祁茂富

（山西中煤平朔爆破器材有限责任公司，山西 朔州036000）

国外露天矿山在20 世纪60 年代就已应用陡帮开采工艺。从我国近几年的研究来看，陡帮开采工艺具有基建剥离量小、投资少、达产快等优点[1]。

作为平朔东露天矿的工作帮，其边坡岩层倾向与边坡倾向相反，岩层中的节理相对较散乱，此处地质条件复杂，岩体力学强度低，开采强度大，边坡高度大，外排土场临近采场，影响边帮稳定性，加之地下水影响，使不稳定边坡治理及陡帮开采可行性研究问题日益突出。通过对端帮陡帮开采的可行性进行研究，选择合适的边坡角度，在保证边坡稳定性的同时有效提高矿山资源利用效率。

原设计端帮边坡最终角度为27°，此设计是对于整个矿区的工作帮而言的，而露天矿的采区较为狭长，端帮工作帮的区域就有15 km。根据矿山相关资料，端帮27°边坡的稳定系数较大。为此，本着提高资源回采率和提高矿山经济效益的原则，提出对端帮实行陡帮开采的方案。

1 陡帮开采边坡角确定

陡帮开采是利用提高剥岩帮工作帮坡角推迟剥岩量的一种经济合理的新型开采工艺，其中应用较为广泛的形式是组合式开采工艺[2]。

从28°开始，以1°为步长，逐步增大此端帮边坡的角度，得出边坡稳定系数变化的规律，并从稳定性角度确定陡帮开采的最大角度。端帮陡帮不同角度下边坡稳定性系数见表1。

表1 端帮陡帮不同角度下边坡稳定性系数

不同方法计算的稳定系数有所偏差，以最常用的Bishop 法计算结果作为陡帮角度确定的依据。对不同角度下Bishop 法计算得出的稳定性系数进行拟合分析可知，该端帮上部台阶边坡角度为22°，整体边坡角度为33°时，Bishop 法计算的稳定性系数为1.201，十分接近1.20。在以安全为主的前提下，将陡帮边坡角度定为32°，这样在保证端帮边坡具有足够的稳定性的同时又能够尽可能地回收资源，提高资源利用率[3]Bishop 法计算稳定性系数趋势图如图1。

图1 Bishop 法计算稳定性系数趋势图

2 端帮陡帮开采方案

2．1 陡帮开采方式

因露天矿边坡上下部分暴露时间和岩性差异，边坡各部分能达到的稳定角度也有所不同。而在陡帮开采的实际应用中，已有采用陡帮开采对边坡下部进行局部陡帮，使边坡成为上缓下陡的凸边坡形态，实现多回收资源或者少剥离岩石的目的[4-5]。结合露天矿边坡上部和下部暴露时间和岩性差异，提出2 种局部陡帮开采方式[5]。

1）下部边坡外扩陡帮法。上部边坡保持不变，下部边坡局部陡帮（底部境界收缩的凸边坡），即上部境界不动，从中部开始，下部边坡向外推进，下部边坡外扩陡帮开采方法如图2。该种方式不需要从最上部平盘开始扩帮，而是从中间开始扩帮作业，因而对上部工作线的推进没有影响，更有利于现场实施由于这种方式保留了上部平盘，道路运输没有受到影响。

2）边坡内缩陡帮法。上部和下部境界保持原有情况，帮坡台阶向内收缩实行陡帮开采（顶部、底部境界不动的凸边坡），边坡内缩陡帮开采方法如图3。对于这种陡帮方式可以在损失少部分煤炭资源的条件下实现少剥离岩石的目的，能够节省矿山的生产投入。

图2 下部边坡外扩陡帮开采方法

图3 边坡内缩陡帮开采方法

由于该露天矿的开采权限是以上部境界圈定，在已知该端帮的最终可行陡帮开采角度，且该端帮上部台阶岩性较弱的条件下，上部台阶边坡已经放缓为22°，因此推荐端帮的陡帮开采方法为下部边坡外扩陡帮法。

