CN110096787A - 一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，属于露天开采领域。该方法为建立露天煤矿地质模型和采场的剥采模型，确定内排土场边坡岩土体物理力学指标，再确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数，以露天煤矿内排土场边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，在原设计内排土场边坡角度现状的基础上调整平盘宽度，以1°的步长进行加陡，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到逐年的内排土场工程位置，不同排土参数对应的稳定性系数FS，当满足FS>K时，最大的排土角度及对应的平盘宽度为最优的内排土场排土参数，并通过结合强度折减理论算法进行进一步验证。该方法在满足安全与实际生产的同时，充分释放内排空间，提前实现完全内排。
Description
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内排土场排土参数的优化方法。
背景技术
露天煤矿在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并且运至排土场进行排弃，因此，露天开采实际上是一个采场从有到无和排土场从无到有的土地动态演化过程。露天矿的剥离工程量，一般要比采出的有用矿物量多数倍，大型露天矿的年剥离量高达数千万立方米，这些剥离物需根据矿山规划排弃至指定的排土场。不论哪一类露天矿，其剥离物去向都会由开采初期的全部外排逐渐过渡为全部内排。露天煤矿在生产过程中为减少土地占用和缩短剥离运距会将剥离物直接排弃到露天采场的采空区内，形成内排土场。剥离物内排较外排可以缩短剥离运距、降低剥离物提升高度，进而降低矿山生产成本，增加企业经济效益。对于近水平煤层露天煤矿，尽早实现内排、尽可能地增大内排量，是露天矿减少外排量，提高经济效益和生态环境效益的重要途径。随着露天矿降深不断增大，内排土场会形成高大边坡，这样对内排土场边坡稳定性的要求日渐凸显。同时，随着工作帮的不断推进，在实现完全内排前对内排土场的排弃空间的要求也逐渐增大。因此，如何在保障安全、技术可行且满足实际生产需求的前提下合理的优化内排土场的排土参数释放出更大的排土空间，已成为露天煤矿领域一项亟需解决的问题。因此迫切需要提出一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，保障露天矿健康稳定发展的同时又能创造更大的经济效益。
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内排土场排土参数的优化方法。该方法为建立露天矿的剥采模型，确定逐年的内排工程位置；确定内排土场边坡岩土体物理力学指标；确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数；对露天煤矿内排土场的排土参数进行优化，并通过结合强度折减理论算法进行进一步验证。该方法在满足安全与实际生产的同时，充分释放内排空间，提前实现完全内排。
本发明的一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，具体步骤如下：
步骤1：建立露天矿的剥采模型，确定逐年的内排工程位置
建立露天煤矿地质模型和采场的剥采模型，依据生产能力和追踪距离，确定达产后逐年的内排土场工程位置；
步骤2：对露天矿内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到内排土场边坡岩土体物理力学指标；
步骤3：确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数
根据具体露天煤矿内排土场边坡的存在时间、边坡类型、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害，确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数K；
步骤4：对露天煤矿内排土场的排土参数进行优化
以露天煤矿内排土场边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，在原设计内排土场边坡角度现状的基础上调整平盘宽度，以1°的步长进行加陡，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到逐年的内排土场工程位置，不同排土参数对应的稳定性系数FS，当满足FS>K时，最大的排土角度及对应的平盘宽度为最优的内排土场排土参数。
所述的步骤1中，建立露天煤矿地质模型和采场的剥采模型采用3Dmine软件。
所述的步骤1中，所述的追踪距离指采场工作帮坡底与内排土场坡底之间的安全距离，具体为50m～100m。
所述的步骤2中，内排土场边坡岩土体物理力学指标具体为容重、抗剪强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角和泊松比。
所述的步骤3中，所述的安全储备系数K根据《煤炭工业露天矿设计规范》(GB50197―2015)中对非工作帮边坡安全系数的规定，结合具体露天煤矿内排土场边坡的情况确定。
所述的步骤4中，所述的典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿内排土场边坡状态的工程地质剖面。
所述的步骤4中，所述的稳定性系数Fs，根据极限平衡法计算得到。
本发明的一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，在确定最优的内排土场排土参数后，结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上排土参数优化后的内排土场边坡进行模拟检验，进一步验证其可行性。
本发明的一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其有益效果在于：
本发明的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，可以实现内排土场边坡形态及内排空间的的动态优化优化，有处于充分释放内排空间，提前实现完全内排，减少矿山在基建过程中的外排量，减少外排土场占地面积，继而提高矿山的实际经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例采用3Dmine软件得到的达产后各年末时内排土场的工程位置图。
图2是本发明实施例的选取典型的工程地质剖面Ⅰ—Ⅰ'的位置图。
图3是本发明实施例的优化参数后的内排土场边坡FLAC3D模拟结果云图。
