布沼坝露天矿南帮降段可行性研究

2017-10-16骆大军

露天采矿技术 2017年10期

关键词：滑体露天矿采场

骆大军，陆翔，韩流

（1.云南省小龙潭矿务局，云南开远 661601；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

布沼坝露天矿南帮降段可行性研究

骆大军1，陆翔2，韩流2

（1.云南省小龙潭矿务局，云南开远 661601；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

为确保矿山产量和经济效益，有效控制西帮滑坡体清帮减载及资源回收期间剥采比及露天矿生产能力接续，分析了布沼坝露天矿降段的必要性，对比确定了降段位置，对最终降段位置（南帮）降段过程中西帮安全稳定性进行了分析评价。

露天矿；降段；压脚体；稳定性分析

Abstract:To ensuremine output and economic benefits and effectively control the landslide body load reduction of west slope and stripping ratio during resource recycling and open-pitmine productivity continue,this article analyzes the necessity of descending, determines the descending position,analyzes and evaluates the final descending location west slope secure stability in the process of descending.

Key words:open-pitmine;descending;foot;stability analysis

云南省小龙潭矿务局位于云南省红河哈尼族彝族自治州开远市境内，矿务局分为布沼坝及小龙潭2个第三系褐煤露天矿，矿区面积约21 km2，地质储量1 093.00 Mt。经过50余年的发展，已从一个年产几十万吨的小型褐煤露天矿发展成为拥有国内先进采掘设备的大型露天矿。布沼坝露天矿目前最低开采标高为960 m，西帮最大采深300 m，南帮、东帮为工作帮，主提煤出入沟布置在北帮[1]。

在编制和实现露天矿山工程进度计划过程中，应当根据矿山工程延深速度和工作台阶推进速度相关定律及相邻工作台阶矿山工程协调发展定律，正确处理扩帮与延伸的矛盾[2-3]。在扩帮条件允许的情况下，要按计划及时开拓准备新水平，以保证采矿施工和备采矿量准备相衔接。降段工程是露天矿生产接续的关键工程，其工程位置的选择、工程质量直接影响到新的开采水平的准备[4-5]。

1 布沼坝露天矿降段必要性

布沼坝露天矿上一次大规模降段工程于2007年12月—2008年6月完成，露天矿坑底位置降段至963 m水平，采煤工作面延深了2个采煤台阶，并且在坑底建设了水塘和水泵房。降段过程中仅降段区增加超过250万t的采掘储量，降段工程为布沼坝露天矿带来了良好的经济效益[6-7]。

2008年至今，布沼坝露天矿受采场西帮边坡滑坡的影响，接近10 a未进行降段工程。根据布沼坝露天矿开采现状，南帮工作帮上部表土和泥灰岩层超前剥离加速，煤层整体向南倾斜，煤层底板标高逐渐降低，随着南帮采剥工作面推进，煤台阶将减少，且东部工作帮逐渐到界，露煤量紧张已经严重影响到采剥生产正常接续。目前，矿坑内的可采区域越来越小，工作线长度严重受限，近两年的剥采比一直维持在2.2～2.6 m3/t，居高不下。根据近几年的市场行情，布沼坝露天矿的年产量维持在600万t左右，并且有小幅度的上扬。目前，布沼坝露天矿的剥采比不合理，剥离量较大、采煤量较小。为确保矿山产量和经济效益，有效控制西帮滑坡体清帮减载及资源回收期间剥采比及露天矿生产能力接续，开辟新的采煤台阶势在必行[8-9]。

2 降段位置的选择

降段工程是露天矿生产接续的关键工程，其工程位置的选择、工程质量直接影响到新的开采水平的准备。从布沼坝露天矿坑底采场空间分布情况以及煤层底板延深方向可知，以坑底蓄水池为界，坑底降段施工位置可分以下几种情况：

