河曲露天礦端幫陡幫開采技術(shù)可行性研究

羅 科，馬 力，劉晨東，呂貴龍，石 磊，徐甜新，薛 飛

(1.山西焦煤山煤國際河曲露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 露天采礦技術(shù)研究所，陜西 西安 710054)

露天開采過程中，由于開采工藝與初步設(shè)計(jì)的限制，端幫的邊坡角通常較小，往往導(dǎo)致端幫下部大量的煤炭資源被壓占造成端幫壓煤現(xiàn)象[1-3]。近年來，隨著煤炭資源的不斷縮減和開采工藝的發(fā)展進(jìn)步，使得回收端幫壓煤提高經(jīng)濟(jì)效益成為可能[4，5]。

才慶祥等[6]提出了靠幫開采的概念，其實(shí)質(zhì)為陡幫開采，即通過下部境界外擴(kuò)與上部境界收縮的方式來提高邊坡角；在此基礎(chǔ)上，黃甫等[7]結(jié)合露天礦邊坡上部和下部邊坡暴露時(shí)間和巖性差異，提出了下部邊坡外擴(kuò)與邊坡內(nèi)縮的局部陡幫開采方式；宋子嶺等[8]通過對安家?guī)X煤礦壓幫前后邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析，確立了下部加陡的局部陡幫開采方式，并確定壓幫高度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈正相關(guān)；Zhengao Zha等[9]通過建模對三種端幫煤開采方式進(jìn)行對比分析，最終確定了局部陡坡開采法為端幫超厚煤層開采的最佳方法；結(jié)合季凍區(qū)凍土的特點(diǎn)，佘長超等[10]通過研究分析提出了凍結(jié)期間二次靠幫開采，實(shí)現(xiàn)了南幫邊坡角從30°提升至33°；吳榕真等[11]、呂粲等[12，13]采用極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法對端幫邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化進(jìn)行了研究分析，并確定了最佳的陡幫開采方案，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益最大化；尚濤等[14]通過剖面法研究了端幫穩(wěn)定系數(shù)與開挖降段深度、時(shí)間、內(nèi)排回填高度的關(guān)系分別為負(fù)相關(guān)、二次函數(shù)負(fù)相關(guān)與指數(shù)相關(guān)關(guān)系；任鵬等[15]利用數(shù)值模擬與極限平衡法相結(jié)合的方法，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并確定了最佳陡幫開采方案，在此基礎(chǔ)上劉新新[16]統(tǒng)計(jì)分析了內(nèi)排壓幫高度與端幫邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系及其對端幫穩(wěn)定性的積極效果；Zuoan Wei等[17]分析了靜載荷動載作用的下陡幫邊坡潛在滑移破壞模式，并提出了新的邊坡穩(wěn)定措施。為露天礦端幫邊坡穩(wěn)定及提高端幫邊坡角度研究提供了一定的參考[18-20]。

以河曲露天煤礦采場端幫邊坡為研究對象，利用極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法對端幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確立極限狀態(tài)下的端幫邊坡角度，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的陡幫開采方案，并進(jìn)行了工程量與經(jīng)濟(jì)量分析。

1 工程地質(zhì)條件及典型剖面選取

1.1 河曲露天礦工程地質(zhì)條件

河曲露天礦地處山西黃土高原西北部，屬典型的黃土高原地貌，礦田屬大陸性半干旱型氣候，礦田內(nèi)溝谷平時(shí)基本干枯無水，只有雨季時(shí)才有洪水排泄，自東而西流入黃河。目前為首采區(qū)產(chǎn)煤，生產(chǎn)能力為800萬t/a，開采工藝采用單斗卡車工藝，工作線推進(jìn)方向由南到北，東西兩端幫負(fù)責(zé)運(yùn)輸。礦田范圍內(nèi)賦存地層自老而新主要有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、石炭系中統(tǒng)本汐組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、第三系上新統(tǒng)保德組，第四系上更新統(tǒng)。結(jié)合礦山地質(zhì)條件，端幫邊坡巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

1.2 典型剖面選取

河曲露天礦首采區(qū)開采現(xiàn)狀如圖1所示，結(jié)合開采實(shí)際，在東西端幫選取共3個(gè)典型剖面對河曲露天礦的陡幫開采技術(shù)可行性進(jìn)行研究分析，如圖2所示。