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，含有3个煤组共计11层煤，剥采工程采用水平划分台阶，露天矿南帮煤层露头处拉沟，沿走向布置工作线，沿煤层倾向推进。原设计该露天矿达产后内排土场的排土参数为：台阶高度为20m，台阶坡面角为33°，排土工作平盘宽度为75m，此时边坡角为11°，由于采矿工程需要本方法优化时不改变台阶高度和坡面角，只对边坡角度和平盘宽度进行优化。具体步骤如下：
步骤1、建立露天矿的剥采模型，确定逐年的内排工程位置。
使用3Dmine软件建立该矿的地质模型和开采模型，均衡剥采比之后，保证达产期间内的采煤量与剥离量一定，通过调整开采参数和台阶工作线位置实现对工程位置状态的调整，得到达产后各个年末时所对应的采场工程位置。根据采场工作线推进位置，同时保证采场最下煤台阶与内排土场最下排土台阶之间的跟踪距离60m，对应得到达产后各年末时内排土场的工程位置，见图1。
步骤2、对该露天矿内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到内排土场边坡岩土体物理力学指标。
通过对该露天矿内排土场边坡岩土体的力学实验，得到各岩土体的物理力学指标如表1:
表1内排土场边坡岩土体物理力学指标
步骤3、确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数。
结合《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197-2015)的要求，综合考虑该露天煤矿内排土场边坡类型、服务年限和重要程度以及物理力学指标的精度等因素，确定内排土场边坡服务年限相对较短，选取安全储备系数K为1.2。
步骤4、对露天煤矿内排土场的排土参数进行优化
以露天煤矿内排土场边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面Ⅰ—Ⅰ'(剖面位置见图2)，在原设计内排土场边坡角度11°、平盘宽度75m的基础上，调整平盘宽度以1°为步长进行加陡，计算采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到达产20年内逐年工程位置条件下不同排土参数对应的稳定性系数FS，表2为不同平盘宽度和角度对应的内排土场边坡稳定性系数计算结果(以达产11年至15年为例)。当满足FS>K时，最大的排土角度及对应的平盘宽度为最优的内排土场排土参数。
具体过程为：根据计算结果，达产1年末到5年末边坡角为15°、平盘宽度为50m时，达产6年末到9年末边坡角为14°、平盘宽度为56m时，达产10年末到15年末边坡角为13°、平盘宽度为64m时，达产16年末到18年末边坡角为12°、平盘宽度为70m时，达产19年末到20年末边坡角为11°、平盘宽度为75m时，达到安全储备系数1.2的要求。优化后的内排土场排土参数比原设计方案提前一年实现完全内排，减少外排量3995万m3，可减少外排占地面积0.87km2。
表2达产11年末到15年末各位置计算结果
其中，根据内排土场高度一定，通过调整边坡角度，得到对应的平盘宽度。
稳定性系数Fs，根据极限平衡法计算得到。
步骤5、结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上排土参数优化后的内排土场边坡进行模拟检验，进一步验证其可行性。
通过FLAC3D数值模拟技术，运用强度折减理论，以达产15年末优化后的内排参数即边坡角为13°、平盘宽度为64m的边坡为例，其模拟结果云图如图3所示，从图中可以看出，优化后的达产15年末的内排土场边坡滑坡模式为圆弧滑动，同组模拟得到的稳定性系数为1.214，满足安全储备系数的要求。
Claims (8)
1.一种露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：建立露天矿的剥采模型，确定逐年的内排工程位置
建立露天煤矿地质模型和采场的剥采模型，依据生产能力和追踪距离，确定达产后逐年的内排土场工程位置；
步骤2：对露天矿内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到内排土场边坡岩土体物理力学指标；
步骤3：确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数
根据具体露天煤矿内排土场边坡的存在时间、边坡类型、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害，确定露天煤矿内排土场边坡的安全储备系数K；
步骤4：对露天煤矿内排土场的排土参数进行优化
以露天煤矿内排土场边坡为工程背景，选取典型的工程地质剖面，在原设计内排土场边坡角度现状的基础上调整平盘宽度，以1°的步长进行加陡，采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析，得到逐年的内排土场工程位置，不同排土参数对应的稳定性系数FS，当满足FS>K时，最大的排土角度及对应的平盘宽度为最优的内排土场排土参数。
2.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，建立露天煤矿地质模型和采场的剥采模型采用3Dmine软件。
3.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的追踪距离指采场工作帮坡底与内排土场坡底之间的安全距离，具体为50m～100m。
4.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤2中，内排土场边坡岩土体物理力学指标具体为容重、抗剪强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角和泊松比。
5.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的安全储备系数K根据《煤炭工业露天矿设计规范》中对非工作帮边坡安全系数的规定，结合具体露天煤矿内排土场边坡的情况确定。
6.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿内排土场边坡状态的工程地质剖面。
7.如权利要求1所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的稳定性系数Fs，根据极限平衡法计算得到。
8.权利要求1～7所述的露天煤矿内排土场排土参数的优化方法，其特征在于，在确定最优的内排土场排土参数后，结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上排土参数优化后的内排土场边坡进行模拟检验，进一步验证其可行性。
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Application publication date: 20190806 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |