・２６・ 露天采矿技术 ２０ｌ４年第８期ｌ冒圈 ＤＯＩ：１０．１３２３５／ｊ．ｅｎｋｉ．Ｉｔｅｍ．２０１４．０８．０１０ 露天煤矿靠帮开采下的时效边坡稳定性分析 王建鑫 （内蒙古伊泰煤炭股份有限公司。内蒙古鄂尔多斯０１７０００） 摘 要：靠帮开采情况下，时效边坡的稳定性一方面要考虑开挖后的时效性，另一方面还要考虑 边坡岩体的正常受力分析，且边坡角应根据自身岩层特点合理选择，通过对宝利煤矿靠帮开采下 的时效边坡进行稳定性研究，以此能对相关露天采矿工程技术人员提供时效边坡的稳定性研究 方法与监测手段。 关键词：靠帮开采；时效性；稳定性 中图分类号：ＴＤ８２４．７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１—９８１６（２０１４）０８—００２６—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｇｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｓｔｅｅｐ ｅｎｄ－ｓｌｏｐｅ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ ｏｐｅｎ－ｐｉｔ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｘｉｎ （／ｎｎ￣ｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｙｉｔａｉ ｃ０ ｃｂ．，￡ ，Ｏｒｄｏｓ ０１７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ ｓｔｅｅｐ ｅｎｄ－ｓｌｏｐｅ ｍｉｎｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｇｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｆｔｅｒ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｎ ｏｎｅ ｈａｎｄ，ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎ ｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｒｏｃｋ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ａｇｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｓｔｅｅｐ ｅｎｄ－ｓｌｏｐｅ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｂａｏｌｉ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｇｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｅｎ—ｐｉｔ ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｅｒｓｏｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｐ ｅｎｄ—ｓｌ０ｐｅ ｍｉｎｉｎｇ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 宝利露天煤矿是中国大唐集团公司所属大唐国 安全保证。而且一般露天煤矿边坡采用静态、均一、 际发电股份有限公司旗下的控股子公司。位于内蒙 永久性设计，端帮边坡角较缓，端帮设置运输通道， 古鄂尔多斯市达拉特旗白泥井镇，设计年产量１２０ 边坡进一步变缓，造成端帮压煤，且露天煤矿边坡易 万ｔ。地质结构简单，剥采比约６：１，煤质属于低灰、 滑区煤炭资源回收困难。时效边坡考虑了采剥工程 中硫、中高发热量的不粘煤。矿区面积７．７４ ｋｍ 。全 和边坡动态耦合关系，通过采用“短工作线、高强度 部采用单斗一汽车工艺，排土方式为内排。宝利露天 推进、快速回填”技术措施，实现易滑区煤炭资源的 煤矿目前采用陡帮开采方式，对帮端采用靠帮开采 安全回采【”。 理论进行端帮煤回收，将东端帮帮坡角从３６。提高 由于宝利煤矿端帮设计帮坡角为３６。，提高帮 至４２￣。 坡角势必会降低安全系数，如果安全系数小于１则 １ 东端帮时效性边坡的稳定性理论基础 边坡处于失稳状态。但是露天矿的边坡稳定性不仅 与所处地质条件和边坡高度有关，还与边坡暴露时 传统露天煤矿边坡角设计是按整体帮边坡角进 间长短等因素有关，边坡高度一定时，边坡暴露时间 行设计，这种设计方法无法体现岩层岩性分布差别， 越长出现滑坡的可能性越大，因此在选取合理帮坡角 而我国露天煤矿边坡特点是下部岩石强度较大，上 同时要尽量减小边坡暴露时间。边坡岩体开挖前，岩 部岩石强度较小这就为提高端帮下部边坡角提供了 体受力处于平衡状态，边坡稳定【２－３】。边坡岩体开挖 收稿日期：２０１４—０３—１６ 后，卸载作用引起卸荷面附近岩体内部应力重分布， 作者简介：王建鑫（１９８７一），男，内蒙古巴彦淖尔人，助 外力减小，岩体将在某一时间段产生回弹变形，为了 理工程师，学士，２０１１年毕业于内蒙古科技大学采矿工程专 在边坡安全、经济开采的条件下最大限度回收压覆 业，现就职于内蒙古伊泰煤炭股份有限公司纳林庙灾害治理 资源，对东端帮采用短工作线进行高强度推进、快速 项目办。 回填技术。 ｌ臣固 露天采矿技术 ２０ｌ４年第８期 ・２７・ ２东端帮边坡稳定－性计算的理论方法 本次边坡稳定采用Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ—ｐｒｉｃｅ法和 Ｂｉｓｈｏｐ法分别对边坡稳定性进行分析。 １）Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ－ｐｒｉｃｅ法。Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ—ｐｒｉｃｅ法适 用于任意形状的滑动面，其计算式为： Ｅ （Ｆ，Ａ）＝０ ）＝』：（ —Ｅ誓） 一』 罟 ＝０ 利用牛顿一拉夫逊算法对上述公式中的Ｆ和Ａ 进行迭代求解。 ２）Ｂｉｓｈｏｐ法。Ｂｉｓｈｏｐ法适用于圆弧滑动面的稳定 性计算，并且满足条块力的平衡条件，其计算公式为： ∑ 一｛ｃ６＋ｌ ～ ６＋（ —Ｘ ）］＋ｔａｎ ｝ ｍ ＝ ∑ ｓｉｎ ＋∑Ｑ Ｅ —ＣＯＳ＋塑 式中：Ｅ为法向条间力， 为切向条间力， 为 条块自重力，Ｑ为水平作用力，ｃ为材料有效粘结力， 为材料内摩擦角。式中切向条间力 是未知的，通过 迭代可得知满足每一条块力平衡条件的安全系数。 ３对东端帮边坡稳定性数值模拟分析 由于宝利煤矿东端帮岩层总体较松软，易受水 的的影响，所以本次模拟考虑水裂隙的存在。根据矿 田岩性组合特征，岩层产状，依据刚体极限平衡法对 东端帮边坡稳定进行数值模拟分析。宝利煤矿岩体 物理力学指标见表１。 表１岩体物理力学指标 通过数值模拟得出在采用靠帮开采回收煤炭资 源时，边坡处于失稳状态，这是由于提高帮坡角后导 致的边坡安全系数变小，如果能充分利用边坡开挖 后边坡稳定的时效性，将会在安全经济条件下，最大 限度回收煤炭资源。 本次模拟得出了提高帮坡角后，利用Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ－ ｐｒｉｃｅ法得出１２５个结果，其中４个结果为边坡失稳 状态，分布为Ｆ＝０．９８２、Ｆ＝０．９９５、Ｆ＝０．９９７、Ｆ＝ ０．９９８。图１为边坡失稳状态下最危险滑动面图，图２ 为边坡失稳下的１００个潜在滑动面图。 毒 惶 距离／ｍ 图ｌ最危险滑动面图 惺 图２ １００个潜在滑动面图 利用Ｂｉｓｈｏｐ法得出１２５个结果，其中有２个结 果为边坡失稳状态，分别为Ｆ＝０．９８６和Ｆ＝０．９９７。 如图３为边坡失稳状态下最危险滑动面图，图４为 边坡失稳下的１００个潜在滑动面图。 ｛ 谴 图３最危险滑动面图 从图２、图４中根据对１００个潜在滑移面分析可 以看出，其不稳定滑裂面为同一滑裂面，边坡岩体开 挖后，最危险滑动面位于坡顶与坡底所形成的圆弧 ・２８・ 露天采矿技术 ２０１４－ｆ－￣Ｊ ８期重蓄固 面与水平方向角度为一０．０３３。，位于坡脚，受力情况 如图６。从抗剪强度曲线图得知，边坡开挖后抗剪强 度从坡顶处急剧下降，坡底位置时强度为最小，由库 惶 伦一摩尔强度理论，当在岩体内部某一面上剪应力达 到一定限度，克服了与正应力成正比关系的摩擦力， 则在该面岩体发生剪切破坏，即岩层发生错动导致 边坡失稳。 距离，ｍ ４结图４ １００个潜在滑动面图 论 １）端帮边坡时效性使得靠帮开采实现了对端帮 滑面上，岩体可能从东帮坡底线切出，所以一定要做 好及时压帮工作，压帮时前期应保证足够的排土厚 度、宽度、同时排弃要选择较大硬度的岩石，必要时 在坡底设置抗滑桩以保证煤炭回收之前边坡稳定。 如图５、图６。 煤的最大限度回收，与此同时，合理的边坡角选择是 一个长期需要去探索的问题，宝利煤矿根据下部岩 石强度较大，上部岩石强度较小的特点选取了Ｆ接 近于１的边坡角。 ２）通过分析，采用Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ—ｐｒｉｃｅ法，在满足 静力平衡和力矩平衡条件情况下得出最不稳定滑块 的位置、倾角以及条块的受力分析和矢量图。在实际 工作中应加强边坡底部监测监控，必要时对边坡岩 体进行锚固处理或者在坡底打抗滑桩。 ３）靠帮开采下的端帮具有时效性，在边坡开挖 后应尽最大速度进行回填压帮工作，减少边坡暴露 时间，同时将影响边坡稳定性的岩体结构、岩性特 点、水裂隙情况等充分考虑好，做好边坡监测预防工 图５抗剪强度曲线图 作，系统的保证时效边坡的稳定性。 参考文献： ［１］王建鑫．靠帮开采“Ｌ”型内排压帮方式对敖包梁矿区 的理论研究［Ｊ］．露天采矿技术，２０１３（２）：３—４． ［２］ 内蒙古科技大学矿业工程学院．岩体力学内部资料 ［Ｍ］．包头：内蒙古科技大学出版社，２００７． ［３］蔡美峰．岩石力学与工程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６． ［４］ 内蒙古科技大学矿业工程学院．露天矿边坡稳定内部 资料［Ｍ］．包头：内蒙古科技大学出版社，２００７． ［５］王博文，才庆祥，周伟，等．基于边坡时效性的露天煤 图６最不稳定滑块受力分析及矢量图 矿端帮靠帮开采［Ｊ］．煤炭工程，２０１０（４）：９－１１． ［６］陈鹏，陈鹏飞．露天矿排土场边坡稳定性分析［Ｊ］．辽宁 工程技术大学学报，２０１２，２９（６）：１０２８—１０３１． 由数值模拟计算得出，最不稳定条块所在滑动 （上接第２５页） ［４］商铭，李勇，滕威，等．电子雷管及其起爆系统评述［Ｊ］． 煤矿爆破，２００６（３）：２３—２６． ［５］北京工程爆破学会．电子雷管技术研究简讯［Ｊ］．工程 爆破。２００６（６）． ［Ｊ］．铜业工程，２０１１（４）：２２—２７． ［７］ Ｂｌａｉｒ，Ｄ．Ｐ．（Ｏｒｉｅａ），Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ．Ｌ．Ｗ．Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｌａｙ ｄｅｔｏｎａｔｏｒｓｓ［Ｊ］． ＦＲＡＧＢＬＡＳＴ－－Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，１９９９：３０３－３３４． ［６］王华．数码电子雷管在露天深孑Ｌ爆破中的应用试验