新疆天池能源南露天矿南端帮边坡参数优化

刘振远，朱 涛

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

露天矿边坡变形破坏形式复杂，按其发生形态可分为剥落、崩落、滑动、沉降等几种基本形态[1]。彭洪阁等[2]研究了露天煤矿靠帮开采端帮稳定性关键影响因素，发现了边坡角、岩层倾角及水位高度对端帮稳定性影响明显；周永利等[3]对露天煤矿压帮内排端帮稳定性变化规律进行了研究，发现内排的跟进明显地减小了端帮岩体的剪切应变增量，能够使边坡安全性得到有效的提升；吕金星等[4]研究了内排土场几何参数对端帮稳定性的影响，提出优先满足最下部台阶的排弃，能更好地提高端帮的稳定性的方法；郭仝锁[5]对巨厚倾斜煤层露天矿时效特性与过构造结构面控制开采进行了研究，提出了巨厚倾斜煤层靠帮开采过构造结构面控制开采方法。新疆天池能源南露天矿南帮除了剥落等零散的破坏形态外，边坡整体表现为滑动破坏形态，一个滑体的全部滑动时间较长，由几十分钟至数日数月，甚至数年，表现出明显的时效特性，且随着时间的推移，工作帮开挖和内排土场回填的动态填挖过程对于南帮边坡的滑动破坏、位移量、破坏区域等会产生较大影响[6]。为此，对天池能源南露天矿的南帮逆倾边坡进行研究，建立巨厚煤层露天矿逆倾边坡分析的三维数值模型[7-8]，研究边坡应力、变形等演化规律，并给出边坡失稳判据及破坏模式，并根据三维计算结果确定失稳威胁断面，进行失稳威胁断面的稳定性分析[9]；同时，基于边坡时效性研究成果，提出南矿南帮陡帮开采参数优化方案。

1 岩土体物理力学参数确定

结合岩土体物理力学试验、岩土体工程地质性质类比和以往所选取的岩土物理力学参数，综合分析选择本次稳定性计算及评价采用的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2 南帮整体边坡稳定性

2.1 南帮边坡剖面选取及计算方法确定

本次研究采用极限平衡法和强度折减法对南矿南端帮稳定性进行稳定性分析[10]，分别采用Geo－Slope软件对南帮不同时期的二维剖面模型进行计算。结合南露天矿3Dmine 模型及2022 年和2023 年的采剥工程位置平面图，基于边坡稳定分析剖面的选取原则及工作任务要求，结合现场实际情况，选取南帮二维剖面，具体为南帮4 个剖面，分别在上述2 个年末采剥工程图中坑底至南帮地表做边坡剖面，根据19－3＃钻孔并结合2022～2023 年剖面中煤顶底板变化角度进行地层划分，划分边坡剖面模型。

对应2022 年和2023 年的三维边坡模型，分别穿过坑底对三维边坡模型进行剖面，采用极限平衡法和强度折减法对其进行稳定性分析及规律研究。针对南帮2022—2023 年不同时期对应的剖面，剖面选取为贯穿坑底未内排部分，运用GEO－Slope 软件计算南帮边坡稳定性，计算方法考虑了全部平衡条件与边界条件，滑面为任意形状，求解步骤较为严格，更加符合工程实际的Morgenstern－Price 法。

2.2 南帮边坡稳定性计算结果

通过极限平衡法计算得到2022—2023 年（5 m－0 m－5 m－0 m 方案）Morgenstern－Price 方法单边坡稳定系数为1.055、1.023，2022、年南帮最危险剖面稳定性如图1，2023 年南帮最危险剖面稳定性如图2。

图1 2022 年南帮最危险剖面稳定性

图2 2023 年南帮最危险剖面稳定性

通过上述极限平衡法稳定性分析可知，南帮在煤台阶5 m－0 m－5 m－0 m 陡帮开采方案进行开采后，随着工作帮的推进，南矿煤层底板的不断延深，南帮边坡稳定性明显降低，小于《露天煤矿工程设计规范》中非工作帮边坡稳定系数1.10～1.20 的要求，需要重新对南帮不断降深过程中靠帮开采参数进行优化。

