收工程的施工進度，設定南幫降段安全警戒線，待西幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高，條件成熟后，再進一步進行降段及擴幫工程。

綜上所述，根據(jù)采場的空間限制和煤層賦存形態(tài)，采場西幫和北幫不具備降段條件，最有利的降段區(qū)域為采場東南方向，如圖1中A區(qū)域所示。隨著西幫滑體清幫工程及東北幫采煤臺階的推移，降段后的工作面再繼續(xù)向西往B區(qū)域及向北往C區(qū)域擴幫，最終形成東幫和南幫L型降段采煤工作面。

圖1 降段區(qū)域平面位置圖

3 南幫降段工程關(guān)鍵位置確定及安全性評價

布沼壩露天礦通過實施清方減載方案，對西幫邊坡進行了大規(guī)模的治理，邊坡變形速率逐漸降低，總體變形趨勢由治理前的加速變形降低為蠕動變形，西幫治理取得了良好的效果。目前，西幫采煤工作已經(jīng)恢復，西幫年產(chǎn)量可達到1.0 Mt，大大緩解了整個露天礦的產(chǎn)煤壓力。但西幫變形面積大，潛在滑區(qū)面積廣，體積大，安全等級高，對西幫的穩(wěn)定性仍要高度重視，不能掉以輕心[10]。

布沼壩露天礦西幫邊坡與南幫邊坡存在力學聯(lián)系，南幫邊坡的推進有可能誘發(fā)西幫的變形加劇，甚至出現(xiàn)滑體復活現(xiàn)象。目前，集水坑往南的975～1 060 m水平為西幫滑體提供了一定程度的支擋作用，同時，還保障著1 070 m水平上的破碎站和404膠帶機道的安全。因此，采場下部西南角區(qū)域?qū)τ谖鲙头€(wěn)定性和南幫安全推進具有重要的作用。

南幫為工作幫邊坡，在降段推進的過程中，由于整體角度相對較小，因此，其自身穩(wěn)定性較好。在此主要分析南幫動態(tài)推進過程，對于西幫邊坡穩(wěn)定性的影響。即滑體南部部分支擋體取消之后的穩(wěn)定狀態(tài)。

西幫滑體總量為1 228 m3，清方減載工程清理了182萬m3滑體，目前還存在滑體1 046萬m3。根據(jù)4個補勘剖面揭露的滑體范圍及滑面傾角進行統(tǒng)計，分布在傾斜滑面上的滑體體積為609萬m3，分布在水平滑面的滑體體積為437萬m3。傾斜滑面上的滑體產(chǎn)生主動下滑力，水平滑面上的滑體提供抗滑力。統(tǒng)計結(jié)果顯示不同巖性區(qū)域的滑體分布情況及相應的特征數(shù)據(jù)見表1。

表1 西幫滑體范圍及滑面傾角統(tǒng)計

根據(jù)表1所統(tǒng)計的滑體體積和滑面的長度、傾角等信息，以及所含巖性的物理力學參數(shù)等信息，采用剩余推力法計算滑體所產(chǎn)生的下滑力，傾斜滑面上部滑體產(chǎn)生的剩余下滑力為4 755 832 kN，水平滑面上部滑體提供的沿滑體運動方向上的抗滑力為3 690 570 kN，因此，沿滑動方向上的下滑合力為1 065 26 kN。按照滑體與壓腳區(qū)域的位置關(guān)系，建立滑體側(cè)向推力與支撐體的力學模型，滑體壓腳力學模型如圖2?；诹Ⅲw幾何的基本原理，計算壓腳體的頂、底面積、體積計算公式，并由此建立壓腳寬度L為壓腳體體積、重力之間的函數(shù)關(guān)系。壓腳體重力是抵抗滑體下滑變形的基礎(chǔ)力量，因此，根據(jù)壓腳體的重力產(chǎn)生的抗滑力和粘聚力應大于西幫滑體的剩余下滑力的基本原理建立力學平衡方程，得到了關(guān)于壓腳體長度L的一元二次方程，求解后得到壓腳的安全距離。

圖2 滑體壓腳力學模型

通過計算，得到不同的壓腳體留臺水平與安全合理的壓腳體長度L之間的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，壓腳留臺的臺階高度越大，所需預留的壓腳體長度越小。結(jié)合布沼壩露天礦西南角的工程設備布置情況，1 060 m水平布置了剝離半連續(xù)破碎站和404膠帶機道等重要設備，因此，最高的留臺水平定在1 060 m水平，根據(jù)計算結(jié)果，從1 060 m水平留臺，需要預留的安全壓腳長度為50.42 m，根據(jù)這一分析結(jié)果，確定邊坡1 060 m水平的留臺位置如圖4所示。1 060 m水平以下的臺階按照平盤寬度40m，臺階坡面角45°逐個確定位置。

圖3 壓腳體長度與留臺高度的關(guān)系曲線

圖4 1 060 m水平的留臺位置示意圖

隨著西幫上部的進一步清方減載，滑體的下滑力也不斷減小，當清方至1 120 m水平時，滑體的下滑力進一步減小，此時可以進行960 m水平的降段；當西幫清方至1 090 m水平時，可以進行950 m水平的降段。根據(jù)西幫清方過程中的結(jié)構(gòu)和南幫降段形成的采場結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析，得到現(xiàn)狀西幫邊坡和970 m水平推進時的南幫穩(wěn)定系數(shù)為1.29；西幫清方至1 120 m水平時且南幫降段至960 m水平的穩(wěn)定系數(shù)為1.26；西幫清方至1 070 m水平且南幫降段至950 m水平時的穩(wěn)定系數(shù)為1.21。從分析結(jié)果可知，南幫降段過程中采場邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)良好，對于西幫邊坡的影響不大，因此，在西幫正常清方減載的過程中進行南幫推進降段，不存在明顯的安全問題。

4 結(jié)論

1）通過對布沼壩露天礦坑底采場空間分布及煤層賦存形態(tài)的分析，對礦區(qū)內(nèi)5種工程位置進行了對比，最終確定了南幫降段的方案。

2）通過建立滑體側(cè)向推力與支撐體的力學模型，利用立體幾何的基本原理，計算確定了壓腳體的長度和壓腳的安全距離。

3）針對西幫安全等級高，失穩(wěn)潛在危害大的情況，對南幫降段過程中西幫的安全穩(wěn)定性進行了分析評價。結(jié)果顯示，南幫降段到960 m水平時，穩(wěn)定系數(shù)為1.26，南幫降段到950 m水平時，穩(wěn)定系數(shù)為1.21。

［1］趙建康，張?zhí)煳?，馬明.布沼壩露天礦西幫清方減載設計及實施［J］.露天采礦技術(shù)，2014（9）：51-54.

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［10］張?zhí)煳?小龍?zhí)兜V區(qū)邊坡工程綜合治理［J］.露天采礦技術(shù)，2000（2）：14-15.

【責任編輯：陳 毓】

Feasibility study on south slope descending in Buzhaoba Open-pit M ine

LUO Dajun1,LU Xiang2,HAN Liu2
(1.Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661601,China; 2.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

TD824

B

1671-9816（2017）10-0011-04

2017-06-22

駱大軍（1985—），男，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任云南省小龍?zhí)兜V務局采礦工程師。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.004

駱大軍，陸翔，韓流.布沼壩露天礦南幫降段可行性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：11-14.