端幫靠幫開采穩(wěn)定性分析與經濟效益研究*

孟慶武 舒繼森 韓 流

(中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院)

傳統(tǒng)的露天煤礦靠幫開采是指采場最上部工作線到界后，下部工作線繼續(xù)開采直至達到設計的終了幫坡角的開采過程。在設計最終邊坡角時，通常采用靜態(tài)極限平衡法，要求非工作幫最終邊坡服務于采場采剝作業(yè)的全過程，最終邊坡穩(wěn)定系數(shù)取值偏高，而且最終邊坡上還要設置保安平盤和運輸平盤。因此，設計的最終邊坡角比實際上能達到的穩(wěn)定邊坡角要小。

我國大型露天煤礦基本為近水平煤層埋藏，采用分區(qū)開采內排壓幫開采程序，年產量和工作線推進強度大，使得端幫邊坡暴露面積和存在時間大大減小［1］。因此，更加有必要采用靠幫開采來提高露天礦的端幫邊坡角。

利用靠幫開采的相關理論和方法，選取合適的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，提高端幫邊坡角，在露天礦上部境界不動的情況下，不但可使露天開采境界內的資源量增加，剝采比減少，對于分區(qū)內排開采的露天煤礦還可以有效減少條區(qū)間二次剝離量，顯著提高露天開采的經濟效益。

1 靠幫開采邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 穩(wěn)定性分析基本方法

傳統(tǒng)的邊坡設計方法是靜態(tài)極限平衡法，這是一種確定性的研究方法，在計算時通常選取一個較為保守的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs(如1.3)，將滑體作為剛體分析其沿滑動面的平衡狀態(tài)，常用的方法有瑞典條分法、Bishop法、傳遞系數(shù)法等。但極限平衡法沒有考慮地應力的作用［2-3］，而且由于大型露天煤礦邊坡體的復雜性，計算時模型的建立與參數(shù)的選取不可避免地使計算結果與實際結果不吻合［4］，造成邊坡角取值偏大。

因此，要有效地實施端幫靠幫開采，就必須合理地減小端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)，而且對于大型露天煤礦而言，有必要考慮地應力的作用，同時采用數(shù)值分析的方法進行定量的設計計算和分析，通過多種方案的計算、分析、比較，確定最合理的端幫邊坡角。

對于我國大型露天煤礦而言，端幫邊坡的范圍很大，在進行數(shù)值模擬和極限平衡法分析計算時，如果對整個邊坡做三維計算和分析，工作量將特別大，對結果的分析也很繁雜，不能一目了然，故對整個邊坡的大范圍的穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設計采用二維的有限差分(FLAC2D)和極限平衡分析(GEO－SLOPE)程序。其中極限平衡分析同時采用簡化Bishop法、精確Janbu法和Sarma法。2種方法相互比較、補充、驗證，可以提高分析結果的準確性和可靠性［2］。

1.2 穩(wěn)定性分析具體步驟

(1)收集端幫邊坡的地質資料，準確掌握端幫地質構造、巖層物理力學性質、地下水、地應力等影響邊坡穩(wěn)定的主要因素［5］。

(2)根據(jù)邊坡工程地質分區(qū)和不同位置邊坡的穩(wěn)定性情況及重要程度，選擇若干具有代表性的剖面進行分析，確定相關的巖石物理力學參數(shù)。

(3)對于每個剖面，以原有端幫邊坡角為基準，確定若干個提高端幫邊坡角度的方案。

(4)對于每個方案，將掌握的地質資料數(shù)據(jù)和相關邊坡參數(shù)分別輸入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，進行綜合數(shù)值模擬分析，求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

(5)根據(jù)端幫邊坡的地質情況和露天礦的實際推進速度，選取合理的靠幫開采的穩(wěn)定系數(shù)［6］，以此確定每個剖面靠幫開采的端幫邊破角。

(6)將不同剖面2種方法的計算結果進行綜合對比分析，確定最佳的靠幫開采的端幫邊坡角。

2 經濟效益研究

以分區(qū)內排開采的近水平煤層埋藏的露天礦為例，在上部境界不動的情況下分別分析端幫靠幫開采帶來的經濟效益和減少的二次剝離成本。

在分析時，為了簡化分析模型，均以單一煤層為例，對于復合煤層，可以按照類似的方法進行分析。

2.1 靠幫開采的經濟效益計算

靠幫開采的經濟效益計算分析模型如圖1。

圖1 靠幫開采經濟效益計算模型

根據(jù)1.2小節(jié)穩(wěn)定性分析的步驟對露天礦端幫進行靠幫開采邊坡穩(wěn)定性分析后，假設兩側端幫邊坡角分別由α1、α2提高到β1、β2(如圖1)，則兩側端幫多采出的巖石面積SY1、SY2和礦石面積SK1、SK2分別為

式中，h、H分別為根據(jù)鉆孔資料得出的煤層平均厚度和上覆巖層平均厚度的期望值，m。

多采出的巖石總面積SY和礦石總面積SK分別為

由靠幫開采帶來的純剝離成本QB和純采礦成本QC分別為

式中，QB和QC分別為每年由靠幫開采帶來的純剝離成本和純采礦成本，萬元;L為露天礦實際年推進強度，m/a;a為單位純剝離成本，元/m3;b為單位純采礦成本，元/t;k為原煤容重，t/m3。

