端帮靠帮开采稳定性分析与经济效益研究*

孟庆武 舒继森 韩 流

(中国矿业大学矿业工程学院)

传统的露天煤矿靠帮开采是指采场最上部工作线到界后，下部工作线继续开采直至达到设计的终了帮坡角的开采过程。在设计最终边坡角时，通常采用静态极限平衡法，要求非工作帮最终边坡服务于采场采剥作业的全过程，最终边坡稳定系数取值偏高，而且最终边坡上还要设置保安平盘和运输平盘。因此，设计的最终边坡角比实际上能达到的稳定边坡角要小。

我国大型露天煤矿基本为近水平煤层埋藏，采用分区开采内排压帮开采程序，年产量和工作线推进强度大，使得端帮边坡暴露面积和存在时间大大减小［1］。因此，更加有必要采用靠帮开采来提高露天矿的端帮边坡角。

利用靠帮开采的相关理论和方法，选取合适的边坡稳定系数，提高端帮边坡角，在露天矿上部境界不动的情况下，不但可使露天开采境界内的资源量增加，剥采比减少，对于分区内排开采的露天煤矿还可以有效减少条区间二次剥离量，显著提高露天开采的经济效益。

1 靠帮开采边坡稳定性分析

1.1 稳定性分析基本方法

传统的边坡设计方法是静态极限平衡法，这是一种确定性的研究方法，在计算时通常选取一个较为保守的边坡稳定系数Fs(如1.3)，将滑体作为刚体分析其沿滑动面的平衡状态，常用的方法有瑞典条分法、Bishop法、传递系数法等。但极限平衡法没有考虑地应力的作用［2-3］，而且由于大型露天煤矿边坡体的复杂性，计算时模型的建立与参数的选取不可避免地使计算结果与实际结果不吻合［4］，造成边坡角取值偏大。

因此，要有效地实施端帮靠帮开采，就必须合理地减小端帮边坡稳定系数，而且对于大型露天煤矿而言，有必要考虑地应力的作用，同时采用数值分析的方法进行定量的设计计算和分析，通过多种方案的计算、分析、比较，确定最合理的端帮边坡角。

对于我国大型露天煤矿而言，端帮边坡的范围很大，在进行数值模拟和极限平衡法分析计算时，如果对整个边坡做三维计算和分析，工作量将特别大，对结果的分析也很繁杂，不能一目了然，故对整个边坡的大范围的稳定性分析和优化设计采用二维的有限差分(FLAC2D)和极限平衡分析(GEO－SLOPE)程序。其中极限平衡分析同时采用简化Bishop法、精确Janbu法和Sarma法。2种方法相互比较、补充、验证，可以提高分析结果的准确性和可靠性［2］。

1.2 稳定性分析具体步骤

(1)收集端帮边坡的地质资料，准确掌握端帮地质构造、岩层物理力学性质、地下水、地应力等影响边坡稳定的主要因素［5］。

(2)根据边坡工程地质分区和不同位置边坡的稳定性情况及重要程度，选择若干具有代表性的剖面进行分析，确定相关的岩石物理力学参数。

(3)对于每个剖面，以原有端帮边坡角为基准，确定若干个提高端帮边坡角度的方案。

(4)对于每个方案，将掌握的地质资料数据和相关边坡参数分别输入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立边坡稳定性分析模型，进行综合数值模拟分析，求解边坡稳定系数。

(5)根据端帮边坡的地质情况和露天矿的实际推进速度，选取合理的靠帮开采的稳定系数［6］，以此确定每个剖面靠帮开采的端帮边破角。

(6)将不同剖面2种方法的计算结果进行综合对比分析，确定最佳的靠帮开采的端帮边坡角。

2 经济效益研究

以分区内排开采的近水平煤层埋藏的露天矿为例，在上部境界不动的情况下分别分析端帮靠帮开采带来的经济效益和减少的二次剥离成本。

在分析时，为了简化分析模型，均以单一煤层为例，对于复合煤层，可以按照类似的方法进行分析。

2.1 靠帮开采的经济效益计算

靠帮开采的经济效益计算分析模型如图1。

图1 靠帮开采经济效益计算模型

根据1.2小节稳定性分析的步骤对露天矿端帮进行靠帮开采边坡稳定性分析后，假设两侧端帮边坡角分别由α1、α2提高到β1、β2(如图1)，则两侧端帮多采出的岩石面积SY1、SY2和矿石面积SK1、SK2分别为

式中，h、H分别为根据钻孔资料得出的煤层平均厚度和上覆岩层平均厚度的期望值，m。

多采出的岩石总面积SY和矿石总面积SK分别为

由靠帮开采带来的纯剥离成本QB和纯采矿成本QC分别为

式中，QB和QC分别为每年由靠帮开采带来的纯剥离成本和纯采矿成本，万元;L为露天矿实际年推进强度，m/a;a为单位纯剥离成本，元/m3;b为单位纯采矿成本，元/t;k为原煤容重，t/m3。

