CN105178964A - 一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法，属于露天开采领域。该方法首先获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角。其次对复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内若干个弱层自上而下编号，并以各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段。再次确定边坡的安全储备系数K。最后自上而下逐阶段确定边坡的平盘宽度，使各阶段的边坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于0.01并满足验算条件，此时对应的各阶段的平盘宽度作为边坡形态设计结果。该方法设计的边坡形态可有效防止滑坡，并可确保最大限度回收资源，实现经济效益最大化。

Description

一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法
技术领域
本发明属露天开采领域，特别涉及一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法。
背景技术
对于露天矿高大采场，设计合理的边坡形态是关系到露天矿山安全生产和经济效益的重要因素之一。在以往的工程实践中，广泛采用二维极限平衡法对露天采场边坡形态进行设计，边坡的断面形态多为直线型，少量表土厚度较大的边坡断面形态为双折线形。该种方法通常只考虑整体边坡的稳定性，使其满足一定的安全储备系数。
顺倾层状边坡是指地层倾向边坡面的层状结构边坡，易沿顺倾层面发生滑坡，是边坡工程领域研究的重要类型之一。对于含多个顺倾弱层的复合煤层露天矿，非工作帮顺倾层状边坡的变形破坏模式受到各煤层顶、底板弱层的控制，潜在滑坡模式主要受控于出露于边坡面的各个弱层，并且各个弱层的形态及其与上一弱层间的岩性条件往往存在一定的差异。以往的边坡工程设计方法不考虑不同埋深地层的岩性条件和各弱层在发育形态上的差异，无法实现对复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态的优化设计，往往造成未降深至坑底时就沿浅部弱层发生滑坡，给露天矿安全生产造成了较大威胁，有时也会造成局部边坡设计偏于保守，影响露天矿经济效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法，具体步骤如下：
步骤1、获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角；
步骤2、设复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有若干个弱层，自上而下编号，以各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段；
步骤3、确定边坡的安全储备系数K；
步骤4、自上而下逐阶段进行边坡形态设计：逐阶段确定平盘宽度，使各阶段的边坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于0.01并满足验算条件，此时对应的各阶段的平盘宽度作为边坡形态设计结果，所述验算条件是当前弱层以上边坡的整体稳定系数满足安全储备系数要求；
步骤4.1、初步确定阶段i的平盘宽度；
步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法计算得出当前阶段的边坡稳定系数Fs，若边坡稳定系数Fs小于安全储备系数K，则逐步增大平盘宽度；若边坡稳定系数Fs大于安全储备系数K，则逐步减小平盘宽度，直至|Fs-K|≤0.01，此时对应的平盘宽度为设计的阶段i的平盘宽度；
步骤4.3、验算弱层i以上边坡的整体稳定系数是否满足安全储备系数要求，所述安全储备系数要求即当前阶段边坡稳定系数大于等于安全储备系数与0.01之差，若满足要求，则返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度，否则逐步增大阶段i与阶段i-1之间第一个台阶的平盘宽度，使其满足安全储备系数要求，再返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度。
有益效果：
本发明考虑到不同弱层赋存位置、发育形态对复合煤层露天矿顺倾层状边坡滑坡模式的影响，并结合露天采场自上而下逐水平形成的特点，提出一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法，该方法设计的边坡形态可有效防止滑坡，并可确保最大限度回收资源，实现经济效益最大化。