由靠幫開采帶來的銷售收入為

式中，QSR為每年由靠幫開采帶來的煤炭銷售收入，萬元;η為回采率，%;c為煤炭銷售價格，元/t。

則靠幫開采可以產生的經濟效益QXY(萬元)為

2.2 節(jié)約的條區(qū)間二次剝離成本計算

對于分區(qū)內排開采的露天礦，假設在后一條區(qū)開采時前一條區(qū)相應位置處已全部內排完畢，則會在條區(qū)相接處產生相應的二次剝離量。采用靠幫開采可以減少條區(qū)間二次剝離量，進而節(jié)約二次剝離成本。

圖2 減少的條區(qū)間二次剝離成本計算模型

減少的條區(qū)間二次剝離成本計算分析模型如圖2。假設采用靠幫開采后前一條區(qū)端幫邊坡角由α提高到β，后一條區(qū)開采時與前一條區(qū)相接一側端幫邊坡角為γ，靠幫開采前后產生的二次剝離面積分別為圖2中的△AEG和△ADF，則減少的二次剝離面積SJ為

節(jié)約的二次剝離成本QJ為

式中，d為單位二次剝離成本，元/m3;QJ為采用靠幫開采每年可以節(jié)約的二次剝離成本，萬元。

3 實例研究

以我國北方某近水平露天煤礦為例，進行靠幫開采的邊坡穩(wěn)定性分析和經濟效益研究。

該露天礦由西向東推進，工作線推進強度400 m/a，可采煤層平均厚度28 m，上覆巖層平均厚度150 m，采用單斗鏟—汽車生產工藝，分區(qū)開采，壓幫內排。

3.1 靠幫開采的邊坡穩(wěn)定性分析

以第一條區(qū)為例，在南幫和北幫分別選取1個典型剖面(如圖3)，初始端幫邊坡角均為37°。

所選取的端幫剖面的巖層劃分及物理力學參數(shù)如表1所示。

以初始端幫邊坡角為基準，確定提高端幫邊坡角度的方案如表2所示。

將表1中地質資料數(shù)據(jù)和相關邊坡參數(shù)分別輸入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，進行綜合數(shù)值模擬分析，求解各個角度方案下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計算結果如表3、表4所示。

圖3 南北端幫A－A剖面現(xiàn)狀

表1 A－A剖面巖層劃分及物理力學參數(shù)

表2 提高端幫邊坡角度的方案 (°)

表3 南幫邊坡不同角度穩(wěn)定系數(shù)計算結果

表4 北幫邊坡不同角度穩(wěn)定系數(shù)計算結果

可知:2種方法的計算結果基本一致。根據(jù)端幫邊坡的地質情況和露天礦的實際推進速度，選取穩(wěn)定系數(shù)Fs的值為1.15，對比2種方法的計算結果，確定在此穩(wěn)定系數(shù)條件下靠幫開采的端幫邊坡角南幫為44°，北幫為42°。

3.2 經濟效益研究

根據(jù)穩(wěn)定性分析結果，一條區(qū)南北幫的邊坡角可由37°分別提高到44°和42°，取純剝離成本10元/m3，純采煤成本7元/t，煤炭銷售價格120元/t，回采率95%，根據(jù)所建立的經濟效益模型計算得:一條區(qū)采用端幫靠幫開采每年產生的經濟效益為11 692.112萬元。

二條區(qū)開采位置選在一條區(qū)南側，取二次剝離成本9元/m3，根據(jù)建立的模型計算得:一條區(qū)采用靠幫開采每年可以為二條區(qū)開采節(jié)約二次剝離成本為1 662.287萬元。

由此可見，在該露天礦實施靠幫開采經濟效益十分顯著。

4 結論

(1)對我國大型近水平露天煤礦實施端幫靠幫開采是有必要的，在技術上也是可行的。

(2)提出了端幫靠幫開采邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法和具體的分析步驟，對實施端幫靠幫開采有一定的指導意義。

(3)建立了由靠幫開采帶來的經濟效益研究模型和節(jié)約的二次剝離成本計算模型。

(4)實例驗證了本研究方法和結果的正確性。對我國北方某露天礦實施端幫靠幫開采，一條區(qū)兩側的端幫邊坡角可以由37°分別提高到44°、42°，由此每年可以獲得的經濟效益為11 692.112萬元，每年可以節(jié)約一條區(qū)和二條區(qū)之間的二次剝離成本1 662.287萬元，經濟效益十分可觀。

［1］ 才慶祥，周 偉，車兆學，等.近水平露天煤礦端幫靠幫開采方式與剝采比研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2007，36(6):743-747.

［2］ 才慶祥，周 偉，舒繼森，等.大型近水平露天煤礦端幫邊坡時效性分析及應用［J］.中國礦業(yè)大學學報，2008，37(6):740-744.

［3］ 蔡美峰，喬 蘭，李長洪，等.深凹露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析與設計優(yōu)化［J］.北京科技大學學報，2004，26(5):465-470.

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