圖1 河曲露天礦首采區(qū)開采現(xiàn)狀

2 最佳端幫邊坡角確定

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇

極限平衡法將滑體視為剛體，不考慮變形，只考慮滑體沿滑面的位移，是邊坡穩(wěn)定性分析采用的一種較為普遍的計(jì)算方法，尤其是在邊坡穩(wěn)定性分析中常假定滑動面為圓弧滑動模式。其中，極限平衡法主要是通過試算各種不同位置圓心所對應(yīng)滑面的穩(wěn)定系數(shù)，并以全局穩(wěn)定系數(shù)最小滑面為該剖面的穩(wěn)定系數(shù)，而有限元強(qiáng)度折減法則是通過不斷折減，使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)，可以確定臨界破壞時(shí)巖體的應(yīng)力狀態(tài)分布。本文邊坡穩(wěn)定性分析方法采用極限平衡法(Janbu法與摩根斯坦法)與有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行綜合分析，通過危險(xiǎn)滑動面位置與應(yīng)力云圖綜合說明滑面的穩(wěn)定性情況，并互相驗(yàn)證。

圖2 各剖面形態(tài)

2.1.1 極限平衡法

滑體的位移為剪切破壞，遵守Mohr-Coulumb準(zhǔn)則，即τ=σtanφ+C，式中τ及σ為滑面上的剪切力及正應(yīng)力，C及φ為滑面上的粘聚力及內(nèi)摩擦角?；w在滑面上的平衡條件，應(yīng)用到滑塊在斜坡上的平衡原理，如圖3所示。

圖3 滑塊平衡原理

2.1.2 有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法的基本原理為將巖土體的抗剪強(qiáng)度c、φ的正切值除以折減系數(shù)Fr，采用有限元進(jìn)行計(jì)算，如果邊坡在選取的折減系數(shù)下達(dá)到破壞，此時(shí)的折減系數(shù)便是安全系數(shù)：

令：

則式(2)成為：

τr=σtanφr+cr

(4)

參數(shù)φr和cr為折減后的強(qiáng)度指標(biāo)，將φr和cr帶入有限元計(jì)算，如果折減系數(shù)Fr>1.0，則利用有限元計(jì)算的位移和應(yīng)力就比實(shí)際的大，破壞的單元也比實(shí)際的多。令Fr從1.0逐步增大，則計(jì)算的位移逐步變大，破壞單元逐步增加，當(dāng)邊坡整體失穩(wěn)時(shí)的Fr即為安全系數(shù)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析及最終邊坡角確定

邊坡穩(wěn)定性分析依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，端幫儲備系數(shù)在1.1～1.5以內(nèi)，并考慮河曲露天煤礦采用內(nèi)排模式，其儲備安全系數(shù)采用1.2。

各剖面邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，東幫1-1剖面下部邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1左右，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，西幫2-2剖面與3-3剖面穩(wěn)定系數(shù)均滿足儲備系數(shù)1.2要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，探索不同凸邊坡組合下的邊坡穩(wěn)定性情況，確定邊坡穩(wěn)定最優(yōu)參數(shù)見表2。

圖4 各剖面邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3 陡幫開采可行性分析

3.1 端幫平盤參數(shù)優(yōu)化

河曲露天礦目前端幫在運(yùn)輸系統(tǒng)中還擔(dān)任著高程運(yùn)輸?shù)淖饔茫逼碌朗沟闷奖P寬度大大增加，應(yīng)將高程運(yùn)輸放到工作幫上以降低端幫平盤寬度，提高端幫邊坡角；端幫平盤兩臺階作為一個(gè)單元；運(yùn)輸平盤設(shè)置為雙車道，且礦區(qū)內(nèi)運(yùn)輸車輛最寬寬度為4.5m，道路寬度與車輛寬度、行車密度及運(yùn)行速度有關(guān)，其計(jì)算式如下：

B=nA+(n-1)x+2Y

(5)

式中，B為路面寬度，m；n為行車線數(shù)，取2；A為汽車后輪計(jì)算的寬度即為車輛最大寬度，m；x為兩車凈距，m，通常取0.7～1.7m，取1.5m考慮中間設(shè)置擋墻，因此增加1m，x為2.5m；Y為后輪外緣距路邊的距離，取3m。

