塔尔煤田Ⅱ区块露天煤矿南帮边坡空间形态优化

李成盛

（中国机械设备工程股份有限公司，北京 100073）

边坡是露天煤矿的构成要素之一，其稳定性是露天煤矿安全生产的重要影响因素，并且与露天矿的经济效益紧密相连。所以，对到界边坡进行合理的设计，对于保证露天煤矿的安全开采和最大限度地利用资源具有重要的意义[1]。

学者们已经就边坡形态优化这一问题进行了广泛的研究。宋子岭等[2]采用理论分析和数值模拟的方法，分析了安家岭露天煤矿端帮压帮前后的稳定性，确定了安家岭露天煤矿陡边坡开采的最佳角度、最优形态和合理压帮高度；韩流等[3]根据老化理论及软岩抗剪强度的时效表达式，提出平面滑动形式的时效稳定系数计算方法，优化设计了布沼坝露天矿西端帮边坡形态；方庆红等[4]基于工程类比法和强度折减法，揭示了软弱夹层对露天矿山边坡稳定性的影响。尽管对边坡形态优化的研究很多，但是以往大多数的研究多为二维效应分析，很少有深部压帮的三维效应分析，导致了大量煤炭资源的浪费[5-6]。

基于此，以巴基斯坦塔尔煤田II 区块露天煤矿南帮边坡为研究对象，应用二维和三维的边坡稳定性分析方法，运用极限平衡理论与数值模拟方法，优化了其空间形态，充分凸显空间形态效应的潜在经济效益。

1 地质条件与潜在滑坡模式

构成塔尔煤田II 区块露天矿边坡的主要岩土层有新近系全新统风积沙松散层、新近系上新统粉砂岩、黏土质粉砂岩、中粗砂岩、砂岩、黏土岩、粉砂质黏土岩等及软弱层；古近系古新统—始新统泥岩、中粗砂岩、煤层等软弱层、弱层。区内含煤地层共3个煤组，自上而下分别为1#、2#、3#煤组，其中主要可采煤层有2-3#、2-4#、2-7#、2-8#煤4 层，平均厚度约为24 m。第三系软岩层由粉砂岩、黏土质粉砂岩、黏土岩、粉砂质黏土岩以及粗砂岩组成。岩土的物理力学性质见表1。

表1 岩土体物理力学指标

影响巴基斯坦塔尔煤田II 区块露天煤矿边坡滑坡的主要因素有边坡体内2#含水层、2-7#上煤底板、2-8#煤底板弱层[7]，已知弱层抗剪强度参数较大且未知的下部岩层没有揭露，因此，判定巴基斯坦塔尔煤田II 区块露天煤矿南帮边坡的潜在滑坡模式为圆弧滑动或以弱层为底界面的切层-顺层滑动。边坡潜在滑坡模式示意图如图1。

图1 边坡潜在滑坡模式示意图

2 南帮到界边坡二维稳定性分析

依据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》[8]中对边坡安全系数的规定，考虑采场的非工作帮边坡的服务年限、边坡的高度和陡度以及岩土体的物理和力学特性等，将边坡的安全储备系数定为1.3。考虑到塔尔煤田II 区块露天煤矿南帮边坡的潜在滑坡模式，采用刚体极限平衡法进行稳定性分析[9]。在不同的组合滑动模式下原设计到界边坡稳定性系数为1.257、1.252、1.268。基于以上分析，南帮原设计到界边坡不能满足安全储备系数1.3 要求。因此南帮原设计到界边坡形态不合理，需要重新进行优化设计[10]。

3 南帮到界边坡二维稳定性分析

3.1 南帮到界边坡形态优化

塔尔煤田剥离物厚度大，深部煤层间距较小，总体上近似于单一煤层。这类煤层在进行露天开采时，到界边坡的断面形态不仅影响边坡的稳定性，还影响到露天矿的剥采比，因此，边坡断面形态设计对于单一煤层（或类似条件）露天矿具有重要的实际意义。当南帮边坡走向长度暴露过大，不受其他边帮或内排土场支挡效应的影响时[11]，即可以取某一横截面作为分析对象。基于边坡断面形态优化原理与刚体极限平衡理论，进行到界边坡的二维稳定性分析及形态参数优化。

