北山露天矿东帮开采与回填方案边坡稳定性研究

曹德 赵力 王刚

摘要：以北山露天煤矿为依据，采用极限平衡法对东帮边坡开采与回填压脚方案进行边坡稳定性研究。对以往岩土物理力学试验取得的数据进行归纳总结，获取适用于本次研究区域的岩体力学评价参数。通过对4种开采设计方案的稳定性和采煤量分析，得出最合理的开采角度为65°。由于形成单台高陡边坡，对5种回填压脚方案进行稳定性和回填量对比分析，最终得出回填压脚边坡角36°最合理。

Abstract： Based on the Beishan Open-pit Coal Mine， the limit equilibrium method is used to study the slope stability of the eastern slope mining and backfill presser foot scheme. The datas obtained from previous geotechnical physical mechanics experiments are summrized to obtain the rock mechanics evaluation parameters applicable to the study area. Through the analysis of the stability and coal mining volume of the four mining design schemes， the most reasonable mining angle is 65°. Due to the formation of a single high-steep side slope， the stability and backfill amount of the five backfill presser foot schemes are compared and analyzed， and finally the backfill presser foot slope angle of 36° is the most reasonable.

關键词：露天煤矿;极限平衡;边坡稳定性;边坡角;回填压脚

Key words： open-pit coal mine;limit equilibrium;slope stability;slope angle;backfill presser foot

中图分类号：TD824.7                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0109-03

0  引言

煤炭为不可再生的重要战略性资源[1]，对保障国民经济稳定发展起着重要的作用，必须由传统的粗放型开发转变为节约保护性开发，开发大型现代化矿山。为合理开发宝贵资源，规范开采顺序，需要对煤炭资源进行统一规划，合理利用[2]。针对如何最大限度地回收煤炭资源量，延长矿山服务年限。尽早的有效扩大和利用排土空间，缩短剥离运距降低生产成本。露天煤矿的开采由于最终边坡角的限制，其边帮压覆的煤炭资源量非常大[3]。因此针对如何最大限度地回收煤炭资源量及如何保证陡帮开采边坡稳定性的治理措施，是采矿工程科学技术人员备受关注的关键问题之一。

1  矿山概况

北山露天煤矿二号露天采掘场已形成东西长1.4km，南北宽2.4km，采场面积（包括北部排土场）约3.76km2，最低开采水平+580m、开采深度125m，主要对B2、B3、B4、B5、B7煤层进行开采，台阶水平划分，沿煤层底板向顶板推进，平均工作线长度900m，14个台阶、台阶高度10m，东帮、西帮已形成端帮，南帮为工作帮（帮坡角8°），北帮已实现内排，内排台阶6个、台阶高度20m;其工作线东西向布置、工作帮向南推进（即沿着煤层倾向推进）。现对东端帮压覆的煤炭资源进行最大化剥采，通过理论分析与现场实际情况结合得出内排压帮控制开采方法是合理利用开采程序，提高端帮边坡角，回收深部煤炭资源最合理，不仅最大限度地提高煤炭资源回收量，延长矿山服务年限，而且剥采比小、缩短剥离运距，降低生产成本，经济效益好。但需制定合理控制开采边坡角及回填压帮方案，以确保东段帮在开采及回填压帮后边坡的稳定性。

2  岩土物理力学参数

岩体力学参数确定是边坡稳定性计算评价的基础也是关键。工程实践与试验研究表明：由于受尺寸效应、试验条件以及岩体中不连续面等因素影响，岩体强度明显要小于岩石（块）强度。而工程分析所采用的参数常直接取于实验室测试的岩块强度，用其分析边坡稳定性容易出现失真，因此边坡稳定性分析时，必须要通过科学合理的方法获取岩体的强度指标。本次岩土体物理力学指标数据的确定是结合以往试验研究成果，并结合以往工程经验，归纳总结得出该矿本次稳定性分析的岩土体物理力学指标推荐值见表1。

3  边坡稳定性分析

3.1 极限平衡法

该方法基本原理是假定边坡体中存在潜在滑面，并对滑面之上的滑体进行有限条分最终形成若干个相互作用的条块，首先对每个单独条块建立静力平衡方程，接着利用各条块之间的相互作用关系并联立各条块静力平衡方程，来创建整个宏观滑体的静力平衡方程，最终将滑面上抗剪力与剪切力的比值定义为潜在滑体的稳定系数[4]。由于极限平衡理论体系的不断丰富，衍生出很多更为简便的方法，例如Morgenstern-price法、Ordinary法、Bishop法、Janbu法等[5～6]。本次运用Morgenstern-price法来计算东帮边坡的稳定系数，该方法采纳了全部边界条件及平衡条件来弥补计算方法的缺陷，因此计算结果更具真实性[7-9]。

