CN109376465B - 一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法 - Google Patents

一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法 Download PDF

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Abstract

一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，属于露天开采领域。该方法定性分析露天煤矿端帮边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式。分析端帮边坡的重要程度、服务时间、边坡岩土体物理力学指标，确定压帮前后的陡边坡安全储备系数。选取典型的工程地质剖面，在端帮边坡角度现状基础上进行加陡，分析边坡稳定性与边坡角度的定量关系，确定陡边坡最佳开采角度；根据确定角度，调整边坡下部运输平盘的宽度提出不同的陡边坡开采形态，兼顾经济性与安全性，得到陡边坡的最优开采形态；计算陡边坡在不同压帮高度下的稳定性，得到边坡稳定性与压帮高度之间的定量关系，进而确定出压帮高度。用该方法优化，能够充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益。

Description

一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法
技术领域
本发明属于露天开采领域，特别涉及一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法。
背景技术
我国现有的大部分露天煤矿煤层的赋存条件均为近水平、分区开采、采场工作帮推进速度快，能较早的实现压帮内排。露天煤矿的开采过程中为了将地壳中的煤炭挖掘出来，需要提前对煤炭上方覆盖的岩石进行剥离，再将废弃物料运输到外排土场或直接在内排土场进行排弃的一个土地动态演化过程。露天煤矿的采场和排土场在土地动态演化的过程中形成了高陡边坡，由于大型近水平露天煤矿端帮高陡，当边坡角度较小时就会导致大量煤炭被压覆得不到开采。露天煤矿进行边坡形态的设计通常采用静态极限平衡理论进行稳定性计算，将受到采场工作帮与内排土场双重支挡的复杂三维边坡简化为二维边坡问题进行处理，不能全面准确地反映出边坡的三维特性及准确的稳定性状态。另外，在对边坡角度进行设计时，大多未考虑采区在开挖与内排过程中，其端帮边坡周期性形成、消失的时间效应，将具备时效性的边坡视为永久服务同样会导致设计的整体边坡角度过于保守。再者，端帮边坡布置的保安平盘和运输平盘的数量过多，且平盘宽度通常超出设计要求，将直接导致边坡角度偏小，造成大量煤炭资源浪费。因此，提高端帮整体边坡角度，对其边坡形态进行合理优化，实施陡边坡开采技术，将成为我国露天煤矿充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益的主要方式。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法。本方法针对已实现内排土跟进的露天煤矿端帮边坡，具体为露天煤矿开采过程中，端帮陡边坡的形态优化方法，该方法充分考虑了露天煤矿端帮边坡的三维特性，准确反应出露天煤矿端帮边坡的稳定性状态，并且本发明的优化方法，将端帮边坡的时效性考虑在内，能够充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益。
本发明的一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，包括以下步骤：
步骤1：定性分析露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素和潜在的滑坡模式；
步骤2：确定露天煤矿端帮陡边坡压帮前后的安全储备系数
根据具体露天煤矿端帮边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害，确定露天煤矿端帮陡边坡压帮前的安全储备系数K1和露天煤矿端帮陡边坡压帮后的安全储备系数K2；
步骤3：确定端帮陡边坡的最佳开采角度
以露天煤矿端帮边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，在露天煤矿端帮边坡角度现状的基础上进行加陡，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到不同边坡角度对应的稳定性系数FS1，当满足FS1>K1时，对应的最大角度为端帮陡边坡的最佳开采角度；
步骤4：确定露天煤矿端帮陡边坡的最优开采形态
根据确定的端帮陡边坡的最佳开采角度，调整端帮边坡的下部运输平盘的宽度，形成不同的端帮陡边坡形态方案，采用极限平衡法对端帮陡边坡稳定性进行分析，得到不同的端帮陡边坡形态方案的稳定性系数FS2，当满足FS2>K1，且增加端帮边坡下部压覆煤炭资源采出量最多的形态，为端帮陡边坡的最优开采形态；
步骤5：确定端帮陡边坡的合理压帮高度
根据确定的端帮陡边坡的最优开采形态，对端帮边坡采取内排压帮的措施，增加其稳定性，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到不同压帮高度对应的稳定性系数FS3，当满足FS3>K2时的最小压帮高度为端帮陡边坡的合理压帮高度。
所述的步骤1中，定性分析为分析露天煤矿的边坡工程地质条件和稳定性。
所述的步骤1中，所述的露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素有岩石的矿物组成、岩体中的地质结构面、水、震动、构造应力、采矿工程活动、风化、形态以及暴露时间中的一种或几种。
所述的步骤1中，所述的潜在的滑坡模式为圆弧滑动、平面滑动、楔体滑动以及组合滑动。
所述的步骤2中，各构成部分物理力学指标的掌握程度为对各构成部分的岩土体进行力学实验，得到端帮边坡岩土体的物理力学指标。
所述的端帮边坡岩土体的物理力学指标具体为容重、抗剪强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比。
所述的步骤3中，典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿端帮边坡状态的工程地质剖面。
