哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡角度优化

吕 粲 李克民 马 力 刘 干 刘 桐

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡角度优化

吕 粲1，2李克民1，2马 力1，2刘 干1，2刘 桐1，2

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

露天煤矿边坡是构成采矿场形状的重要要素，合适的边坡角度对维持露天煤矿边坡稳定和经济效益具有重要意义。以哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡为例，分别采用数值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3种极限平衡法相结合的方法，分析了哈尔乌素南端帮边坡在37°现有的条件下端帮边坡最小稳定系数为1.341，潜在圆弧滑动面贯穿整个坡体，南端帮边坡处于稳定状态且有进一步提高的可能。充分结合目前南端帮平台构成特征并考虑端帮运输系统的情况下，提出4种提高端帮边坡角度方案，并采用有限元法和Janbu极限平衡法对4种可行方案进行对比和稳定性分析。结果表明：边坡角度可以提高至40°，最低稳定系数能达到1.135，可增加原煤产量近43.8万t，增加岩石剥离量18.15万m3，可提高经济效益7 382万元。

露天煤矿 端帮边坡 稳定性分析 角度优化

露天煤矿终了采矿场呈倒梯台形状，大型近水平露天煤矿端帮高陡，地表境界与底部境界错落水平面内压赋大量煤炭资源。因此，露天矿边坡工程是直接关系到矿山生产安全和直接经济效益的重要研究内容[1-3]，一座相对中等规模的露天矿山，若采场总体边坡角提高1°，即可减少岩石剥离量约1 000×104m3，节省成本近亿元，可获巨大的经济效益[4]。

为保证露天煤矿端帮边坡长时稳定，设计的端帮边坡角度趋于保守，而加上端帮边坡上设置多个保安平台和运输平台，最终露天煤矿端帮边坡角比实际能达到的边坡角要小得多，造成大量煤炭资源浪费[5-6]。因此，有必要对生产露天煤矿的端帮边坡角度进行优化研究，结合采场端帮运输系统的布置，在保证生产安全的重要前提下，确定最经济、适宜、合理的端帮边坡角度。

1 矿山概况

哈尔乌素露天煤矿地处鄂尔多斯高原，设计生产能力20 Mt/a，通过扩能改造生产能力已突破30 Mt/a，是我国在建露天煤矿中规模最大的露天煤矿之一。岩层剥离采用单斗挖掘机—汽车间断剥离工艺，剥离台阶高度15 m，采煤采用单斗挖掘机—汽车—半固定破碎站的半连续工艺，整体上工艺简单，剥采排时空发展稳定[7]。采剥工程于首采区沿工作线向东推进，南北端帮已形成，并实现采空区内排土。采场工作帮边坡角为7°，内排土场工作帮边坡角为12°，南端帮边坡角为37°，坑底宽度40 m，工作帮推进度取340 m/a。

根据选取的南端帮典型剖面如图1所示，获取该端帮地段岩体物理力学参数见表1。

岩石名称容 重/(kN/m3)内摩擦角/(°)黏聚力/kPa弹性模量/MPa泊松比黄 土19.529.545800.30中砂岩22.731.5150161010.16砂质泥岩24.529.525080330.24泥岩124.624.21289220.18细砂岩123.922.216233140.15泥岩225.334.41289220.18细砂岩226.422.216233140.15泥岩325.735.9170111700.30粗砂岩126.230.2210265500.27泥岩425.136.1170111700.30粗砂岩224.230.2175265500.275#煤层14.635.0185101230.29粗砂岩321.228.3175265500.276#煤层14.035.0185101230.29泥岩526.435.9153384240.10

2 南端帮边坡稳定性分析

边坡稳定性分析方法分别采用数值有限元法和Fellenius、Bishop、Janbu等3种极限平衡法相结合[8-9]，计算确定其南端帮边坡稳定性系数。分析结果如图2所示。

图2 南端帮边坡稳定性计算结果Fig.2 Slope stability calculating result

从图2可以看出，滑面为圆弧滑动式，采用有限元与极限平衡的Fellenius、Bishop和Janbu的计算结果分别为1.38、1.357、1.467和1.341，其中Janbu法计算结果最小。从稳定性计算结果来看，该露天煤矿南帮边坡稳定系数取1.341，南端帮边坡稳定程度较高，潜在圆弧滑动面贯穿整个坡体。该潜在滑动面其目前较稳定，从安全和实际应用角度考虑，尚有进一步提高的可能性[10]。

3 南帮边坡角度优化确定

为实现该露天煤矿南端帮边坡角度的优化，需调整不同端帮平台宽度综合确定，依据其目前南帮端帮平台构成及边坡稳定性分析，采用有限元数值模拟软件，分析计算各种端帮平台调整后对应方案的稳定性系数。为保证陡帮开采过程中边坡稳定，按照极限平衡法思想，以最小稳定系数=1为调整临界点。

