河曲露天矿端帮陡帮开采技术可行性研究

罗 科，马 力，刘晨东，吕贵龙，石 磊，徐甜新，薛 飞

(1.山西焦煤山煤国际河曲露天煤业有限公司，山西 忻州 036500；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 露天采矿技术研究所，陕西 西安 710054)

露天开采过程中，由于开采工艺与初步设计的限制，端帮的边坡角通常较小，往往导致端帮下部大量的煤炭资源被压占造成端帮压煤现象[1-3]。近年来，随着煤炭资源的不断缩减和开采工艺的发展进步，使得回收端帮压煤提高经济效益成为可能[4，5]。

才庆祥等[6]提出了靠帮开采的概念，其实质为陡帮开采，即通过下部境界外扩与上部境界收缩的方式来提高边坡角；在此基础上，黄甫等[7]结合露天矿边坡上部和下部边坡暴露时间和岩性差异，提出了下部边坡外扩与边坡内缩的局部陡帮开采方式；宋子岭等[8]通过对安家岭煤矿压帮前后边坡稳定性情况进行分析，确立了下部加陡的局部陡帮开采方式，并确定压帮高度与边坡稳定系数呈正相关；Zhengao Zha等[9]通过建模对三种端帮煤开采方式进行对比分析，最终确定了局部陡坡开采法为端帮超厚煤层开采的最佳方法；结合季冻区冻土的特点，佘长超等[10]通过研究分析提出了冻结期间二次靠帮开采，实现了南帮边坡角从30°提升至33°；吴榕真等[11]、吕粲等[12，13]采用极限平衡法与有限元强度折减法对端帮边坡的滑移模式及稳定性变化进行了研究分析，并确定了最佳的陡帮开采方案，实现了经济效益最大化；尚涛等[14]通过剖面法研究了端帮稳定系数与开挖降段深度、时间、内排回填高度的关系分别为负相关、二次函数负相关与指数相关关系；任鹏等[15]利用数值模拟与极限平衡法相结合的方法，对边坡稳定性进行了分析，并确定了最佳陡帮开采方案，在此基础上刘新新[16]统计分析了内排压帮高度与端帮边坡稳定性之间的关系及其对端帮稳定性的积极效果；Zuoan Wei等[17]分析了静载荷动载作用的下陡帮边坡潜在滑移破坏模式，并提出了新的边坡稳定措施。为露天矿端帮边坡稳定及提高端帮边坡角度研究提供了一定的参考[18-20]。

以河曲露天煤矿采场端帮边坡为研究对象，利用极限平衡法与有限元强度折减法对端帮边坡进行稳定性分析，确立极限状态下的端帮边坡角度，在此基础上提出了相应的陡帮开采方案，并进行了工程量与经济量分析。

1 工程地质条件及典型剖面选取

1.1 河曲露天矿工程地质条件

河曲露天矿地处山西黄土高原西北部，属典型的黄土高原地貌，矿田属大陆性半干旱型气候，矿田内沟谷平时基本干枯无水，只有雨季时才有洪水排泄，自东而西流入黄河。目前为首采区产煤，生产能力为800万t/a，开采工艺采用单斗卡车工艺，工作线推进方向由南到北，东西两端帮负责运输。矿田范围内赋存地层自老而新主要有奥陶系中统上马家沟组、石炭系中统本汐组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、第三系上新统保德组，第四系上更新统。结合矿山地质条件，端帮边坡岩土体的物理力学指标见表1。

表1 岩石力学参数

1.2 典型剖面选取

河曲露天矿首采区开采现状如图1所示，结合开采实际，在东西端帮选取共3个典型剖面对河曲露天矿的陡帮开采技术可行性进行研究分析，如图2所示。

图1 河曲露天矿首采区开采现状

2 最佳端帮边坡角确定

2.1 边坡稳定性分析方法选择

极限平衡法将滑体视为刚体，不考虑变形，只考虑滑体沿滑面的位移，是边坡稳定性分析采用的一种较为普遍的计算方法，尤其是在边坡稳定性分析中常假定滑动面为圆弧滑动模式。其中，极限平衡法主要是通过试算各种不同位置圆心所对应滑面的稳定系数，并以全局稳定系数最小滑面为该剖面的稳定系数，而有限元强度折减法则是通过不断折减，使边坡达到极限破坏状态，可以确定临界破坏时岩体的应力状态分布。本文边坡稳定性分析方法采用极限平衡法(Janbu法与摩根斯坦法)与有限元强度折减法进行综合分析，通过危险滑动面位置与应力云图综合说明滑面的稳定性情况，并互相验证。

图2 各剖面形态

2.1.1 极限平衡法

滑体的位移为剪切破坏，遵守Mohr-Coulumb准则，即τ=σtanφ+C，式中τ及σ为滑面上的剪切力及正应力，C及φ为滑面上的粘聚力及内摩擦角。滑体在滑面上的平衡条件，应用到滑块在斜坡上的平衡原理，如图3所示。

