CN112765804B - 一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，属于露天开采技术领域，该方法首先根据边坡的服务年限确定外排土场、采场与内排土场单独或者两者或者三者结合的构成的高大复合边坡的安全储备系数，再根据边坡形态采用bishop法与剩余推力法分别计算获取单独或者两者或者三者结合边坡的稳定性系数，比较其与安全储备系数之间的误差，分别调整外排土场的平盘宽度、采场顶部与外排土场底部之间的距离及内排土场平盘宽度，基于上述值的最优值，调整外排土场应该向前发展的步距。本发明实现了快速、充分占据内外排土场空间，能够缩短剥离运距，降低露天煤矿开采成本，克服了传统设计外排土场发展滞后，运距大的不足。

Description

一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法

技术领域

本发明涉及露天开采技术领域，尤其涉及一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法。

背景技术

快速占据内外排土场是露天煤矿实现安全高效绿色开采的重要途径，然而内排土场、采场、外排土场三者构成的高大复合边坡的稳定性直接威胁着露天煤矿工作人员及设备的安全。以往的边坡形态设计流程均是采场到界后，外排土场与采场之间保持固定的距离，当内排土场向前发展至很远或高度达到地表时，外排土场才向前跟进，导致外排土场发展滞后，运距加大，严重增加了露天煤矿开采成本。显然，在保证边坡稳定性的前提下，快速充分占据内外排土场空间，确定内外排土场并行发展步距已成为露天开采领域亟待解决的难题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据边坡的服务年限，确定内排土场边坡安全储备系数K₁、外排土场边坡安全储备系数K₂，外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃，内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄；

步骤2：根据露天煤矿开采设计及作业参数，获取采场到界边坡形态、内外排土场的台阶高度、平盘宽度及坡面角及外排土场的排弃高度；

步骤3：采用bishop法与剩余推力法分别计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂，与外排土场边坡安全储备系数K₂作比较，调整外排土场平盘宽度，使其达到最优，过程如下：

步骤3.1：根据外排土场的台阶高度、平盘宽度、坡面角及排弃高度，设计外排土场形态；

步骤3.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂；

步骤3.3：判断min{Fs₁、Fs₂}与外排土场边坡安全储备系数K₂的大小，若min{Fs₁、Fs₂}<K₂，则增加外排土场平盘宽度；若min{Fs₁、Fs₂}>K₂，则减小外排土场平盘宽度；

步骤3.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₁、Fs₂}-K₂|<0.005时，停止调整得到外排土场最优平盘宽度。

步骤4：考虑采场、外排土场两者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取采场和外排土场两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄，与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃作比较，调整采场顶部与外排土场底部之间的距离B，使其达到最优，过程如下：

步骤4.1：基于采场、外排土场边坡形态及采场顶部与外排土场底部之间的距离B的初值，应用bishop法与剩余推力法计算获取两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄；

步骤4.2：判断min{Fs₃、Fs₄}与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃的大小，若min{Fs₃、Fs₄}<K₃，则增加B的值，若min{Fs₃、Fs₄}>K₃，则减小B的值；

步骤4.3：调整B的值，当满足|min{Fs₃、Fs₄}-K₃|<0.005时，停止调整得到采场顶部与外排土场底部之间的距离B的最优值。

步骤5：在采场顶部与外排土场底部之间的距离最优的基础上，内排土场向前发展，假设内排土场向前发展的步距为C；

步骤6：采用bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆，与内排土场边坡安全储备系数K₁作比较，调整内排土场平盘宽度，使其达到最优，过程如下：

步骤6.1：内排土场按内排土场向前发展的步距C、台阶高度、平盘宽度及坡面角设计其形态；

步骤6.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆；

步骤6.3：判断min{Fs₅、Fs₆}与内排土场边坡安全储备系数K₁的大小，若min{Fs₅、Fs₆}<K₁，则增加内排土场平盘宽度，若min{Fs₅、Fs₆}>K₁，则减小内排土场平盘宽度；

