曹德 趙力 王剛

摘要：以北山露天煤礦為依據(jù)，采用極限平衡法對東幫邊坡開采與回填壓腳方案進行邊坡穩(wěn)定性研究。對以往巖土物理力學試驗取得的數(shù)據(jù)進行歸納總結，獲取適用于本次研究區(qū)域的巖體力學評價參數(shù)。通過對4種開采設計方案的穩(wěn)定性和采煤量分析，得出最合理的開采角度為65°。由于形成單臺高陡邊坡，對5種回填壓腳方案進行穩(wěn)定性和回填量對比分析，最終得出回填壓腳邊坡角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.

關鍵詞：露天煤礦;極限平衡;邊坡穩(wěn)定性;邊坡角;回填壓腳

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

中圖分類號：TD824.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0109-03

0? 引言

煤炭為不可再生的重要戰(zhàn)略性資源[1]，對保障國民經濟穩(wěn)定發(fā)展起著重要的作用，必須由傳統(tǒng)的粗放型開發(fā)轉變?yōu)楣?jié)約保護性開發(fā)，開發(fā)大型現(xiàn)代化礦山。為合理開發(fā)寶貴資源，規(guī)范開采順序，需要對煤炭資源進行統(tǒng)一規(guī)劃，合理利用[2]。針對如何最大限度地回收煤炭資源量，延長礦山服務年限。盡早的有效擴大和利用排土空間，縮短剝離運距降低生產成本。露天煤礦的開采由于最終邊坡角的限制，其邊幫壓覆的煤炭資源量非常大[3]。因此針對如何最大限度地回收煤炭資源量及如何保證陡幫開采邊坡穩(wěn)定性的治理措施，是采礦工程科學技術人員備受關注的關鍵問題之一。

1? 礦山概況

北山露天煤礦二號露天采掘場已形成東西長1.4km，南北寬2.4km，采場面積（包括北部排土場）約3.76km2，最低開采水平+580m、開采深度125m，主要對B2、B3、B4、B5、B7煤層進行開采，臺階水平劃分，沿煤層底板向頂板推進，平均工作線長度900m，14個臺階、臺階高度10m，東幫、西幫已形成端幫，南幫為工作幫（幫坡角8°），北幫已實現(xiàn)內排，內排臺階6個、臺階高度20m;其工作線東西向布置、工作幫向南推進（即沿著煤層傾向推進）?，F(xiàn)對東端幫壓覆的煤炭資源進行最大化剝采，通過理論分析與現(xiàn)場實際情況結合得出內排壓幫控制開采方法是合理利用開采程序，提高端幫邊坡角，回收深部煤炭資源最合理，不僅最大限度地提高煤炭資源回收量，延長礦山服務年限，而且剝采比小、縮短剝離運距，降低生產成本，經濟效益好。但需制定合理控制開采邊坡角及回填壓幫方案，以確保東段幫在開采及回填壓幫后邊坡的穩(wěn)定性。

2? 巖土物理力學參數(shù)

巖體力學參數(shù)確定是邊坡穩(wěn)定性計算評價的基礎也是關鍵。工程實踐與試驗研究表明：由于受尺寸效應、試驗條件以及巖體中不連續(xù)面等因素影響，巖體強度明顯要小于巖石（塊）強度。而工程分析所采用的參數(shù)常直接取于實驗室測試的巖塊強度，用其分析邊坡穩(wěn)定性容易出現(xiàn)失真，因此邊坡穩(wěn)定性分析時，必須要通過科學合理的方法獲取巖體的強度指標。本次巖土體物理力學指標數(shù)據(jù)的確定是結合以往試驗研究成果，并結合以往工程經驗，歸納總結得出該礦本次穩(wěn)定性分析的巖土體物理力學指標推薦值見表1。

3? 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡法

該方法基本原理是假定邊坡體中存在潛在滑面，并對滑面之上的滑體進行有限條分最終形成若干個相互作用的條塊，首先對每個單獨條塊建立靜力平衡方程，接著利用各條塊之間的相互作用關系并聯(lián)立各條塊靜力平衡方程，來創(chuàng)建整個宏觀滑體的靜力平衡方程，最終將滑面上抗剪力與剪切力的比值定義為潛在滑體的穩(wěn)定系數(shù)[4]。由于極限平衡理論體系的不斷豐富，衍生出很多更為簡便的方法，例如Morgenstern-price法、Ordinary法、Bishop法、Janbu法等[5～6]。本次運用Morgenstern-price法來計算東幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，該方法采納了全部邊界條件及平衡條件來彌補計算方法的缺陷，因此計算結果更具真實性[7-9]。

3.2 安全儲備系數(shù)

本次安全儲備系數(shù)主要按照《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》（GB50197-2015）之有關規(guī)定（見表2），并在現(xiàn)有的邊坡資料基礎上，結合礦區(qū)邊坡工程地質及水文地質條件來最終確定。由于東幫地表緊鄰國防公路，考慮到國防公路的安全問題，最終確定東幫邊坡的安全儲備系Fs數(shù)為1.2，治理后東幫采掘場成為最終邊坡安全儲備系數(shù)為1.3。

4? 開采方案穩(wěn)定性分析

4.1 剖面選取

通過邊坡穩(wěn)定性影響因素分析以及工程地質勘查完成（剖面位置主要選擇在工程地質鉆孔附近）的情況，選取東幫深部靠幫開采范圍內的典型剖面，對其進行工程地質模型的構建并分析邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算工程地質模型剖面平面布置見圖1所示。

4.2 開采方案確定

北山露天煤礦編制以+600m水平運輸平盤為頂部界局部邊坡角55°、60°、65°、70°四種方案反至煤層底板形成一個高陡臺階，隨后內排工作幫以距離采煤工作幫50m的空間關系向東推進。在開采過程中下部會出現(xiàn)高陡邊坡的情況，為保證安全生產、經濟效益最大化，對各方案進行對比分析，尋求最合理的開采角度，工程地質模型見圖2。

本次東幫端幫開采方案對東幫邊坡穩(wěn)定性的影響非常大，因此分別對東幫端幫現(xiàn)狀邊坡和4種開采方案進行邊坡穩(wěn)定性分析。建立工程地質模型并進行穩(wěn)定性計算?，F(xiàn)狀整體邊坡穩(wěn)定性計算結果見圖3。

經穩(wěn)定性計算得出未開采前整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.214，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但+660m～+630m水平處局部邊坡處穩(wěn)定性較低，在下部端幫開采過程中要注意此處是否會發(fā)生片幫。為了實現(xiàn)經濟效益最大化和邊坡安全穩(wěn)定生產，分別對設計下部煤層開采角度為55°、60°、65°、75°，四種開采方案進行邊坡穩(wěn)定性和單位長度采煤量進行計算，結果如表3所示。

從表3可看出局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著邊坡角增大而減小，采煤量隨設計邊坡角增大而增大。開采方案1和2局部邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對于工作幫臨時邊坡來看，滿足生產需求，且還可再進一步加大邊坡角;開采方案4，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.825，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.943，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。開采方案3，局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.891小于1.0，屬于不穩(wěn)定邊坡，由于深部邊坡變陡導致整體邊坡角度變大，東幫整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.012接近于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)端幫開采方案，這一時刻的邊坡狀態(tài)存在時間較短。在充分利用邊坡的時效性的同時，只需快速對暴露的邊坡進行內排回填壓腳。綜合采煤量和邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，開采方案3設計邊坡角為65°最合理，開采方案3穩(wěn)定性計算結果如圖4所示。

4.3 回填壓腳方案穩(wěn)定性分析

根據(jù)礦區(qū)實際情況標高+600位置與需原平盤接壤，因此根據(jù)開采方案3設計從標高+600開采位置以平盤寬度20m，回填壓腳部分單臺階邊坡角分別為33°、34°、35°、36°、37°，向下部煤層底板反2個臺階，在標高+600平盤上增高1個臺階。建立工程地質模型并對5種不同角度回填壓腳方案進行穩(wěn)定性計算。以36°回填壓腳方案如圖5所示。

從表4可看出，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)在平盤寬度不變的情況下隨著單臺階角度增大而減小，回填壓腳量隨單臺階角度增大而減小。回填壓腳方案1～4，局部邊坡和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，滿足安全儲備需求;回填壓腳方案5整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，不滿足安全儲備需求。綜合分析，回填壓腳方案4，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.356，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.301，回填壓腳方案4，不僅滿足邊坡安全穩(wěn)定性要求還能最大程度減少工程量。回填壓腳方案4計算結果如圖6所示。

5? 結論

①通過對以往巖土物理力學性質試驗數(shù)據(jù)、資料的歸納、分析、整理，對各項參數(shù)指標進行可靠性分析，結合類比分析結果，獲得適用于本次研究的巖土物理力學性質指標。

②以65°單臺階邊坡角開采東幫余煤，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)雖小，但整體邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，充分利用邊坡時效性，進行內排回填壓腳可獲得最大經濟效益。

③以單臺階邊坡角為36°進行邊坡回填壓腳，可滿足邊坡穩(wěn)定性的安全儲備需求，還可減少回填工作量。

參考文獻：

[1]高衛(wèi)亮.常用邊坡穩(wěn)定性分析方法研究及發(fā)展趨勢[J].新型建材與施工技術，2017（5）：189.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50197—2015，煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2015：34.

[3]吳楊，梁冰，夏冬，賈淯斐，郝碩.白礪灘露天礦二采區(qū)燒變巖邊坡穩(wěn)定性研究[J].煤礦安全，2019，50（02）：237-240.

[4]湛來.一種廣義Morgenstern-Price法及其應用[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2017：15-18.

[5]董立巍，朱仰勇.圣雄黑山煤礦高陡邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，35（02）：209-211.

[6]宮春剛，宮春雷，宮春芳.安太堡露天礦邊坡穩(wěn)定性研究[J].露天采礦技術，2018，33（06）：60-64.

[7]高煥然，呂淑然，王婉青，張博倩.某露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2018，34（04）：193-195.

[8]馬文成.內排壓腳技術在邊坡治理中的應用[J].露天采礦技術，2019，34（2）：45-48.

[9]王孝亮，張托，韓猛.壓腳回填技術在邊坡變形治理中的應用[J].露天采礦技術，2017，32（04）：4-6.