3 2022～2023 年南帮靠帮参数优化

3.1 2022 年底陡帮开采优化验算

2022 年底煤底板标高为320 m，原始5 m－0 m－5 m－0 m 陡帮开采方案在370 煤台阶以下形成了50 m 的高边坡，稳定性降低，需要对5 m－0 m－5 m－0 m 陡帮开采方案进行优化研究。对2022 年底采剥工程图南帮进行剖面，并进行稳定性计算。2022 年底陡帮开采稳定性计算结果如图3。

图3 2022 年底陡帮开采稳定性计算结果

1）方案1。坑底水平为煤层底板320 m 水平，在340 m 水平留设35 m 宽煤台阶。

2）方案2。坑底水平为325 m 水平，在340 m 水平留设30 m 宽煤台阶。

3）方案3。坑底水平为335 m 水平，无需在340 m 水平留设煤台阶。

通过边坡二维分析，2022 年底南帮靠帮开采至不同坑底水平时，340 m 台阶需要留设的宽度也不同，方可达到边坡稳定系数1.1 以上，2022 年底南帮煤台阶整体台阶参数推荐值为5 m（400 m 水平）－0 m（385 m 水平）－5 m（370 m 水平）－0 m（355 m 水平）－30 m（340 m 水平），坑底水平为325 m。

3.2 2023 年底陡帮开采优化验算

2023 年底煤底板标高为318 m，形成52 m 的高边坡，稳定性降低，需要对5 m－0 m－5 m－0 m 陡帮开采方案进行优化研究。对2023 年底采剥工程图南帮进行剖面，并进行稳定性计算。2023 年底陡帮开采稳定性计算结果如图4。

图4 2023 年底陡帮开采稳定性计算结果

1）方案1。坑底水平为煤层底板318 m，在340 m 水平留设55 m 宽煤台阶。

2）方案2。坑底水平为325 m 水平，在340 m 水平留设50 m 宽煤台阶。

3）方案3。坑底水平为335 m 水平，在340 m 水平留设10 m 宽煤台阶。

通过边坡二维分析，2023 年底南帮靠帮开采至不同坑底水平时，340 m 台阶需要留设的宽度也不同，方可达到边坡稳定系数1.1 以上，2023 年底南帮煤台阶整体台阶参数推荐值为5 m（400 m 水平）－0 m（385 m 水平）－5 m（370 m 水平）－0 m（355 m 水平）－50 m（340 m 水平），坑底水平为325 m。

4 南帮陡帮开采经济效益分析

经过上述不同年份陡帮开采方案研究，2022—2023 年坑底水平为325 m 时，预留煤量最少，推荐南帮2022—2023 年坑底水平为325 m，340 m 水平分别加设30 m 和50 m。与南露天矿初步设计方案相比较，在340 m 台阶加设煤台阶保证边坡稳定前提下，预计多回收煤炭资源237 万t。2022－2023 年陡帮方案煤台阶剖面如图5 和图6。

图5 2022 年陡帮方案煤台阶剖面图

图6 2023 年陡帮方案煤台阶剖面图

5 结语

1）通过极限平衡法计算得到了露天煤矿端帮稳定性系数，随着工作帮的推进以及煤层底板的不断降深，端帮边坡高度不断增加，在不采取措施的情况下南帮边坡稳定性明显降低，需要对端帮下部台阶留设参数进行重新设计。

2）通过数值计算分析结果分析，南帮边坡发生潜在破坏滑面在325 m 以下，在留设保安煤柱进行压脚时距离滑面越近，提供压脚效果越好，平盘留设意义越大，煤炭资源采出率越大。通过优化南端帮边坡参数的技术手段，2022—2023 年南帮陡帮开采累计多回收煤炭资源237 万t，经济效益显著。