表2 各剖面穩(wěn)定邊坡角 (°)

最終確定運(yùn)輸平盤最小寬度為17.5m，清掃保安平盤最小寬度為5m，具體平盤設(shè)置中可根據(jù)不同巖層情況，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，且保證同一端幫每個(gè)平盤功能相同。

3.2 端幫陡幫開采方案

3.2.1 1-1剖面陡幫開采方案

基于模擬結(jié)果，由于1-1剖面為凸邊坡形態(tài)，煤層主要集中在下部臺階，故只需對下部臺階進(jìn)行調(diào)整，為此提出兩種方案。方案一為在原始邊坡形態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，并增加+968平盤，寬度為5m，其余平盤進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，由于調(diào)整幅度較小，故邊坡角度保持不變；方案二為方案一的補(bǔ)充方案，其在方案一的基礎(chǔ)上增設(shè)+922平盤，寬度為20m，以保持邊坡穩(wěn)定，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖5所示，參數(shù)變化見表3。圖5中①為原始狀態(tài)和方案一的邊坡角度，其上部邊坡角為23°，下部邊坡為42°；②為原始邊坡與方案一共同的整體邊坡角為28°；③為方案二的邊坡角度，其上部邊坡角為23°，下部邊坡角為37°；④為方案二條件下的整體邊坡角為27°。

圖5 1-1剖面陡幫開采方案

對兩種方案下的邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6、圖7所示。

方案一中邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.0左右，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，存在滑移風(fēng)險(xiǎn)，因此不推薦此方案，方案二的邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.20～1.33之間，滿足儲備系數(shù)要求。綜合以上分析結(jié)果，東幫1-1剖面當(dāng)前處于臨界平衡狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)低于儲備系數(shù)要求，可按方案二下部平盤布設(shè)方式盡快內(nèi)排壓腳，增大下部臺階的抗滑力，提高該剖面穩(wěn)定系數(shù)。

表3 1-1剖面陡幫開采方案平臺寬度調(diào)整參數(shù) m

圖6 1-1剖面方案一邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖7 1-1剖面方案二邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2.2 2-2剖面陡幫開采方案

2-2剖面邊坡角度可從28°提升為32°，邊坡整體形式為凸形邊坡結(jié)構(gòu)。其優(yōu)化原則以原有平臺高度和臺階坡面角不變?yōu)橐罁?jù)，對局部臺階平盤寬度進(jìn)行微調(diào)，以最小平盤寬度為平盤寬度調(diào)整極限，其中運(yùn)輸平盤為18m，清保平盤為5m，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖8所示，參數(shù)變化見表4。圖8中①為原始凸邊坡形態(tài)下的邊坡角度，其上部邊坡角為20°，下部邊坡角為39°；②為原始狀態(tài)下的整體邊坡角為28°；③為調(diào)整方案中下的邊坡角，其上部邊坡角為28°，下部邊坡角為38°；④為調(diào)整方案中下的整體邊坡角為32°。

圖8 2-2剖面陡幫開采方案

表4 2-2剖面陡幫開采方案平臺寬度調(diào)整參數(shù) m

對調(diào)整后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。由模擬結(jié)果知，調(diào)整后的方案安全系數(shù)保持在1.29～1.42，滿足儲備系數(shù)1.2要求，整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 2-2剖面陡幫開采方案穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2.3 3-3剖面陡幫開采方案

3-3剖面的整體邊坡角可提升至36°，以原有平臺高度和臺階坡面角不變?yōu)橐罁?jù)，保持原有平盤功能不變，提出方案一。方案二在方案一基礎(chǔ)上去除清掃保安平盤，原有運(yùn)輸平盤寬度不變，其調(diào)整優(yōu)化前后方案如圖10所示，參數(shù)變化見表5。圖10中①為原始凸邊坡形態(tài)下邊坡角，上部邊坡角為17°，下部邊坡角為38°；②為原始邊坡形態(tài)整體邊坡角為27°；③為方案一條件下邊坡角，上部邊坡角為27°，下部邊坡角為37°；④為方案一條件下整體邊坡角為31°；⑤為方案二條件下邊坡角，上部邊坡角為27°，下部邊坡角為43°；⑥為方案二條件下整體邊坡角為34°。

