一种露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法

1.本发明属于露天开采的技术领域，尤其涉及一种露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法。


背景技术：

2.我国大部分露天矿在生产过程中都会受到剥采比的影响，导致年产量或经济效益不能达到最大化。露天煤矿在对边坡角度进行设计时，大多未考虑采区在开挖与内排过程中，其端帮边坡周期性形成、消失的时间效应，将具备时效性的边坡视为永久服务同样会导致设计的整体边坡角度过于保守。再者，端帮边坡布置的保安平盘和运输平盘的数量过多，且平盘宽度通常超出设计要求，将直接导致边坡角度偏小，造成大量煤炭资源浪费。因此，提高端帮整体边坡角度，对其边坡形态进行合理优化，实施陡边坡开采技术，将成为我国露天煤矿充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益的主要方式。
3.露天煤矿进行边坡形态的设计通常采用静态极限平衡理论进行稳定性计算，将受到采场工作帮与内排土场双重支挡的复杂三维边坡简化为二维边坡问题进行处理，不能全面准确地反映出边坡的三维特性及准确的稳定性状态。


技术实现要素：

4.基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法，实现了整体边坡角度设计后的利益最大化，能够充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
6.本发明提供一种露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
7.s1：分析露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素和潜在的滑坡模式，结合实际生产需求，以确保边坡安全与原煤生产接续为原则，评价各矿端帮陡帮开采的可行性；
8.s2：确定端帮安全储备系数，综合考虑边坡类型、地质条件、各构成部分物理力学指标的掌握程度和潜在滑坡危害程度，确定端帮安全储备系数；
9.s3：确定陡帮开采端帮边坡最终形态，综合考虑端帮回采煤量和边坡稳定性，设计符合露天煤矿生产要求的陡帮开采方案，选取典型的工程地质剖面，计算陡帮开采后的边坡稳定系数为f
s1
，当f
s1
≥1.2时，可直接进行陡帮开采，当f
s1
＜1.2时，需进行下一步分析；
10.s4：利用flac3d数值模拟为研究手段，建立三维数值模型分析不同追踪距离下端帮边坡变形破坏规律与边坡稳定系数f
s2
的变化特征；
11.s5：确定内排追踪距离，边坡稳定性系数随内排追踪距离的增加而减小，根据步骤s3的分析结果，在f
s2
≥1.2的情况下，确定最佳内排追踪距离，实行陡帮开采。
12.可选的，在步骤s1中，陡帮开采可行性分析为分析露天煤矿的边坡工程地质条件和稳定性；露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素有岩石的矿物组成、岩体中的地质结构面、水、震动、构造应力、采矿工程活动、风化、形态以及暴露时间中的一种或几种；
13.潜在的滑坡模式为圆弧滑动、平面滑动、楔体滑动以及组合滑动。
14.进一步的，在步骤s2中，各构成部分物理力学指标的掌握程度为对各构成部分的岩土体进行力学实验，得到端帮边坡岩土体的物理力学指标。
15.可选的，在步骤s3中，典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿端帮边坡状态的工程地质剖面。
16.露天矿端帮边坡形态取决于其上运输平台和保安平台的布置方式及平台参数，在保证端帮边坡稳定的前提下，可通过调整运输平台和保安平台的布置方式及平台宽度来优化边坡形态，提高端帮边坡角。在对露天矿原设计端帮边坡稳定性分析的基础上，对端帮陡帮开采的边坡形态进行了优化，并通过对端帮内排追踪压帮陡帮开采边坡三维数值模拟分析，确定了内排压帮追踪距离与边坡稳定系数的关系，合理的内排压帮追踪距离可控制边坡稳定。
17.由上，本发明的露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法充分考虑了露天煤矿端帮边坡受到采场与内排土场双重支档的三维特性。通过二维边坡分析方法判断无法进行陡帮开采的边坡有了进的开采方法，实现了整体边坡角度设计后的利益最大化，能够充分回收煤炭资源、降低生产剥采比、提高经济效益。
