刘文坊
中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司露天一所，辽宁沈阳110000
摘要：为充分回收煤炭资源实现露天煤矿多采煤少剥离的经济效果可采取端帮压帮的陡边坡开采技术。论文以选取的安家岭露天矿端帮的S、N剖面为研究对象，采用极限平衡法对压帮前后边坡稳定性进行计算，先后确定了陡边坡开采的最佳角度、最优形态和合理压帮高度。根据强度折减理论对压帮前后边坡稳定性进行数值模拟分析，揭示其变形机理与滑坡模式。
关键词：露天煤矿；陡边坡；形态优化；压帮；数值模拟
1.陡边坡开采技术分析
端帮陡边坡开采技术是指采取一定的采矿工程措施对端帮边坡角度进行加陡并优化其形态以达到充分挖掘端帮压覆的煤炭资源的一种采矿工程技术。对于已经实现内排的近水平露天矿通常采用压帮的采矿工程措施以保证端帮边坡的稳定性。
1.1最佳陡边坡开采角度
对端帮进行加陡可以采取减少运输平盘和缩短运输平盘宽度的措施，而减少运输平盘会影响开采过程中的运输状态，所以本次研究采取减小运输平盘宽度的方法来加陡端帮以达到多采煤少剥离的经济效果。安家岭露天矿南、北端帮现状的边坡角度分别为25°和22°，均以1°为步长对其进行加陡计算稳定性系数。最终计算结果如图1，表示压帮前边坡稳定性与边坡角度之间的关系曲线，最佳陡边坡角度的确定原则要兼顾经济性与安全性，在满足安全储备系数1.1的情况下将最陡的角度确定为端帮最佳陡边坡开采角度。
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由以上计算结果可以看出，虽然端帮存在弱层，但其滑坡模式仍然是整体边坡的单一圆弧滑动。端帮边坡的稳定性与边坡角度密切相关，各剖面的稳定性系数随边坡角度的增大线性减小。当S剖面的边坡角度加陡到28°时边坡稳定性系数为1.127、N剖面边坡角度加陡到26°时边坡稳定性系数为1.109，二者刚好满足压帮前安全储备系数1.1的要求，因此确定南北端帮的最佳陡边坡开采角度分别为28°和26°。
1.2最优陡边坡形态
在确定南、北帮的最佳陡边坡开采角度分别为28°和26°的前提下，调整运输平盘的宽度对边坡形态进行优化来实现最好的经济效果。该矿主采煤层为4、9、11煤，均赋存于1330平盘以下，因此宜采取下部加陡的局部陡边坡开采方式，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。对三个运输平盘宽度进行不同程度减小，形成最终的端帮陡边坡形态，以南帮为例，端帮具体陡边坡开采形态方案构成及设计参数分别见表1。
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根据安家岭露天煤矿的生产现状，开采到当前位置时该矿每年由西向东的推进距离约为300m，煤的容重平均值约为1.4t/m3，以南帮为例，采用剖面算量法计算得到南端帮的煤岩增量见表2。
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根据计算结果：对于南端帮，陡边坡剥采比相差不大，方案四增加的采煤总量最多为443978t，且满足安全储备系数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°为南端帮的最优陡边坡开采形态。同理对于北端帮确定上部边坡不动，下部边坡的1270平盘外扩至35m、1300平盘外扩至38m、1330平盘外扩至39m，整体边坡角度26°为北端帮的最优陡边坡开采形态。
1.3合理的压帮高度
针对以上南北端帮的最佳陡边坡开采形态，对边坡采取内排压帮的措施，保证其满足边坡的安全储备系数1.3的要求。以端帮台阶高度15m为步长，分别计算S、N剖面压帮至四个台阶水平时的边坡稳定性，并且对局部边坡进行稳定性验算。以南帮为例计算结果见图2，图3所示为端帮边坡稳定性与压帮高度之间的变化曲线。