1）蓄水池以北位置已开采至煤层底板，该位置降段会影响北帮边坡上部区域的安全及西帮滑体的稳定；

2）蓄水池以西位置为西帮清帮减载滑体，在滑体未清理完毕之前，不具备降段的条件；

3）蓄水池以东坑底位置地势平坦，台阶整齐，煤层倾向与东帮工作线垂直，且蓄水池位置处于煤层底板坚硬灰岩背斜脊线处，东帮与西帮滑体正好处于背斜两翼，采场东帮下部煤台阶与西帮不存在力学联系，东帮降段对于西帮稳定性不会产生影响。从北帮延伸下来的山脊线将采场底板地形划分为东、西2个区域。西侧区域底板从西北向东南延伸逐级下降，并且有明显的下降平台。东侧区域底板向东逐渐下降。而目前北帮脊线位置在采场范围内已经基本揭露出来，只有在集水坑往南的位置未完全揭露，该区域还有10 m左右的煤层。由于北帮山脊线位置属于强度较大的基岩，其结构上的支撑和阻挡可以很好的抑制西北变形区向东发展。而且东帮降段不会通过基底向西帮传递牵引下滑力，这一点可以通过集水坑东南侧的监测点位移数据及矢量变形方向来验证。基于这种地形条件和基底岩体的强度优势，建议在东帮970 m水平进行率先降段。

4）蓄水池东北位置，即东帮北侧位置，由于地表台阶比较杂乱，且存在部分复杂煤台阶，因选采及台阶平整需要，故不适合近期降段。并且，该处随着煤层底板标高的下降，煤硫分逐渐增高，市场需求量较小，因此，可根据平整时间以及市场需求的变化，以及东帮南侧降段施工进程，后期进行降段工程。

5）蓄水池以南位置沿工作线推进方向，煤层底板标高逐渐降低，整体倾向向南，满足降段的基本要求。但对于西帮滑体而言，采场西南部的边帮对滑体起到一定的支撑作用，坡角的降段开挖会降低支撑体的抗滑力，破坏原有的地应力平衡状态，对西帮边坡安全稳定构成威胁。故按照现状条件，现阶段不建议在南帮西部实施全贯通降段工程，可根据西帮清方减载及资源回收工程的施工进度，设定南帮降段安全警戒线，待西帮边坡稳定系数提高，条件成熟后，再进一步进行降段及扩帮工程。

综上所述，根据采场的空间限制和煤层赋存形态，采场西帮和北帮不具备降段条件，最有利的降段区域为采场东南方向，如图1中A区域所示。随着西帮滑体清帮工程及东北帮采煤台阶的推移，降段后的工作面再继续向西往B区域及向北往C区域扩帮，最终形成东帮和南帮L型降段采煤工作面。

图1 降段区域平面位置图

3 南帮降段工程关键位置确定及安全性评价

布沼坝露天矿通过实施清方减载方案，对西帮边坡进行了大规模的治理，边坡变形速率逐渐降低，总体变形趋势由治理前的加速变形降低为蠕动变形，西帮治理取得了良好的效果。目前，西帮采煤工作已经恢复，西帮年产量可达到1.0 Mt，大大缓解了整个露天矿的产煤压力。但西帮变形面积大，潜在滑区面积广，体积大，安全等级高，对西帮的稳定性仍要高度重视，不能掉以轻心[10]。

布沼坝露天矿西帮边坡与南帮边坡存在力学联系，南帮边坡的推进有可能诱发西帮的变形加剧，甚至出现滑体复活现象。目前，集水坑往南的975～1 060 m水平为西帮滑体提供了一定程度的支挡作用，同时，还保障着1 070 m水平上的破碎站和404胶带机道的安全。因此，采场下部西南角区域对于西帮稳定性和南帮安全推进具有重要的作用。

南帮为工作帮边坡，在降段推进的过程中，由于整体角度相对较小，因此，其自身稳定性较好。在此主要分析南帮动态推进过程，对于西帮边坡稳定性的影响。即滑体南部部分支挡体取消之后的稳定状态。

西帮滑体总量为1 228 m3，清方减载工程清理了182万m3滑体，目前还存在滑体1 046万m3。根据4个补勘剖面揭露的滑体范围及滑面倾角进行统计，分布在倾斜滑面上的滑体体积为609万m3，分布在水平滑面的滑体体积为437万m3。倾斜滑面上的滑体产生主动下滑力，水平滑面上的滑体提供抗滑力。统计结果显示不同岩性区域的滑体分布情况及相应的特征数据见表1。