本发明的一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，对以上得到的压帮前后的端帮陡边坡稳定性进行数值模拟检验，进一步验证端帮陡边坡形态与压帮高度计算结果的准确性与可行性。
本发明的一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其有益效果在于：
1、本发明能够准确反映出露天煤矿端帮边坡形态优化过程中以及内排压帮过程中的稳定性状态。
2、本发明充分考虑了露天煤矿端帮边坡受到采场与内排土场双重支档的三维特性。
3、本发明充分证明将时效性考虑在内，实现了整体边坡角度设计后的利益最大化，能够充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益
附图说明
图1是本发明实施例的一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法工艺流程图。
图2是本发明实施例的一种露天矿端帮组成要素示意图；
图3是本发明实施例的极限平衡法计算结果示意图；
图4是本发明一种实施例的压帮前端帮陡边坡稳定性模拟云图；
图5是本发明一种实施例的压帮后端帮陡边坡稳定性模拟云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例
某露天煤矿煤层赋存状态为近水平，首采区由西向东推进，南北两侧边坡为端帮，选取的南端帮典型工程地质剖面S的边坡角度现状为25°，经计算整体边坡稳定系数超过1.3，可实施端帮压帮的陡边坡技术以实现多采煤少剥离的经济效果。
图2为该露天矿端帮组成要素示意图。
实例露天煤矿的主采煤层为4、9、11煤，且均赋存于1330水平以下，使用本发明对该露天煤矿端帮实施陡边坡技术，即一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其工艺流程图见图1，具体步骤如下：
步骤1、定性分析露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素及潜在滑坡模式。
根据该露天煤矿的开采状况、矿区的地质情况及边坡工程地质条件，确定边坡形态与暴露时间是影响其稳定性的外在因素，岩石力学性质为影响边坡稳定性的内在因素，该端帮边坡的潜在滑坡模式为圆弧滑动。
步骤2、确定露天煤矿端帮陡边坡压帮前后的安全储备系数K1和K2。
根据露天煤矿端帮陡边坡技术在压帮前的目的，是兼顾安全性的前提下充分开采煤炭资源，所以结合《煤炭工业露天矿设计规范GB 50197-2015》规范的要求，选取露天煤矿端帮陡边坡压帮前的安全储备系数K1为1.1。由于端帮陡边坡技术的实行，在端帮加陡挖掘出大量煤炭之后需要迅速采取内排压帮的采矿工程措施，充分保证陡边坡的稳定性。考虑到压帮高度对边坡稳定性影响较大、工程实际排弃物可以充分跟进、端帮承担运输的重要功能等，所以为了充分保证边坡的安全性，选取露天煤矿端帮陡边坡压帮后的安全储备系数K2为1.3。
步骤3、确定端帮陡边坡的最佳开采角度。
以露天煤矿端帮边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，露天煤矿南端帮现状的边坡角度为25°，以1°为步长，分别计算S剖面边坡角度为25°、26°、27°、28°、29°时的稳定系数FS1，由极限平衡法计算得到各角度对应的陡边坡稳定性系数分别为1.305、1.241、1.192、1.127、1.072。满足FS1>K1时的最大角度为28°，因此确定该端帮陡边坡的最佳开采角度为28°。其中，图3为该端帮S剖面当边坡角度为28°时边坡稳定性计算结果示意图。
步骤4、确定露天煤矿端帮陡边坡的最优开采形态。
在确定的南端帮陡边坡的最佳开采角度为28°的前提下，通过调整运输平盘的宽度对边坡形态进行优化，由于该露天煤矿的4、9、11煤的煤层平均较厚，均赋存于1330平盘以下，因此上部平盘不动仅调整端帮边坡下部的1330、1300、1270三个运输平盘的宽度能最大限度的实现多采煤少剥离。对下部运输平盘宽度调整的前提是不影响原有平盘的运输，保证运输平盘宽度不小于35m。确定南端帮陡边坡的最佳开采角度为28°时，边坡上部境界不动，下部境界需要外扩27m，此时，1270运输平盘宽度现状为43m，允许调整距离最大值为8m，1300运输平盘宽度现状为43m，允许调整距离最大值为8m，1330运输平盘宽度为57m，允许调整距离最大值为22m。对三个运输平盘宽度进行不同程度外扩调整形成最终的端帮陡边坡的最优开采形态，具体南端帮陡边坡的开采形态方案构成及设计参数见表1，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，各方案对应的边坡稳定性的稳定性系数FS2的计算结果以及增加的煤炭采出量见表2。
表1南端帮陡边坡开采形态方案构成及设计参数
Figure BDA0001868851760000041
表2各方案对应的边坡稳定性的稳定性系数FS2的计算结果以及增加的煤炭采出量
Figure BDA0001868851760000042
Figure BDA0001868851760000051
由表2可知方案四增加的采煤总量最多为443978t，且满足稳定性系数FS2>安全储备系数K1＝1.1的要求。确定方案四即上部边坡不动，下部边坡的1270平盘外扩至43m、1300平盘外扩至38m、1330平盘外扩至35m，整体边坡角度28°为南端帮陡边坡的最优开采形态。
步骤5、确定端帮陡边坡合理压帮高度。
针对以上南端帮陡边坡的最优开采形态，对边坡采取内排压帮的措施，以该矿端帮台阶高度15m为步长，分别计算S剖面由一个台阶高度分别压帮至四个台阶高度时的边坡稳定性系数FS3为1.159、1.207、1.276、1.369。满足FS3>K2时的最小压帮高度为四个台阶高度，因此确定该端帮陡边坡的合理压帮高度为四个台阶高度。
步骤6、对压帮前后的端帮陡边坡稳定性进行数值模拟。结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件，分别对形态优化后的端帮边坡及其压帮四个台阶高度后进行模拟检验，进一步验证端帮陡边坡形态与压帮高度计算结果的准确性与可行性。其中，压帮前端帮陡边坡稳定性的模拟云图见图4，压帮后端帮陡边坡稳定性的模拟云图见图5，图中，箭头指向为边坡相应位置的岩体位移方向。通过模拟结果可以看出，压帮措施使边坡由整体的圆弧滑动转变为边坡上部的圆弧滑动，提高了端帮边坡的整体稳定性。