图3 滑块平衡原理

2.1.2 有限元强度折减法

强度折减法的基本原理为将岩土体的抗剪强度c、φ的正切值除以折减系数Fr，采用有限元进行计算，如果边坡在选取的折减系数下达到破坏，此时的折减系数便是安全系数：

令：

则式(2)成为：

τr=σtanφr+cr

(4)

参数φr和cr为折减后的强度指标，将φr和cr带入有限元计算，如果折减系数Fr>1.0，则利用有限元计算的位移和应力就比实际的大，破坏的单元也比实际的多。令Fr从1.0逐步增大，则计算的位移逐步变大，破坏单元逐步增加，当边坡整体失稳时的Fr即为安全系数。

2.2 边坡稳定性分析及最终边坡角确定

边坡稳定性分析依据《煤炭工业露天矿设计规范》要求，端帮储备系数在1.1～1.5以内，并考虑河曲露天煤矿采用内排模式，其储备安全系数采用1.2。

各剖面边坡稳定分析结果如图4所示。由图4可知，东帮1-1剖面下部边坡稳定系数在1左右，边坡处于临界平衡状态，西帮2-2剖面与3-3剖面稳定系数均满足储备系数1.2要求，边坡处于稳定状态，探索不同凸边坡组合下的边坡稳定性情况，确定边坡稳定最优参数见表2。

图4 各剖面边坡稳定性分析结果

3 陡帮开采可行性分析

3.1 端帮平盘参数优化

河曲露天矿目前端帮在运输系统中还担任着高程运输的作用，斜坡道使得平盘宽度大大增加，应将高程运输放到工作帮上以降低端帮平盘宽度，提高端帮边坡角；端帮平盘两台阶作为一个单元；运输平盘设置为双车道，且矿区内运输车辆最宽宽度为4.5m，道路宽度与车辆宽度、行车密度及运行速度有关，其计算式如下：

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

(5)

式中，B为路面宽度，m；n为行车线数，取2；A为汽车后轮计算的宽度即为车辆最大宽度，m；x为两车净距，m，通常取0.7～1.7m，取1.5m考虑中间设置挡墙，因此增加1m，x为2.5m；Y为后轮外缘距路边的距离，取3m。

表2 各剖面稳定边坡角 (°)

最终确定运输平盘最小宽度为17.5m，清扫保安平盘最小宽度为5m，具体平盘设置中可根据不同岩层情况，进行适当调整，且保证同一端帮每个平盘功能相同。

3.2 端帮陡帮开采方案

3.2.1 1-1剖面陡帮开采方案

基于模拟结果，由于1-1剖面为凸边坡形态，煤层主要集中在下部台阶，故只需对下部台阶进行调整，为此提出两种方案。方案一为在原始边坡形态的基础上进行微调，并增加+968平盘，宽度为5m，其余平盘进行相应调整，由于调整幅度较小，故边坡角度保持不变；方案二为方案一的补充方案，其在方案一的基础上增设+922平盘，宽度为20m，以保持边坡稳定，其调整优化前后方案如图5所示，参数变化见表3。图5中①为原始状态和方案一的边坡角度，其上部边坡角为23°，下部边坡为42°；②为原始边坡与方案一共同的整体边坡角为28°；③为方案二的边坡角度，其上部边坡角为23°，下部边坡角为37°；④为方案二条件下的整体边坡角为27°。

图5 1-1剖面陡帮开采方案

对两种方案下的边坡稳定性情况进行模拟，结果如图6、图7所示。

方案一中边坡稳定系数在1.0左右，边坡处于临界平衡状态，存在滑移风险，因此不推荐此方案，方案二的边坡稳定系数在1.20～1.33之间，满足储备系数要求。综合以上分析结果，东帮1-1剖面当前处于临界平衡状态，稳定系数低于储备系数要求，可按方案二下部平盘布设方式尽快内排压脚，增大下部台阶的抗滑力，提高该剖面稳定系数。

表3 1-1剖面陡帮开采方案平台宽度调整参数 m

图6 1-1剖面方案一边坡稳定性分析结果

图7 1-1剖面方案二边坡稳定性分析结果

3.2.2 2-2剖面陡帮开采方案

2-2剖面边坡角度可从28°提升为32°，边坡整体形式为凸形边坡结构。其优化原则以原有平台高度和台阶坡面角不变为依据，对局部台阶平盘宽度进行微调，以最小平盘宽度为平盘宽度调整极限，其中运输平盘为18m，清保平盘为5m，其调整优化前后方案如图8所示，参数变化见表4。图8中①为原始凸边坡形态下的边坡角度，其上部边坡角为20°，下部边坡角为39°；②为原始状态下的整体边坡角为28°；③为调整方案中下的边坡角，其上部边坡角为28°，下部边坡角为38°；④为调整方案中下的整体边坡角为32°。