表1 西帮滑体范围及滑面倾角统计

根据表1所统计的滑体体积和滑面的长度、倾角等信息，以及所含岩性的物理力学参数等信息，采用剩余推力法计算滑体所产生的下滑力，倾斜滑面上部滑体产生的剩余下滑力为4 755 832 kN，水平滑面上部滑体提供的沿滑体运动方向上的抗滑力为3 690 570 kN，因此，沿滑动方向上的下滑合力为1 065 26 kN。按照滑体与压脚区域的位置关系，建立滑体侧向推力与支撑体的力学模型，滑体压脚力学模型如图2。基于立体几何的基本原理，计算压脚体的顶、底面积、体积计算公式，并由此建立压脚宽度L为压脚体体积、重力之间的函数关系。压脚体重力是抵抗滑体下滑变形的基础力量，因此，根据压脚体的重力产生的抗滑力和粘聚力应大于西帮滑体的剩余下滑力的基本原理建立力学平衡方程，得到了关于压脚体长度L的一元二次方程，求解后得到压脚的安全距离。

图2 滑体压脚力学模型

通过计算，得到不同的压脚体留台水平与安全合理的压脚体长度L之间的函数关系如图3所示。

从图3可以看出，压脚留台的台阶高度越大，所需预留的压脚体长度越小。结合布沼坝露天矿西南角的工程设备布置情况，1 060 m水平布置了剥离半连续破碎站和404胶带机道等重要设备，因此，最高的留台水平定在1 060 m水平，根据计算结果，从1 060 m水平留台，需要预留的安全压脚长度为50.42 m，根据这一分析结果，确定边坡1 060 m水平的留台位置如图4所示。1 060 m水平以下的台阶按照平盘宽度40m，台阶坡面角45°逐个确定位置。

图3 压脚体长度与留台高度的关系曲线

图4 1 060 m水平的留台位置示意图

随着西帮上部的进一步清方减载，滑体的下滑力也不断减小，当清方至1 120 m水平时，滑体的下滑力进一步减小，此时可以进行960 m水平的降段；当西帮清方至1 090 m水平时，可以进行950 m水平的降段。根据西帮清方过程中的结构和南帮降段形成的采场结构进行稳定性分析，得到现状西帮边坡和970 m水平推进时的南帮稳定系数为1.29；西帮清方至1 120 m水平时且南帮降段至960 m水平的稳定系数为1.26；西帮清方至1 070 m水平且南帮降段至950 m水平时的稳定系数为1.21。从分析结果可知，南帮降段过程中采场边坡的稳定状态良好，对于西帮边坡的影响不大，因此，在西帮正常清方减载的过程中进行南帮推进降段，不存在明显的安全问题。

4 结论

1）通过对布沼坝露天矿坑底采场空间分布及煤层赋存形态的分析，对矿区内5种工程位置进行了对比，最终确定了南帮降段的方案。

2）通过建立滑体侧向推力与支撑体的力学模型，利用立体几何的基本原理，计算确定了压脚体的长度和压脚的安全距离。

3）针对西帮安全等级高，失稳潜在危害大的情况，对南帮降段过程中西帮的安全稳定性进行了分析评价。结果显示，南帮降段到960 m水平时，稳定系数为1.26，南帮降段到950 m水平时，稳定系数为1.21。

［1］赵建康，张天文，马明.布沼坝露天矿西帮清方减载设计及实施［J］.露天采矿技术，2014（9）：51-54.

［2］骆中州.露天采矿学（上册）［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1986.

［3］杨荣新.露天采矿学（下册）［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1990.

［4］杨宏，才庆祥，张天文，等.布沼坝露天煤矿剥离工艺优化选择［J］.中国矿业，2010，19（5）：61-63.

［5］罗伟，于成刚，陈树召.在特定条件下半连续工艺组合方式构想［J］.露天采矿技术，2009（1）：25-29.

［6］苏靖，刘胜富，任天贵.深凹露天矿间断连续运输工艺关键技术的研究［J］.有色金属（矿山部分），1997（4）：1-4.

［7］段松亮，车兆学.布沼坝露天煤矿表土剥离采用半连续工艺的研究［J］.露天采矿技术，2008（4）：6-7.

［8］苏靖，刘胜富，任天贵.深凹露天矿间断连续运输工艺关键技术的研究［J］.有色金属（矿山部分），1997（4）：1-4.

［9］杨树才，王喜富，杨荣新.露天开采方案的动态综合优化［J］.中国矿业大学学报，1995，24（3）：80-84.

［10］张天文.小龙潭矿区边坡工程综合治理［J］.露天采矿技术，2000（2）：14-15.

【责任编辑：陈毓】

Feasibility study on south slope descending in Buzhaoba Open-pit M ine

LUO Dajun1,LU Xiang2,HAN Liu2
(1.Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661601,China; 2.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)