3.2 安全储备系数

本次安全储备系数主要按照《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2015）之有关规定（见表2），并在现有的边坡资料基础上，结合矿区边坡工程地质及水文地质条件来最终确定。由于东帮地表紧邻国防公路，考虑到国防公路的安全问题，最终确定东帮边坡的安全储备系Fs数为1.2，治理后东帮采掘场成为最终边坡安全储备系数为1.3。

4  开采方案稳定性分析

4.1 剖面选取

通过边坡稳定性影响因素分析以及工程地质勘查完成（剖面位置主要选择在工程地质钻孔附近）的情况，选取东帮深部靠帮开采范围内的典型剖面，对其进行工程地质模型的构建并分析边坡稳定性。边坡稳定性计算工程地质模型剖面平面布置见图1所示。

4.2 开采方案确定

北山露天煤矿编制以+600m水平运输平盘为顶部界局部边坡角55°、60°、65°、70°四种方案反至煤层底板形成一个高陡台阶，随后内排工作帮以距离采煤工作帮50m的空间关系向东推进。在开采过程中下部会出现高陡边坡的情况，为保证安全生产、经济效益最大化，对各方案进行对比分析，寻求最合理的开采角度，工程地质模型见图2。

本次东帮端帮开采方案对东帮边坡稳定性的影响非常大，因此分别对东帮端帮现状边坡和4种开采方案进行边坡稳定性分析。建立工程地质模型并进行稳定性计算。现状整体边坡稳定性计算结果见图3。

经稳定性计算得出未开采前整体边坡稳定系数为1.214，处于稳定状态。但+660m～+630m水平处局部边坡处稳定性较低，在下部端帮开采过程中要注意此处是否会发生片帮。为了实现经济效益最大化和边坡安全稳定生产，分別对设计下部煤层开采角度为55°、60°、65°、75°，四种开采方案进行边坡稳定性和单位长度采煤量进行计算，结果如表3所示。

从表3可看出局部边坡稳定系数和整体边坡稳定系数随着边坡角增大而减小，采煤量随设计边坡角增大而增大。开采方案1和2局部边坡稳定性处于临界状态，整体边坡稳定系数处于稳定状态，对于工作帮临时边坡来看，满足生产需求，且还可再进一步加大边坡角;开采方案4，局部边坡稳定系数为0.825，整体边坡稳定系数为0.943，均处于不稳定状态。开采方案3，局部边坡稳定性系数为0.891小于1.0，属于不稳定边坡，由于深部边坡变陡导致整体边坡角度变大，东帮整体边坡稳定性系数为1.012接近于临界失稳状态。根据端帮开采方案，这一时刻的边坡状态存在时间较短。在充分利用边坡的时效性的同时，只需快速对暴露的边坡进行内排回填压脚。综合采煤量和边坡稳定状态，开采方案3设计边坡角为65°最合理，开采方案3稳定性计算结果如图4所示。

4.3 回填压脚方案稳定性分析

根据矿区实际情况标高+600位置与需原平盘接壤，因此根据开采方案3设计从标高+600开采位置以平盘宽度20m，回填压脚部分单台阶边坡角分别为33°、34°、35°、36°、37°，向下部煤层底板反2个台阶，在标高+600平盘上增高1个台阶。建立工程地质模型并对5种不同角度回填压脚方案进行稳定性计算。以36°回填压脚方案如图5所示。

从表4可看出，局部边坡稳定系数和整体边坡稳定系数在平盘宽度不变的情况下随着单台阶角度增大而减小，回填压脚量随单台阶角度增大而减小。回填压脚方案1～4，局部边坡和整体边坡稳定系数均大于1.3，满足安全储备需求;回填压脚方案5整体边坡稳定系数小于1.3，不满足安全储备需求。综合分析，回填压脚方案4，局部边坡稳定系数为1.356，整体边坡稳定系数为1.301，回填压脚方案4，不仅满足边坡安全稳定性要求还能最大程度减少工程量。回填压脚方案4计算结果如图6所示。

5  结论

①通过对以往岩土物理力学性质试验数据、资料的归纳、分析、整理，对各项参数指标进行可靠性分析，结合类比分析结果，获得适用于本次研究的岩土物理力学性质指标。

②以65°单台阶边坡角开采东帮余煤，局部边坡稳定系数虽小，但整体边坡处于基本稳定状态，充分利用边坡时效性，进行内排回填压脚可获得最大经济效益。

③以单台阶边坡角为36°进行边坡回填压脚，可满足边坡稳定性的安全储备需求，还可减少回填工作量。

参考文献：

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[4]湛来.一种广义Morgenstern-Price法及其应用[D].武汉：湖北工业大学，2017：15-18.

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