步骤6.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₅、Fs₆}-K₁|<0.005时，停止调整得到内排土场平盘宽度的最优值。

步骤7：考虑内排土场、采场、外排土场三者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈，与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄作比较，调整外排土场向前发展的步距A，过程如下：

步骤7.1：给外排土场向前发展的步距A设初始值；

步骤7.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈；

步骤7.3：判断min{Fs₇、Fs₈}与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄的大小，若min{Fs₇、Fs₈}<K₄，则减小A值，若min{Fs₇、Fs₈}>K₄，则增大A值；

步骤7.4：调整A值，当满足|min{Fs₇、Fs₈}-K|<0.005时，停止调整，得到内排土场向前发展步距C时外排土场应该向前发展的步距A。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法在保证内排土场、采场、外排土场三者构成的高大复合边坡稳定的前提下，实现了快速、充分占据内外排土场空间，能够缩短剥离运距，降低露天煤矿开采成本，克服了传统设计外排土场发展滞后，运距大的不足，可用于同时从经济、技术、安全、时间等方面优化设计内外排土场并行发展过程中的边坡形态参数。

附图说明

图1为本发明实施例中软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中采场到界边坡形态；

图3为本发明实施例中采场顶部与外排土场底部之间的距离B＝200m、平盘宽度为32m时外排土场边坡稳定性计算结果；

图4为本发明实施例中采场顶部与外排土场底部之间的距离B＝1700m、平盘宽度为32m时外排土场边坡稳定性计算结果；

图5为本发明实施例中内排土场发展步距为150m，外排土场发展步距为46m时边坡稳定性计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例，以某露天煤矿矿区为例，该矿区地层岩性从下至上分别为：煤层、泥岩层、砂岩层及第四系粘土层。第四系全区分布，岩性主要为粘土，泥岩层强度比较软，主采煤层为3煤，平均厚度为30m，3煤赋存软弱夹层，矿物成分以伊利石、蒙脱石为主，具有遇水软化严重的特性。露天煤矿地表标高约为+80水平，开采深度为180m，外排土场设计标高为+160水平，内外排土场平盘宽度为25m，台阶高度为20m，台阶坡面角为33°。采场到界边坡形态如图2所示，岩土体物理力学参数如表1所示。

表1岩土体物理力学指标

如图1所示，本实施例中软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据边坡的服务年限，确定内排土场边坡安全储备系数K₁、外排土场边坡安全储备系数K₂，外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃，内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄；

本实施例中，根据《GB 50197-2005煤炭工业露天矿设计规范》的要求，内排土场边坡服务年限小于10年，内排土场边坡安全储备系数K₁＝1.2；外排土场边坡服务年限大于10年，外排土场边坡安全储备系数K₂＝1.3；外排土场与采场两者构成的边坡服务年限大于10年，外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃＝1.3；内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡服务年限大于10年，内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄＝1.3。

步骤2：根据露天煤矿开采设计及作业参数，获取采场到界边坡形态、内外排土场的台阶高度、平盘宽度及坡面角及外排土场的排弃高度；

本实施例中，获取采场到界边坡形态如图2所示，内外排土场最小平盘宽度为25m，台阶高度为20m，台阶坡面角为33°，外排土场设计标高为+160水平。

步骤3：采用bishop法与剩余推力法分别计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂，与外排土场边坡安全储备系数K₂作比较，调整外排土场平盘宽度，使其达到最优，过程如下：

步骤3.1：根据外排土场的台阶高度、平盘宽度、坡面角及排弃高度，设计外排土场形态；

步骤3.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂；

步骤3.3：判断min{Fs₁、Fs₂}与外排土场边坡安全储备系数K₂的大小，若min{Fs₁、Fs₂}<K₂，则增加外排土场平盘宽度；若min{Fs₁、Fs₂}>K₂，则减小外排土场平盘宽度；

步骤3.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₁、Fs₂}-K₂|<0.005时，停止调整得到外排土场最优平盘宽度。