图8 2-2剖面陡帮开采方案

表4 2-2剖面陡帮开采方案平台宽度调整参数 m

对调整后的边坡稳定性进行分析，结果如图9所示。由模拟结果知，调整后的方案安全系数保持在1.29～1.42，满足储备系数1.2要求，整体边坡处于稳定状态。

图9 2-2剖面陡帮开采方案稳定性分析结果

3.2.3 3-3剖面陡帮开采方案

3-3剖面的整体边坡角可提升至36°，以原有平台高度和台阶坡面角不变为依据，保持原有平盘功能不变，提出方案一。方案二在方案一基础上去除清扫保安平盘，原有运输平盘宽度不变，其调整优化前后方案如图10所示，参数变化见表5。图10中①为原始凸边坡形态下边坡角，上部边坡角为17°，下部边坡角为38°；②为原始边坡形态整体边坡角为27°；③为方案一条件下边坡角，上部边坡角为27°，下部边坡角为37°；④为方案一条件下整体边坡角为31°；⑤为方案二条件下边坡角，上部边坡角为27°，下部边坡角为43°；⑥为方案二条件下整体边坡角为34°。

图10 3-3剖面陡帮开采方案

表5 3-3剖面陡帮开采方案 m

图11 3-3剖面陡帮开采方案一稳定性分析结果

分析两种方案下的边坡稳定性情况，结果如图11、图12所示。方案一与方案二区别较小，两种方案中边坡均处于稳定状态，方案一工程量小更符合原设计，方案二取消了清保平盘，可以获得更高的经济效益，结合现场实际端帮均为运输平盘加清保平盘设计，故推荐使用方案一。

图12 3-3剖面陡帮开采方案二稳定性分析结果

3.3 工程量与经济分析

陡帮开采经济效益可以用以下公式进行计算：

B=ΔQ煤×(P-a)-ΔQ剥×b

(6)

式中，B为陡帮开采经济效益，元；△Q煤为可多采煤总量，t；P为原煤售价，152元/t；a为纯采煤成本，取为85元/t；△Q剥为多剥采岩石量，m3；b为纯剥离成本，取为10.8元/m3。

3.3.1 东帮帮边坡

1-1剖面为采场实际开采位置确定端帮实际形态，1-1剖面进行优化经济分析与剥采工程量变化见表6。从表6中可以看出，1-1剖面方案二经济不利，但其最下部台阶增加了运输平盘可以满足开拓运输系统要求及台阶稳定性，方案一多回收煤炭资源的经济效益显著，可采用内排压脚的方式提高下部台阶稳定性，按314m/a推进度计，东帮剖面可年增加3.9万t原煤回收，预计提高经济效益242万元。

表6 1-1、2-2和3-3剖面剥采量变化及经济效益分析

3.3.2 西帮边坡经济分析

与东帮相似，西帮选取了两个典型剖面，且2-2剖面与3-3剖面均为开采实际。基于数值模拟结果，2-2剖面提出一种调整方案，可实现保证边坡稳定性的同时，最大程度提高煤炭采出率，增加经济效益。3-3剖面共有2个方案，方案二在取消了清保平盘后其经济效益优于方案一，但与端帮边坡平盘功能及特征存在影响。因此，结合方案一既满足开采工程实际又能保证边坡稳定性要求，按方案一可增加原煤回采量28万t/a，其与2-2剖面断面形态基本一致增加原煤回采量为24万t。据此可以确定西帮端帮平盘形态优化后年均增加原煤26万t，增加经济效益采用两剖面平均值779万元。

2-2剖面与3-3剖面给出方案其个平盘功能保持一致，参数则略有差异，后续开采过程中，可按照3-3剖面的形态继续开采，既可以保持边坡稳定，也可以获得一定的经济效益。

4 结 论

1)结合河曲露天煤矿岩体力学参数，综合采用极限平衡法(Janbu法、摩根斯坦法)和有限元强度折减法进行分析并互相验证，计算确定了各帮边坡稳定性情况，并分别确定了各帮边坡稳定角度。

2)基于稳定性分析结果，结合采场实际，提出了高程运输放在工作帮并将清扫平盘与保安平盘合二为一的方案，确定了最小运输平盘宽度为17.5m，清保平盘宽度为5m，在此基础上提出了剖面的陡帮开采方案并确定了最优平盘参数。

3)东端帮边坡处于临界平衡状态，采煤过程中应采用快速回填压帮的方式，防止边坡失稳，在此条件下，可实现多采煤3.9万t；西端帮采用凸形边坡设计可提升边坡角度4°，可多采煤26万t，共计增加经济效益1021万元。