陡帮开采技术在将军戈壁二号露天煤矿的应用

朱 涛，孙进步，万忠明

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

端帮陡帮开采是指露天采场端部的边帮（即端帮）在靠界过程中，加陡端帮帮坡角，尽可能多回收端帮压煤，并尽早实现内排压帮[1]。目前陡帮开采技术较为成熟，利用此技术增大端帮最终边坡角可回收端帮压煤，减少开采相邻采区时的重复剥离量，在国内各大型露天煤矿得到广泛应用。

新疆天池能源有限责任公司将军戈壁二号露天煤矿（以下简称“将二矿”）位于新疆准东奇台县城北东90 km 处。矿田位于将军戈壁勘查区的西部，地处准东煤田西黑山矿区北部，划定矿区范围批复面积为87.23 km2。本矿一期建设规模10.0 Mt/a，二期建设规模20.0 Mt/a，2017 年生产规模[2]达到10.0 Mt/a。首采区内主要开采煤层自上而下依次为B5 煤、B3煤和B2 煤，剥离工艺为单斗-卡车间断开采工艺，采用液压挖掘机将剥离物装入自卸卡车，自卸卡车运行至排土场排弃物料，用轮式前装机推送剥离物辅助排土；采煤工艺采为单斗-卡车-地面半固定式破碎站-带式输送机半连续工艺。

首采区由北侧拉沟向南推进，到界之后，西帮开始缓帮过渡为工作帮，南帮由工作帮逐渐加陡变成端帮。在2017 年完成转向后，南帮各台阶全部到界，内排已经跟进压覆东帮和北帮，由于暴露时间短，且内排跟进及时，南帮的稳定性良好。因此，在将二矿进行陡帮开采技术的应用，在保证端帮安全稳定的前提下，尽可能的提高边坡角，不仅增加了煤炭资源回收率，更节约了采区间的二次剥离量，具有显著的经济效益。

1 陡帮前南端帮稳定性分析

边坡稳定性方面比较成熟的方法有极限平衡法、有限差分法和有限元法，本次选择GEO-slope 和FLAC 2 种分析软件对将二矿南端帮边坡的稳定性进行模拟分析。

运用GEO-slope 对确定的2 个剖面进行稳定性分析，再运用FLAC3D建立矿区三维数值计算模型进行验算，分别得到了其稳定性系数。

1.1 GEO-slope 端帮稳定性分析

GEO-slope 软件的计算原理即为极限平衡原理。分别在该软件中建立数值计算模型，利用CAD对剖面进行层状划分，在GEO-SLOPE 软件中将层状输出。南端帮P1-P1 剖面煤岩层分布如图1，南端帮P1-P1 剖面稳定性分析结果如图2，图2 中深色为煤层，从上到下分别是B5、B3、B2 煤层[3]。岩土力学参数见表1。

表1 岩土力学参数

图1 南端帮P1-P1 剖面煤岩层分布

通过计算得到南端帮P1-P1 剖面稳定系数为1.256，稳定性良好。从图2 可以看出该方法分析是将滑体划分为若干条块，每个条块的重力和抗滑力及条块与条块之间的相互作用力都纳入到稳定系数的计算过程中，通过这种条分法处理，并将每个条块进行叠加，最终得到整个边坡的稳定系数。

图2 南端帮P1-P1 剖面稳定性分析结果

1.2 FLAC 端帮稳定性分析

为了验证二维数值计算结果的准确性，特建立三维数值计算模型，考虑边坡整体的稳定性。通过分析矿区现有数据，对建立的三维数值计算模型进行了一定的简化，模型只考虑南帮和东帮部分区域。通过3DMine 软件获取三维地表高程数据，导入ANSYS 软件建立三维几何模型，然后将建立的几何模型导入HYPERMESH 划分网格，最后将网格导入FLAC3D进行边坡稳定性分析[4]。计算时模型底面约束竖向位移，模型四周约束法相位移。根据前期地质勘探报告及土工试验结果，采用表1 中的力学参数对南端帮模型进行三维数值模拟计算。

通过分析得到该边坡的整体稳定系数为1.68，可以看出通过FLAC3D计算得到的结果比GEO-slope计算得到的结果（1.256 和1.028）更偏于安全，这主要是因为FLAC3D计算的三维模型是一个整体，而整体的稳定性必然大于任何一个截面的稳定性。所以根据计算结果可以看出，陡帮前的南端帮具有较大的安全系数，对其进行陡帮是可行的。

通过采用极限平衡分析方法与强度折减分析方法对南端帮边坡平面稳定性现状的分析，南端帮现状稳定性较好。依据现状分析结果与现场踏察情况，说明采用极限平衡法分析南端帮边坡稳定性更加合理，后续边坡稳定性分析中将以极限平衡分析方法为主，以强度折减分析方法进行验证[5]。

2 陡帮开采参数

2.1 最大边坡角

以初始边坡角35°的南端帮P1-P1 剖面为例，建模计算得到其稳定系数为1.256，显然该边坡存在很大的陡帮开采空间，通过提高边坡角度进行渐进式的试算，不同边坡角度下稳定性系数见表2。

从表2 可以看出，随着端帮边坡角度的不断增大，稳定性系数相应下降，二者具有一定的负相关性，当边坡角度增大到39°时，稳定系数已接近于1，当角度提高到40°时，稳定系数为0.978，已经小于1。为了保证安全稳定，暂确定南端帮P1-P1 剖面位置的陡帮开采最大角度为39°，再使用FLAC3D软件验证后确定最终边坡角度。

表2 不同陡帮角度下的边坡稳定系数

2.2 陡帮后南端帮整体稳定性

通过利用极限平衡法计算分析，将二矿南端帮最大边坡角可以提升到39°，为了验证数值计算的准确性，保障矿区的安全运营，特建立三维数值计算模型，考虑陡帮后南端帮的整体稳定性。