3.1 南端帮边坡角度优化

南部端帮边坡各平台为坑底975 m水平、1 022 m平台、1 060 m平台、1 095 m平台、1 030 m平台，最下端帮台阶高度47 m，其他各台阶高度在35 m左右。端帮台阶的形成与工作帮台阶有关，端帮台阶高度为工作帮台阶高度的2倍左右，由相邻2个工作台阶到界后并段形成1个端帮台阶。在目前端帮边坡平台构成现状的情况下，如果继续采用预裂爆破将2个35 m台阶并段，则无法保留设于上部各平台的运输通道，由此而引起多水平的运输道路优化问题及边坡安全问题。

在边坡工程中通常有凸型边坡和凹形边坡2种形态，根据露天煤矿边坡地层岩性赋存特点，凸型边坡的稳定性要强于凹形边坡，该矿南帮边坡稳定性优化中仅考虑在最下部1 022 m平台宽度调整的边坡角度及稳定性变化。目前该矿1 022 m平台宽度40.35 m，分别将平台宽度降低至30.98 m、22.72 m、14.16 m、7.21 m时对应的边坡角提高至38°、39°、40°、41°，即为表2所示的4个方案。

表2 南端帮陡帮开采方案设计Table 2 Steep slope mining scheme design of south end-slope

各方案的边坡稳定性计算结果见表3。

表3 南帮陡帮开采方案边坡稳定性计算结果Table 3 Slope stability results of steep south end-slope mining schemes

由表3可以看出，随着底部1 022 m平台宽度的不断降低，端帮边坡稳定的稳定系数逐渐降低，按照Janbu法极限平衡原理确定的稳定性系数为几种方案的最小值。方案一的最低稳定系数为1.287，方案二的最低稳定系数为1.277，2种方案的潜在危险滑动面贯穿整个端帮边坡，破坏模式为圆弧滑动。随着下部平台宽度的继续降低，方案三和方案四的最低稳定系数分别为1.135和1.077，2种方案的危险滑动面发生在下部2个台阶内部，边坡容易发生局部破坏。

因南端帮为顺层边坡，为保证边坡稳定性安全并考虑到边坡地层以泥岩和砂岩为主，泥岩遇水强度降低，影响整体边坡稳定，在方案设计时，取南帮边坡最低安全稳定系数为1.1。因此，从边坡稳定性角度考虑，哈矿南端帮靠帮开采方案可采用方案三，即将底部1 022 m平台宽度降低26.2 m，保留14 m的安全平台宽度。

3.2 南端帮边坡优化剥采量变化

通过分析各不同陡帮开采方案的边坡角度变化引起的端帮剥采量变化，按照年推进度340 m/a、5#煤容重1.46 t/m3、6#煤容重1.40 t/m3计算增加的煤岩量变化见表4。

表4 南帮陡帮开采方案剥采量变化Table 4 Stripping and excavating volume variation of steep south end-slope mining schemes

在该矿目前南帮边坡角度为37°的条件下，根据其稳定性计算，可提高至40°，可增加5#煤量2.5万t，6#煤量41.3万t，总计近43.8万t，增加岩石剥离量18.15万m3，边界层剥采比仅为0.41 m3/t。取原煤价格200元/t，采煤成本24元/t，剥离成本18元/m3，经济效益可达7 382万元。

4 结 论

(1)对哈尔乌素露天煤矿目前条件下南端帮边坡稳定性进行分析，其稳定系数为1.341，南端帮边坡稳定程度较高，潜在圆弧滑动面贯穿整个坡体，尚有进一步提高的可能性。

(2)经过方案对比和稳定性分析计算，该矿南端帮通过调整最下部平台宽度至14 m，边坡角度可提高至40°，最低稳定系数能达到1.135，满足安全要求。

(3)通过边坡角度优化，可增加5#煤量2.5万t，6#煤量41.3万t，总计近43.8万t，增加岩石剥离量18.15万m3，边界层剥采比仅为0.41 m3/t，经济效益显著。

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(责任编辑 徐志宏)

Optimization of the South End-slope Angle of Haerwusu Surface Coal Mine

Lu Can1，2Li Kemin1，2Ma Li1，2Liu Gan1，2Liu Tong1，2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221116，China)

The end-slope is the significant factor of composing the open coal pit，and the reasonable end-slope angle has a great significance on maintaining slope stability and economic benefit.Taking the south end-slope of Haerwusu open coal pit as a case，the numerical finite element method and three ultimate equilibrium methods of Fellenius，Bishop，Janbu were adopted separately to obtain the minimum stability coefficient to be 1.341 on the basis of the slope angle at 37°.There is a potential circular slip surface throughout the entire south end-slope.Its stability is in steady state and has the potential to improve.Based on considering the south end-slope constitutive characteristic and haulage system arrangement，four schemes of improving south end-slope degree were proposed.Numerical finite element method and ultimate equilibrium method of Janbu theory were adopted to analyze slope stability of four feasible programs，the results showed that the slope angle was increased to 40°，and the minimum stability coefficient reached 1.135.By this method，more than 438 thousand ton of coal resources and 181.5 thousand m3of rock stripping volume were increased，which brings economic benefit of more than 73 820 thousand yuan.

Surface coal mine，End-slope，Stability analysis，Slope angle optimization

2014-03-03

吕 粲(1990—)，女，硕士研究生。

TD824

A

1001-1250(2014)-05-032-04