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由以上的计算结果可以看出，随着压帮高度的增大，圆弧滑面的位置会发生上移，由整体的圆弧滑动变成边坡浅部的圆弧滑动。边坡稳定性系数随着压帮高度的增加呈指数型增长，南帮压帮四个台阶高度时达到稳定系数为1.369，北帮压帮至三个台阶高度时稳定系数为1.532，满足压帮后陡边坡安全储备系数1.3的要求。
2. 陡边坡稳定性数值模拟
2.1 数值模拟模型构建
以南帮为例，采用三维有限差分软件FLAC3D分别建立陡边坡压帮前后的S剖面数值模拟模型。数值模拟模型见图4。
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2.2位移分布特征
图5和图6分别为南帮边坡模拟得到的最大位移云图和剪应变增量图，其剪应变增量图中的剪切破坏分布和最大位移云图中的最大变形特征一致，共同描述了边坡的位移分布特征与滑坡模式。
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由分析结果可知，数值模拟得到的滑坡模式与滑面位置与极限平衡法得到的结果具有一致性。压帮前后陡边坡的滑坡模式均为圆弧滑动，边坡下部尤其是坡脚处位移明显，表明边坡下部加陡的局部陡边坡开采方式使得边坡稳定性下降。
2.3应力分布特征
图7和图8分别为各边坡剖面模拟得到的南帮陡边坡前后初始垂直应力与水平应力云图，二者共同描述了南端帮边坡体内的应力分布特征。
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由模拟结果可以看出，边坡体内垂直应力的分布主要受到自身重力的影响，竖直应力在坡体表面向下，其大小随着标高的降低而呈上升趋势，分布均匀，基本顺着坡面方向一直延伸到坡脚处。压帮后的应力分布特征同压帮前相似，由于采取了内排压帮的采矿工程措施，边坡整体高度变小，坡脚处虽存在一定的应力集中，但应力集中的区域范围与程度得到了较大的改善，因此内排压帮可提高安家岭露天煤矿端帮边坡稳定性。
3.结论
论文以安家岭露天煤矿端帮边坡为研究对象，综合运用现场调研、理论分析、极限平衡法、方案对比与数值模拟等方法对该矿端帮陡边坡开采技术进行研究，主要结论如下：
（1）边坡的稳定性随着边坡角度的增大线性减小，确定南、北端帮的最佳陡边坡角度分别为28°和26°；
（2）该矿宜采用边坡下部加陡的局部陡边坡开采方式，即南帮边坡下部1270、1300、1330三个运输平盘的宽度分别缩短至43m、38m、35m及北帮分别缩短至42m、35m、35m时为最优陡边坡形态，每年增加的煤炭采出量超过90万t；
（3）边坡稳定性随着压帮高度的增加呈指数型增长，合理的压帮高度为南帮压帮四个台阶、北帮压帮三个台阶；内排压帮使边坡的滑坡模式由整体的圆弧滑动变为边坡浅部的圆弧滑动；内排压帮措施可以缓解坡脚处的应力集中，提高边坡的稳定性。
参考文献
[1] 宋子岭,马云东.我国露天煤田分类研究（Ⅰ）——分类指标体系的建立[J].煤炭学报, 2008,(09)：1002-1005.
[2] 白润才,白文政,刘光伟等.倾斜煤层窄长形露天矿横采内排分期境界优化[J].煤炭学报,2017,42(10):2601-2608.
[3] 曹兰柱,李广贺,王东.倾斜煤层露天矿顶帮稳定性分析及空间形态优化[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2017,36(10):1015-1019.
[4] 王东,姜聚宇,韩新平等.褐煤露天矿端帮开采边坡支撑煤柱稳定性研究[J].中国安全科学学报,2017,27(12):62-67.
[5]Zhang Chunhan, O.A.Pekau, Jin Feng, et al. Application of distinct element method in dynamic analysis of high rock siopes and blocky structures[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 1997, 16(6): 385-394.
[6] 吕粲. 哈尔乌素露天煤矿端帮陡帮开采边坡稳定性分析[D].中国矿业大学,2015.