本实施例中，当平盘宽度为25m时，Fs₁＝1.195、Fs₂＝1.224，min{1.195、1.224}<1.3；当平盘宽度调整为30m时，Fs₁＝1.273、Fs₂＝1.285，min{1.195、1.224}<1.3；当平盘宽度调整为32m时，Fs₁＝1.297、Fs₂＝1.323，|min{1.297、1.323}-1.3|<0.005，则外排土场平盘宽度最优值为32m，计算结果如图3所示。

步骤4：考虑采场、外排土场两者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取采场和外排土场两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄，与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃作比较，调整采场顶部与外排土场底部之间的距离B，使其达到最优，过程如下：

步骤4.1：基于采场、外排土场边坡形态及采场顶部与外排土场底部之间的距离B的初值，应用bishop法与剩余推力法计算获取两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄；

步骤4.2：判断min{Fs₃、Fs₄}与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃的大小，若min{Fs₃、Fs₄}<K₃，则增加B的值，若min{Fs₃、Fs₄}>K₃，则减小B的值；

步骤4.3：调整B的值，当满足|min{Fs₃、Fs₄}-K₃|<0.005时，停止调整得到采场顶部与外排土场底部之间的距离B的最优值。

本实施例中，假设采场顶部与外排土场底部之间的距离B＝200m，采场与外排土场构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃＝1.516、Fs₄＝1.349，min{1.516、1.349}>1.3，计算结果如图3所示；当采场顶部与外排土场底部之间的距离调整为B＝170m，采场与外排土场构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃＝1.455、Fs₄＝1.301，|min{1.455、1.301}-1.3|<0.005，则采场顶部与外排土场底部之间的距离最优值为170m，如图4所示。

步骤5：在采场顶部与外排土场底部之间的距离最优的基础上，内排土场向前发展，假设内排土场向前发展的步距为C；

本实施例中，假设内排土场向前发展的步距C＝150m。

步骤6：采用bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆，与内排土场边坡安全储备系数K₁作比较，调整内排土场平盘宽度，使其达到最优，过程如下：

步骤6.1：内排土场按内排土场向前发展的步距C、台阶高度、平盘宽度及坡面角设计其形态；

步骤6.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆；

步骤6.3：判断min{Fs₅、Fs₆}与内排土场边坡安全储备系数K₁的大小，若min{Fs₅、Fs₆}<K₁，则增加内排土场平盘宽度，若min{Fs₅、Fs₆}>K₁，则减小内排土场平盘宽度；

步骤6.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₅、Fs₆}-K₁|<0.005时，停止调整得到内排土场平盘宽度的最优值。

本实施例中，当内排土场平盘宽度为25m时，内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅＝1.175、Fs₆＝1.135，min{1.175、1.135}<1.2；当内排土场平盘宽度调整为30m时，内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅＝1.260、Fs₆＝1.202，|min{1.260、1.202}-1.2|<0.005，则内排土场平盘宽度最优值为30m，计算结果如图5所示。

步骤7：考虑内排土场、采场、外排土场三者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈，与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄作比较，调整外排土场向前发展的步距A，过程如下：

步骤7.1：给外排土场向前发展的步距A设初始值；

步骤7.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈；

步骤7.3：判断min{Fs₇、Fs₈}与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄的大小，若min{Fs₇、Fs₈}<K₄，则减小A值，若min{Fs₇、Fs₈}>K₄，则增大A值；

步骤7.4：调整A值，当满足|min{Fs₇、Fs₈}-K|<0.005时，停止调整，得到内排土场向前发展步距C时外排土场应该向前发展的步距A。

本实施例中，不断调整外排土场向前发展的步距A的值，当A调整为46m时，内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇＝1.443、Fs₈＝1.297，|min{1.443、1.297}-1.3|<0.005，则本实施例中，当内排土场向前发展步距C＝150m时，外排土场应该向前发展的步距A＝46m。

Claims (5)

1.一种软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据边坡的服务年限，确定内排土场边坡安全储备系数K₁、外排土场边坡安全储备系数K₂，外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃，内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄；