2．2 陡帮开采剥采比

上部境界不动外扩陡帮示意图如图4。

图4 上部境界不动外扩陡帮示意图

计算下部边坡外扩陡帮法的剥采比为：

式中：n3为下部边坡外扩陡帮法的剥采比，m3/t；H0为从陡帮的开始水平到煤层顶板的高度，m；ρ 为原煤密度，g/cm3；h 为煤层平均厚度的期望值，m。

对当H0=H 时，下部境界外扩法是下部边坡外扩陡帮法在H0=H 时的极限情况。当上部边坡AF 段从边坡角α 提高到θ，陡帮剥采比为：

式中：α 为原设计边坡整体帮坡角，（°）；β 为陡帮后下部边坡角，（°）；θ 为上部边坡角，（°）；H 为上覆岩层平均厚度的期望值，m。

令θ=α，从原设计边坡H0高度处以下采用陡帮开采，则式（2）可以简化为式（1），即式（1）是式（2）在θ=α 时的特殊情况。

陡帮开采的剥采比大小由上覆岩层厚度H、煤层厚度h、局部陡帮高度H0以及煤层密度ρ 确定，并且其剥采比对煤层厚度和上覆岩层厚度的变化更为敏感[6]。

2．3 陡帮开采方案

该端帮原最终角度为27°时，下部台阶水平按照2 个10 m 保安平盘、1 个40 m 运输平台设计。现有的陡帮开采多是通过减少运输平盘数量或宽度，对保安平盘进行并段等手段调节。本次设计提出以下2 个方案，陡帮开采2 种方案开采示意图如图5。

图5 陡帮开采2 种方案开采示意图

2 个方案为保证上部台阶的稳定，均使端帮上部台阶边坡的角度为22°，整体边坡角度定为32°。2个方案的差异之处在于下部台阶的平盘宽度与并段方式，陡帮开采方案各平盘宽度见表2。

由表2 可知，方案1 在上部台阶最后1 个安全平台后，紧接着又是1 个10 m 的安全平台，而方案2 在上部台阶最后1 个安全平台后，紧接着是1 个40 m 的运输平台，2 种方案在下部台阶的发展模式是一致的。为对所提出的2 个方案进行优选，首先对2 个方案进行边坡稳定性分析，2 个方案在不同计算方法下的稳定性系数陡帮方案稳定性分析结果表见表3。

表2 陡帮开采方案各平盘宽度

表3 陡帮方案稳定性分析结果表

从边坡稳定性分析结果来看，方案2 端帮边坡较为稳定性，方案1 稍差，但边坡稳定系数也能够达到1.2 的要求。

从开采的煤岩量对2 个方案进行对比，并计算2 种陡帮开采方案的生产剥采比。以原设计27°边坡为参照，设计端帮陡帮开采范围转折的2 条段共为3 189.45 m，2 个方案分别于原设计27°边坡相比较。2 个方案和原设计最终开采角度对比结果见表4。从计算结果可知，2 个方案由于上部进行了缓帮，与原设计边坡相比减少了大量的剥离，而少采的资源相对较少，因此陡帮开采的综合剥采比均很小。方案1 可回收煤量982.76 万t，需多剥离2 764.24 万m3的岩石，上部损失煤量6.30 万t，但可少剥离731.99 万m3的岩石。方案2 可回收煤量892.28 万t，需多剥离2 523.77 万m3的岩石，上部损失煤量38.58 万t，但可少剥离810.11 万m3的岩石。

表4 2 个方案和原设计最终开采角度对比结果

综合分析，方案1 相比方案2 多采出了122.77万t 的资源，仅需多剥离318.60 万m3的岩石，多回收煤量的剥采比也仅为2.08 m3/t，方案1 多回收煤量的经济效益显著，因此，方案1 较方案2 经济效益更优。在2 种方案的稳定性系数均能达到1.2 的情况下，推荐方案1 为陡帮开采方案。

3 端帮边坡稳定性控制措施

1）采取有效的疏干排水措施。地表水的渗入和地下水的活动往往是导致边坡滑塌的重要原因，地下水的活动会严重影响露天矿边坡的稳定状态。在边坡上形成合理的排水、疏干系统。在端帮、端帮顶部修建截、排水沟，其目的是减少大气降水和外部地表水流入采坑和排土场，影响边坡的稳定[7]。

2）保持合理的帮坡角。根据边坡计算的结果，局部区域不宜继续加高，适当加大平台宽度。

3）局部加固及护坡。在生产过程中要做到边坡定期清扫、维护和治理，防范局部沉降和滑坡。对于出现的沉降裂缝，及时用红粘土弥合，防止流水进入岩体内部[8]。

4）控制爆破振动。采场下部硬岩进行爆破时，合理优化爆破参数及爆破方式，控制单孔装药量，减小爆破振动效应对边坡稳定性的影响。

5）进行边坡稳定性监测。在条件允许的情况下，加强对端帮的位移监测，以便及时采取应急措施，为矿山的安全生产提供数据支持及决策依据[9-10]。

4 结 语

露天煤矿端帮边坡的整体稳定性相对较高，但端帮上部稳定性较差，端帮上部存在滑坡征兆，因此，提出端帮上部缓帮下部陡帮的开采方案。

通过对2 种陡帮开采方案的对比，下部边坡外扩陡帮法（方案1）多回收煤量的经济效益显著，提高矿山资源利用率，为企业带来更好的经济效益。

对不稳定边坡，需要采取有效的疏干排水措施，减少大气降水和外部地表水流入采场和排土场，影响边坡的稳定；加强边坡的监测管理，在到界边坡建立完善的边坡监测系统，严格控制，以免发生滑坡。