附图说明
图1为一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡示意图；
图2为本发明具体实施方式的一种煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法的一种实施例的优化结果，其中1是1-1煤，2是1-2煤，3是2-1中下煤，4是2-2煤，5是3-1煤，6是3-2煤，7是3-3煤，8为设计后边坡形态；
图3为本发明具体实施方式的一种煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法的的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。某露天矿一顺倾层状边坡，其地层自下而上由白垩系、第三系、第四系地层组成。其中，白垩系地层以泥岩、泥质砂岩为主，为层状结构；第三系地层以红粘土为主，半固结状态；第四系以细砂、中砂为主，结构松散。边坡内软弱夹层较为发育，在第三系底板存在粘土弱层，在2中下煤顶板、3-1煤顶板、3-3煤顶板均存在泥岩弱层，弱层大都顺倾，软弱夹层的存在会大大削弱岩体的力学性质及其稳定性。各地层岩体的物理力学指标见表1。
表1岩体物理力学指标
具体实施步骤如下，如图3所示：
步骤1、获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角。
步骤2、设复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有若干个弱层，自上而下编号，以各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段，如图1所示，其中J1为阶段1，R1为弱层1，J2为阶段2，R2为弱层2，Ji为阶段i，Ri为弱层i，Jn-1为阶段n-1，Rn-1为弱层n-1，Jn为阶段n，Rn为弱层n，a为边坡稳定系数小于安全储备系数时的平盘宽度，b为边坡稳定系数等于安全储备系数时的平盘宽度，c为边坡稳定系数大于安全储备系数时的平盘宽度。
该实施例中，复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有4个弱层，自上而下编号为R1，R2，R3，R4，以弱层为界限，将边坡自上而下分为J1，J2，J3，J4，弱层1上部边坡为阶段1，弱层1和弱层2之间的边坡为阶段2，弱层2和弱层3之间的边坡为阶段3，弱层3和弱层4之间的边坡为阶段4，如图2所示，J1为阶段1，J2为阶段2，J3为阶段3，J4为阶段4，R1为弱层1，R2为弱层2，R3为弱层3，R4为弱层4。
步骤3、确定边坡的安全储备系数K。
该边坡为非工作帮，服务年限小于10年，地面无重要设施。根据《煤炭工业露天矿设计规范》，确定其安全储备系数K＝1.20。
步骤4、自上而下逐阶段进行边坡形态设计：逐阶段确定平盘宽度，使各阶段的边坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于0.01并满足验算条件，此时对应的各阶段的平盘宽度作为边坡形态设计结果，所述验算条件是当前弱层以上边坡的整体稳定系数满足安全储备系数要求。
设计露天矿边坡形态时，台阶高度及坡面角往往是已知的，边坡形态仅与各台阶的平盘宽度相关，因此从边坡的稳定性出发，逐阶段确定各个台阶的平盘宽度即可实现对整体边坡形态的设计。
令任一阶段边坡平盘宽度为B，Fs为边坡的稳定系数，K为边坡安全储备系数，并作如下假设：
式中：a为小于b的任意值，c为大于b的任意值。
步骤4.1、初步确定阶段i的平盘宽度。
阶段1的滑坡模式为以第三系底板粘土弱层为底界面的切层-顺层滑动，边坡角为12°，初步确定台阶平盘宽度50m。
步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法计算得出当前阶段的边坡稳定系数Fs，若边坡稳定系数Fs小于安全储备系数K，则逐步增大平盘宽度；若边坡稳定系数Fs大于安全储备系数K，则逐步减小平盘宽度，直至|Fs-K|≤0.01，此时对应的平盘宽度为设计的阶段i的平盘宽度。
复合煤层露天矿顺倾层状边坡的潜在滑坡模式为以圆弧为侧界面、以坡体出露弱层为底界面的切层-顺层滑动，因此本发明提出的边坡形态设计方法中边坡稳定系数的计算基于适合圆弧滑面滑坡计算的Bishop法和适合任意曲面滑坡计算的剩余推力法。
根据Bishop法和剩余推力法计算得出的阶段1的稳定系数Fs＝1.208，满足|Fs-K|≤0.01。