步骤2：根据露天煤矿开采设计及作业参数，获取采场到界边坡形态、内外排土场的台阶高度、平盘宽度及坡面角及外排土场的排弃高度；

步骤3：采用bishop法与剩余推力法分别计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂，与外排土场边坡安全储备系数K₂作比较，调整外排土场平盘宽度，使其达到最优；

步骤4：考虑采场、外排土场两者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取采场和外排土场两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄，与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃作比较，调整采场顶部与外排土场底部之间的距离B，使其达到最优；

步骤5：在采场顶部与外排土场底部之间的距离最优的基础上，内排土场向前发展，假设内排土场向前发展的步距为C；

步骤6：采用bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆，与内排土场边坡安全储备系数K₁作比较，调整内排土场平盘宽度，使其达到最优；

步骤7：考虑内排土场、采场、外排土场三者的边坡形态及距离对边坡稳定性的影响，采用bishop法与剩余推力法分别计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈，与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄作比较，调整外排土场向前发展的步距A。

2.根据权利要求1所述的软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，其特征在于，所述步骤3的过程如下：

步骤31：根据外排土场的台阶高度、平盘宽度、坡面角及排弃高度，设计外排土场形态；

步骤3.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取外排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₁、Fs₂；

步骤3.3：判断min{Fs₁、Fs₂}与外排土场边坡安全储备系数K₂的大小，若min{Fs₁、Fs₂}<K₂，则增加外排土场平盘宽度；若min{Fs₁、Fs₂}>K₂，则减小外排土场平盘宽度；

步骤3.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₁、Fs₂}-K₂|<0.005时，停止调整得到外排土场最优平盘宽度。

3.根据权利要求1所述的软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，其特征在于，所述步骤4的过程如下：

步骤4.1：基于采场、外排土场边坡形态及采场顶部与外排土场底部之间的距离B的初值，应用bishop法与剩余推力法计算获取两者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₃、Fs₄；

步骤4.2：判断min{Fs₃、Fs₄}与外排土场与采场两者构成的边坡安全储备系数K₃的大小，若min{Fs₃、Fs₄}<K₃，则增加B的值，若min{Fs₃、Fs₄}>K₃，则减小B的值；

步骤4.3：调整B的值，当满足|min{Fs₃、Fs₄}-K₃|<0.005时，停止调整得到采场顶部与外排土场底部之间的距离B的最优值。

4.根据权利要求1所述的软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，其特征在于，所述步骤6发过程如下：

步骤6.1：内排土场按内排土场向前发展的步距C、台阶高度、平盘宽度及坡面角设计其形态；

步骤6.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场边坡整体稳定性系数分别为Fs₅、Fs₆；

步骤6.3：判断min{Fs₅、Fs₆}与内排土场边坡安全储备系数K₁的大小，若min{Fs₅、Fs₆}<K₁，则增加内排土场平盘宽度，若min{Fs₅、Fs₆}>K₁，则减小内排土场平盘宽度；

步骤6.4：调整外排土场平盘宽度，当满足|min{Fs₅、Fs₆}-K₁|<0.005时，停止调整得到内排土场平盘宽度的最优值。

5.根据权利要求1所述的软岩露天煤矿内外排土场并行发展步距确定方法，其特征在于，所述步骤7的过程如下：

步骤7.1：给外排土场向前发展的步距A设初始值；

步骤7.2：基于bishop法与剩余推力法计算获取内排土场、采场、外排土场三者构成的边坡整体稳定性系数分别为Fs₇、Fs₈；

步骤7.3：判断min{Fs₇、Fs₈}与内排土场、采场及外排土场三者构成的边坡安全储备系数K₄的大小，若min{Fs₇、Fs₈}<K₄，则减小A值，若min{Fs₇、Fs₈}>K₄，则增大A值；

步骤7.4：调整A值，当满足|min{Fs₇、Fs₈}-K|<0.005时，停止调整，得到内排土场向前发展步距C时外排土场应该向前发展的步距A。

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