通过FLAC3D的计算，得到南端帮边坡角提高到39°后的稳定性系数为1.29，大于1.2 的设计值，陡帮至39°后的边坡仍然能够保持稳定，陡帮开采方案基于39°最终边坡角度进行。

3 南端帮陡帮开采方案

在南端帮陡帮开采实施前，经过现场考察分析，由于直角转向期间南帮局部区域暴露时间过长，南帮煤岩的的风化现象明显，被侵蚀的煤岩体呈层状剥落，强度显著降低，并且发现已到界B5 煤台阶和下部台阶出现了贯穿裂隙。考虑到南帮不同区域暴露时间不同、裂隙发育程度不同，根据不同区域的实际情况制定不同的陡帮开采方案。将南帮划分为3段区域：①I 区：裂隙发育区域；②II 区：已有边坡靠帮区；③III 区：尚未剥离的区域。

3.1 南端帮I 区开采方案

I 区为裂隙发育区，南帮已经出现了潜在的锲形滑面，如果不及时处理，有可能会发生锲形滑坡。在南帮I 区的陡帮开采充分考虑安全因素，陡帮开采的同时治理该区域可能会出现的锲形滑坡。

从安全和时间方面考虑，裂隙下部区域不再靠帮，并组织迅速内排压帮至B5 煤底板水平[6]，B5 煤底板以上局部靠帮，通过中间桥运输，从物料重心位置角度考虑，搭中间桥和端帮相比，搭中间桥能实现同水平剥离物运距不增加。

B5 煤开采量完成后依次继续向西推进进入II区，这样就开始了II 区的陡帮开采方案。

3.2 南端帮II 区的陡帮开采方案

在南帮I 区B5 煤的剥采作业继续向II 区推进，开始II 区的陡帮开采，由于I 区边坡稳定性系数处于临界状态，此时I 区的B2、B3 煤内排直接压覆，不考虑陡帮。

II 区的陡帮作业从工作帮开始，也就是在II 区和III 区的分界面开始作业，维持南帮现有运输平盘不变，仅下部陡帮，新增445 运输平盘，同时为了缩短下部物料运距，采用西帮中间桥[7]。

3.3 南端帮III 区的陡帮开采方案

由于南帮III 区的范围是未开采区域，因此南帮III 区的陡帮开采设计实质上是将二矿南端帮边坡参数的重新优化设计。

南帮陡帮方案形成的最终边帮有470 平盘，平盘宽30 m，可作为主要运输通道，在内排压帮至B5煤底板后，B5 煤二次陡帮继续开采4 m，470 平盘宽度最宽能达到34 m。上部515 平盘宽15 m，也能作为运输道路完成一定的运输任务。中间桥作用下降就可以考虑桥头“煤鼻子”上的二次剥离和下部B2煤的开采。截断中间桥需要和内排作业同时考虑，这是由于内排空间的重心在南部，而剥离物的重心在中部，如果过早截断中间桥将导致内排运距上升，内排空间的重心重新恢复到中间位置即是中间桥拆除的最佳时间[8]。此时总的内排空间的重心在中间位置，但是南北内排工作线推进进度并不相同，内排土场南部下方的445、470、485 工作线推进比北部快，而南部上方的500、515 等台阶的推进速度比北部慢。

此时南帮陡帮基本完成，515 平盘和470 平盘都具备运输能力，能形成以470 平盘、515 平盘为主的南帮运输系统。

4 经济效益分析

南帮陡帮作业在I 区和II 区共开采出煤炭124万t，按照90 元/t 的价格计算，陡帮开采煤炭价值11 160 万元；陡帮剥离量72 万m3，陡帮剥采比约为0.73 m3/t，III 区的陡帮剥采比更低约为0.5 m3/t，不过由于III 区陡帮延伸至二采区终了，随着地质参数变化该值也会变化。

I 区和II 区陡帮作业时，由于南部端帮运输道路被阶段，陡帮剥离物料需要绕行中间桥，增加的运距约1.2 km，按照1 元/（km·m3）计算，增加运输费用约86 万元，相比额外增加的11 074 万元的煤炭价值，在I 区和II 区的陡帮开采是非常经济的。对于工作帮的剥离物料，相比走南帮，通过中间桥运输，其重心位移的路线相差不大，仅在高程上略有损失。采用2 段对进开采的方案能更快的实现上部运输系统的贯通，将陡帮对运输系统的影响降低到最低。

对于III 区而言，其陡帮剥采比更小，经济技术条件要优于I 区和II 区，且此时南帮运输道路已经贯通，内排运距上也没有额外损失，若能顺利实施到二采区终了，能创造非常可观的经济效益。

5 结语

1）通过GEO-slope 软件系统研究了陡帮开采过程中的最大边坡角和压帮内排台阶参数对边坡稳定系数的影响，得到南端帮最大陡帮角度为39°。

2）目前已实施完成的南端帮I 区、II 区陡帮开采方案剥离量72 万m3，采出煤炭资源量124 万t，获得约11 074 万元的经济收益。

3）针对将二矿南帮现状进行了稳定性分析，分别以复合边坡与端帮边坡方式进行建模分析，通过分析得到，相同开采步骤条件下，复合边坡稳定系数略高于端帮边坡。

4）根据I、II、III 区南帮区段划分，综合分析得出I 区已处于临界滑动状态，直接内排压帮至B5 底板水平后回收部分B5 煤；II 区暴露时间相对较短，可进行陡帮开采作业，陡帮角度39°；III 区为未开采区段，通过调整运输系统直接进行陡帮开采。