圖10 3-3剖面陡幫開采方案

表5 3-3剖面陡幫開采方案 m

圖11 3-3剖面陡幫開采方案一穩(wěn)定性分析結(jié)果

分析兩種方案下的邊坡穩(wěn)定性情況，結(jié)果如圖11、圖12所示。方案一與方案二區(qū)別較小，兩種方案中邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，方案一工程量小更符合原設(shè)計(jì)，方案二取消了清保平盤，可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際端幫均為運(yùn)輸平盤加清保平盤設(shè)計(jì)，故推薦使用方案一。

圖12 3-3剖面陡幫開采方案二穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.3 工程量與經(jīng)濟(jì)分析

陡幫開采經(jīng)濟(jì)效益可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

B=ΔQ煤×(P-a)-ΔQ剝×b

(6)

式中，B為陡幫開采經(jīng)濟(jì)效益，元；△Q煤為可多采煤總量，t；P為原煤售價(jià)，152元/t；a為純采煤成本，取為85元/t；△Q剝?yōu)槎鄤儾蓭r石量，m3；b為純剝離成本，取為10.8元/m3。

3.3.1 東幫幫邊坡

1-1剖面為采場實(shí)際開采位置確定端幫實(shí)際形態(tài)，1-1剖面進(jìn)行優(yōu)化經(jīng)濟(jì)分析與剝采工程量變化見表6。從表6中可以看出，1-1剖面方案二經(jīng)濟(jì)不利，但其最下部臺階增加了運(yùn)輸平盤可以滿足開拓運(yùn)輸系統(tǒng)要求及臺階穩(wěn)定性，方案一多回收煤炭資源的經(jīng)濟(jì)效益顯著，可采用內(nèi)排壓腳的方式提高下部臺階穩(wěn)定性，按314m/a推進(jìn)度計(jì)，東幫剖面可年增加3.9萬t原煤回收，預(yù)計(jì)提高經(jīng)濟(jì)效益242萬元。

表6 1-1、2-2和3-3剖面剝采量變化及經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.2 西幫邊坡經(jīng)濟(jì)分析

與東幫相似，西幫選取了兩個(gè)典型剖面，且2-2剖面與3-3剖面均為開采實(shí)際?；跀?shù)值模擬結(jié)果，2-2剖面提出一種調(diào)整方案，可實(shí)現(xiàn)保證邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)，最大程度提高煤炭采出率，增加經(jīng)濟(jì)效益。3-3剖面共有2個(gè)方案，方案二在取消了清保平盤后其經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于方案一，但與端幫邊坡平盤功能及特征存在影響。因此，結(jié)合方案一既滿足開采工程實(shí)際又能保證邊坡穩(wěn)定性要求，按方案一可增加原煤回采量28萬t/a，其與2-2剖面斷面形態(tài)基本一致增加原煤回采量為24萬t。據(jù)此可以確定西幫端幫平盤形態(tài)優(yōu)化后年均增加原煤26萬t，增加經(jīng)濟(jì)效益采用兩剖面平均值779萬元。

2-2剖面與3-3剖面給出方案其個(gè)平盤功能保持一致，參數(shù)則略有差異，后續(xù)開采過程中，可按照3-3剖面的形態(tài)繼續(xù)開采，既可以保持邊坡穩(wěn)定，也可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合河曲露天煤礦巖體力學(xué)參數(shù)，綜合采用極限平衡法(Janbu法、摩根斯坦法)和有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析并互相驗(yàn)證，計(jì)算確定了各幫邊坡穩(wěn)定性情況，并分別確定了各幫邊坡穩(wěn)定角度。

2)基于穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合采場實(shí)際，提出了高程運(yùn)輸放在工作幫并將清掃平盤與保安平盤合二為一的方案，確定了最小運(yùn)輸平盤寬度為17.5m，清保平盤寬度為5m，在此基礎(chǔ)上提出了剖面的陡幫開采方案并確定了最優(yōu)平盤參數(shù)。

3)東端幫邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，采煤過程中應(yīng)采用快速回填壓幫的方式，防止邊坡失穩(wěn)，在此條件下，可實(shí)現(xiàn)多采煤3.9萬t；西端幫采用凸形邊坡設(shè)計(jì)可提升邊坡角度4°，可多采煤26萬t，共計(jì)增加經(jīng)濟(jì)效益1021萬元。