采用边坡断面形态优化原理与刚体极限平衡理论，对塔尔煤田II 区块露天煤矿南帮边坡进行优化，到界边坡形态优化结果如图2。

图2 到界边坡形态优化结果

3.2 原设计与形态优化后对比

通过对南帮边坡稳定性分析结果可知，优化设计后的到界边坡稳定性系数均能满足安全储备系数1.30 的要求，最优的断面形态为：-18 m 水平平盘宽度为34 m，＋6 m 水平平盘宽度为54 m。相比原设计而言，基于断面形态效应优化后的到界边坡整体边坡角均有一定程度增大，增加了煤炭资源回收量，扩大境界内可采储量，充分凸显了断面形态效应的潜在经济效益。对原设计与断面形态优化后的边坡形态及采剥量进行了对比分析，原设计与断面形态优化的到界边坡形态及采剥量对比如图3。

图3 原设计与断面形态优化的到界边坡形态及采剥量对比

4 南帮到界边坡三维稳定性分析

在南帮边坡二维稳定性分析的基础上，对追踪距离L 为50、100、200、300、400 m 情况下，对优化后的南帮边坡进行三维稳定性分析，得到最优的边坡空间形态参数。采用FLAC3D软件进行数值模拟[12-13]。本次模拟采用在CAD 中进行剖面图设计，然后在工业设计软件Rhino 中进行网格划分，并生成能在FLAC3D中计算的网格文件。

为避免边界效应，该模型的尺寸设为长1 000 m，宽600 m，高230 m；模型的南帮坡面、横采工作帮坡面、内排土场坡面为自由面，模型四周与底部分别采用水平和垂直位移约束[14]。

当深部实现内排时，由于工作帮和内排土场在一定程度上对南帮边坡起到了支挡作用[15]，南帮边坡的滑坡模式可能变为以第二含水层为底界面的切层-顺层组合滑动。不同追踪距离下的数值模拟结果如图4，边坡稳定系数与追踪距离关系曲线如图5。

图4 不同追踪距离下的数值模拟结果

图5 边坡稳定系数与追踪距离关系曲线

分析可知，追踪距离对边坡稳定性影响较大；当追踪距离较小时，受采场工作帮与内排土场的双重支档作用的影响，三维支挡效应明显，第二含水层底板以下深部岩体位移相对较小[16]，追踪距离对三维边坡稳定性系数几乎无影响。

当L≤100 m 时，边坡的三维稳定性满足安全储备系数1.30 的要求[17]，随着追踪距离的继续增加，边坡的三维稳定性逐渐降低[18]。

基于以上分析，南帮到界边坡的追踪距离应该控制在100 m。到界边坡最优断面形态如图6。

图6 到界边坡最优断面形态

相比原设计，基于空间形态效应优化后的到界边坡整体边坡角增大2°，稳定性提高，回采煤炭资源增加8.858×106t，剥采比为0.5，充分凸显空间形态效应的潜在经济效益。原设计与空间形态优化后的边坡形态及采剥量对比如图7。

图7 原设计与空间形态优化的边坡形态及采剥量对比

5 结语

1）优化了塔尔煤田Ⅱ区块露天矿南帮到界边坡空间形态，为露天矿实现安全高效生产提供了强有力的技术支撑。

2）当追踪距离L≤100 m 时，边坡的三维稳定性系数小于1.30，满足安全储备系数要求。确定了到界边坡最优形态为：＋6 m 水平的平盘宽度为46 m；其余运输平盘宽为30 m，保安平盘宽度为5 m。

3）采用二维与三维相结合的分析方法进行稳定性分析，优化后的边坡整体边坡角增大2°，回采煤炭资源增加8.858×106t，剥采比为0.5，充分凸显空间形态效应的潜在经济效益。