Claims (8)

1.一种露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：定性分析露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素和潜在的滑坡模式；
步骤2：确定露天煤矿端帮陡边坡压帮前后的安全储备系数
根据具体露天煤矿端帮边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害，确定露天煤矿端帮陡边坡压帮前的安全储备系数K1和露天煤矿端帮陡边坡压帮后的安全储备系数K2；
步骤3：确定端帮陡边坡的最佳开采角度
以露天煤矿端帮边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，在露天煤矿端帮边坡角度现状的基础上进行加陡，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到不同边坡角度对应的稳定性系数FS1，当满足FS1>K1时，对应的最大角度为端帮陡边坡的最佳开采角度；
步骤4：确定露天煤矿端帮陡边坡的最优开采形态
根据确定的端帮陡边坡的最佳开采角度，调整端帮边坡的下部运输平盘的宽度，形成不同的端帮陡边坡形态方案，采用极限平衡法对端帮陡边坡稳定性进行分析，得到不同的端帮陡边坡形态方案的稳定性系数FS2，当满足FS2>K1，且增加端帮边坡下部压覆煤炭资源采出量最多的形态，为端帮陡边坡的最优开采形态；
步骤5：确定端帮陡边坡的合理压帮高度
根据确定的端帮陡边坡的最优开采形态，对端帮边坡采取内排压帮的措施，增加其稳定性，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到不同压帮高度对应的稳定性系数FS3，当满足FS3>K2时的最小压帮高度为端帮陡边坡的合理压帮高度。
2.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，确定端帮陡边坡的合理压帮高度后，采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，对得到的压帮前后的端帮陡边坡稳定性进行数值模拟检验，进一步验证端帮陡边坡形态与压帮高度计算结果的准确性与可行性。
3.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，定性分析为分析露天煤矿的边坡工程地质条件和稳定性。
4.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素有岩石的矿物组成、岩体中的地质结构面、水、震动、构造应力、采矿工程活动、风化、形态以及暴露时间中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的潜在的滑坡模式为圆弧滑动、平面滑动、楔体滑动以及组合滑动。
6.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的步骤2中，各构成部分物理力学指标的掌握程度为对各构成部分的岩土体进行力学实验，得到端帮边坡岩土体的物理力学指标。
7.如权利要求6所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的端帮边坡岩土体的物理力学指标具体为容重、抗剪强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比。
8.如权利要求1所述的露天煤矿端帮陡边坡的形态优化方法，其特征在于，所述的步骤3中，典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿端帮边坡状态的工程地质剖面。
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