步骤4.3、验算弱层i以上边坡的整体稳定系数是否满足安全储备系数要求，安全储备系数要求即当前阶段边坡稳定系数大于等于安全储备系数与0.01之差Fs≥K-0.01，若满足安全储备系数要求，则返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度，否则逐步增大阶段i与阶段i-1之间第一个台阶的平盘宽度，使其满足安全储备系数要求，再返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度。
弱层1以上的阶段只有阶段1，整体稳定系数即阶段1的稳定系数Fs＝1.208，满足安全储备系数要求。
阶段2边坡形态设计过程：
阶段2滑坡模式为以2中下煤顶板泥岩弱层为底界面的切层-顺层滑动，边坡角为16°，初步确定台阶平盘宽度41m时，根据Bishop法和剩余推力法计算得出的阶段2稳定系数Fs＝1.207，满足|Fs-K|≤0.01。验算弱层2以上的整体稳定系数是否满足安全储备系数的要求，本实施例中弱层2以上边坡的整体开挖角度为14°，根据Bishop法和剩余推力法计算得出的整体的稳定系数Fs＝1.33，满足安全储备系数要求。
阶段3边坡形态设计过程：
阶段3的滑坡模式为以3-1煤顶板泥岩弱层为底界面的切层-顺层滑动，当边坡角为18°、初步确定台阶平盘宽度35m，根据Bishop法和剩余推力法计算得出的阶段3稳定系数Fs＝1.196，满足|Fs-K|≤0.01。验算弱层3以上边坡的整体稳定系数是否满足安全储备系数的要求，本实施例中弱层3以上边坡的整体开挖角度为13°、根据Bishop法和剩余推力法计算得出的整体稳定系数Fs＝1.177，不满足安全储备系数要求。为保证局部与整体稳定性同时满足要求，逐步增大将阶段2与阶段3之间第一个台阶的平盘宽度，平盘宽度增加后，边坡陡度降低，稳定性增强，当阶段2与阶段3之间第一个台阶的平盘宽度D＝138m时，阶段3边坡的稳定系数Fs＝1.201，满足|Fs-K|≤0.01，整体稳定系数Fs＝1.208，满足安全储备系数要求。
阶段4边坡形态设计过程：
阶段4的滑坡模式为以3-3煤顶板泥岩弱层为底界面的切层-顺层滑动，边坡角为32°、初步确定台阶平盘宽度17m，根据Bishop法和剩余推力法计算得出的阶段4稳定系数Fs＝1.203，满足|Fs-K|≤0.01。验算弱层4以上边坡的整体稳定性是否满足安全储备系数的要求，本实施例中弱层4以上边坡的整体开挖角度为15°，根据Bishop法和剩余推力法计算得出的整体稳定系数Fs＝1.228，满足安全储备系数要求。
基于本实施例的露天矿，采用本发明设计的边坡形态如表2所示，稳定系数满足安全储备系数的要求。
表2边坡形态与参数优化成果表
本实施方式设计的边坡形态如图2所示，其中1是1-1煤，2是1-2煤，3是2-1中下煤，4是2-2煤，5是3-1煤，6是3-2煤，7是3-3煤，8为设计后边坡形态。

Claims (2)

1.一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角；
步骤2、设复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有若干个弱层，自上而下编号，以各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段；
步骤3、确定边坡的安全储备系数K；
步骤4、自上而下逐阶段进行边坡形态设计：逐阶段确定平盘宽度，使各阶段的边坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于0.01并满足验算条件，此时对应的各阶段的平盘宽度作为边坡形态设计结果，所述验算条件是：当前弱层以上边坡的整体稳定系数满足安全储备系数要求。
2.根据权利要求1所述一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法，其特征在于：所述步骤4具体步骤如下：
步骤4.1、初步确定阶段i的平盘宽度；
步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法计算得出当前阶段的边坡稳定系数Fs，若边坡稳定系数Fs小于安全储备系数K，则逐步增大平盘宽度；若边坡稳定系数Fs大于安全储备系数K，则逐步减小平盘宽度，直至|Fs-K|≤0.01，此时对应的平盘宽度为设计的阶段i的平盘宽度；
步骤4.3、验算弱层i以上边坡的整体稳定系数是否满足安全储备系数要求，所述安全储备系数要求即当前阶段边坡稳定系数大于等于安全储备系数与0.01之差，若满足安全储备系数要求，则返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度，否则逐步增大阶段i与阶段i-1之间第一个台阶的平盘宽度，使其满足安全储备系数要求，再返回步骤4.1，确定阶段i+1的平盘宽度。
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