由靠帮开采带来的销售收入为

式中，QSR为每年由靠帮开采带来的煤炭销售收入，万元;η为回采率，%;c为煤炭销售价格，元/t。

则靠帮开采可以产生的经济效益QXY(万元)为

2.2 节约的条区间二次剥离成本计算

对于分区内排开采的露天矿，假设在后一条区开采时前一条区相应位置处已全部内排完毕，则会在条区相接处产生相应的二次剥离量。采用靠帮开采可以减少条区间二次剥离量，进而节约二次剥离成本。

图2 减少的条区间二次剥离成本计算模型

减少的条区间二次剥离成本计算分析模型如图2。假设采用靠帮开采后前一条区端帮边坡角由α提高到β，后一条区开采时与前一条区相接一侧端帮边坡角为γ，靠帮开采前后产生的二次剥离面积分别为图2中的△AEG和△ADF，则减少的二次剥离面积SJ为

节约的二次剥离成本QJ为

式中，d为单位二次剥离成本，元/m3;QJ为采用靠帮开采每年可以节约的二次剥离成本，万元。

3 实例研究

以我国北方某近水平露天煤矿为例，进行靠帮开采的边坡稳定性分析和经济效益研究。

该露天矿由西向东推进，工作线推进强度400 m/a，可采煤层平均厚度28 m，上覆岩层平均厚度150 m，采用单斗铲—汽车生产工艺，分区开采，压帮内排。

3.1 靠帮开采的边坡稳定性分析

以第一条区为例，在南帮和北帮分别选取1个典型剖面(如图3)，初始端帮边坡角均为37°。

所选取的端帮剖面的岩层划分及物理力学参数如表1所示。

以初始端帮边坡角为基准，确定提高端帮边坡角度的方案如表2所示。

将表1中地质资料数据和相关边坡参数分别输入FLAC2D和GEO－SLOPE程序建立边坡稳定性分析模型，进行综合数值模拟分析，求解各个角度方案下的边坡稳定系数，计算结果如表3、表4所示。

图3 南北端帮A－A剖面现状

表1 A－A剖面岩层划分及物理力学参数

表2 提高端帮边坡角度的方案 (°)

表3 南帮边坡不同角度稳定系数计算结果

表4 北帮边坡不同角度稳定系数计算结果

可知:2种方法的计算结果基本一致。根据端帮边坡的地质情况和露天矿的实际推进速度，选取稳定系数Fs的值为1.15，对比2种方法的计算结果，确定在此稳定系数条件下靠帮开采的端帮边坡角南帮为44°，北帮为42°。

3.2 经济效益研究

根据稳定性分析结果，一条区南北帮的边坡角可由37°分别提高到44°和42°，取纯剥离成本10元/m3，纯采煤成本7元/t，煤炭销售价格120元/t，回采率95%，根据所建立的经济效益模型计算得:一条区采用端帮靠帮开采每年产生的经济效益为11 692.112万元。

二条区开采位置选在一条区南侧，取二次剥离成本9元/m3，根据建立的模型计算得:一条区采用靠帮开采每年可以为二条区开采节约二次剥离成本为1 662.287万元。

由此可见，在该露天矿实施靠帮开采经济效益十分显著。

4 结论

(1)对我国大型近水平露天煤矿实施端帮靠帮开采是有必要的，在技术上也是可行的。

(2)提出了端帮靠帮开采边坡稳定性分析的基本方法和具体的分析步骤，对实施端帮靠帮开采有一定的指导意义。

(3)建立了由靠帮开采带来的经济效益研究模型和节约的二次剥离成本计算模型。

(4)实例验证了本研究方法和结果的正确性。对我国北方某露天矿实施端帮靠帮开采，一条区两侧的端帮边坡角可以由37°分别提高到44°、42°，由此每年可以获得的经济效益为11 692.112万元，每年可以节约一条区和二条区之间的二次剥离成本1 662.287万元，经济效益十分可观。

［1］ 才庆祥，周 伟，车兆学，等.近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究［J］.中国矿业大学学报，2007，36(6):743-747.

［2］ 才庆祥，周 伟，舒继森，等.大型近水平露天煤矿端帮边坡时效性分析及应用［J］.中国矿业大学学报，2008，37(6):740-744.

［3］ 蔡美峰，乔 兰，李长洪，等.深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化［J］.北京科技大学学报，2004，26(5):465-470.

［4］ 丁参军，张林洪，于国荣，等.边坡稳定性分析方法研究现状与趋势［J］.水电能源科学，2011，29(8):112-114.

［5］ 彭洪阁，才庆祥，周 伟，等.露天煤矿靠帮开采端帮稳定性关键影响因素研究［J］.中国矿业，2008，17(5):71-74.

［6］ 刘 勇，车兆学，李志强，等.露天煤矿端帮残煤开采及端帮暴露时间分析［J］.中国矿业大学学报，2006，35(6):727-731.