18.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
20.图1为本发明的露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法的流程图；
21.图2为本发明实施例端帮陡帮前最危险滑面及稳定系数图。
22.图3为本发明实施例端帮三维数值模型示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
24.如图1至图3所示，本发明的露天煤矿陡帮开采的端帮边坡稳定性分析方法结合边坡的时效性和三维支撑效应，使计算结果更加精准，包括以下步骤：
25.步骤一：分析露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素和潜在的滑坡模式，结合实际生产需求，以确保边坡安全与原煤生产接续为原则，评价各矿端帮陡帮开采的可行性。其中，陡帮开采可行性分析为分析露天煤矿的边坡工程地质条件和稳定性。露天煤矿端帮边坡的稳定性影响因素有岩石的矿物组成、岩体中的地质结构面、水、震动、构造应力、采矿工程活动、风化、形态以及暴露时间中的一种或几种。所述的潜在的滑坡模式为圆弧滑动、平面滑动、楔体滑动以及组合滑动。
26.步骤二：确定端帮安全储备系数，综合考虑边坡类型、地质条件、各构成部分物理
力学指标的掌握程度和潜在滑坡危害程度，确定端帮安全储备系数为s。各构成部分物理力学指标的掌握程度为对各构成部分的岩土体进行力学实验，得到端帮边坡岩土体的物理力学指标。
27.步骤三：确定陡帮开采端帮边坡最终形态，综合考虑端帮回采煤量和边坡稳定性，设计符合露天煤矿生产要求的陡帮开采方案，选取典型的工程地质剖面，计算陡帮开采后的边坡稳定系数为f
s1
。当f
s1
≥1.2时，可直接进行陡帮开采，当f
s1
＜1.2时，需进行下一步分析。典型的工程地质剖面为能够真实反应露天煤矿端帮边坡状态的工程地质剖面。
28.步骤四：三维稳定性分析，端帮边坡稳定性除受开挖位置与断面形态影响外，还受到采场工作帮与内排土场的双重支挡作用，因而二者间的追踪距离就成为影响端帮边坡三维稳定性的重要因素。利用flac3d数值模拟为研究手段，建立三维数值模型分析不同追踪距离下端帮边坡变形破坏规律与边坡稳定系数f
s2
的变化特征。
29.步骤五：确定内排追踪距离，一般规律为边坡稳定性系数随内排追踪距离的增加而减小，根据步骤三的分析结果，在f
s2
≥1.2的情况下，确定最佳内排追踪距离，实行陡帮开采。
30.实施例：安太堡露天矿位于宁武煤田的北部，地表大部分被新生界地层覆盖。本区主要可采煤层为4、9、11煤层，4煤层位于太原组顶部，4
‑
9煤层间距为25.35m～61.11m，平均厚度为47.14m，9
‑
11煤层间距为1.90m～13.36m，平均为9.41m。该矿属于近水平煤层露天矿，采用分区开采内排压帮开采程序，内排土场与采场追踪发展，端帮边坡暴露面积和存在时间相对较小。对于类似安太堡露天矿区这样的边坡工程地质条件来说，按照时效边坡理论，其端帮最终帮坡角存在一定的调整余地。
31.根据安太堡露天矿端帮边坡工程地质特征，选择用morgenstern
‑
price法对安太堡露天矿端帮边坡进行稳定性分析评价。安太堡露天矿东端帮原设计边坡稳定系数fs均满足安全储备系数1.2要求，从边坡安全角度分析，均具备适当提高端帮帮坡角，实施陡帮开采的条件。
32.根据各煤层在端帮赋存位置，结合端帮最终边帮构成要素、到界台阶平盘功能，本着安全、经济、高效回收端帮压覆煤炭资源的原则，提出陡帮开采方案并通过陡帮开采方对陡帮边坡进行稳定性分析。结果显示，当剥采工程降深至11煤底板时，陡帮各剖面降深至不同位置时的边坡稳定系数都满足fs>1，但个别剖面当滑面出口位于11煤底板时fs<1.2。
33.利用内排压帮产生的三维效应，使边坡稳定系数fs≥1.2，确保陡帮开采过程中的边坡安全。利用flac3d数值模拟为研究手段，在排土工作帮、采场工作帮与东端帮边坡角已知的条件下，建立安太堡东端帮内排追踪压帮三维数值模型，分析追踪距离50m、75m与100m情况下东端帮边坡变形破坏规律与边坡稳定系数变化特征。结果表示，3种不同内排追踪距离条件下的边坡稳定性系数都能满足工程需要，当内排追踪距离为50m时，东端帮边坡稳定性系数为1.38；追踪距离为75m时，边坡稳定性系数为1.35；追踪距离为100m时，边坡稳定性系数为1.32。
34.实施内排追踪距离对提高安太堡东端帮边坡稳定性具有显著作用。边坡稳定性系数随内排追踪距离的增加而减小，内排追踪距离在100m范围内时，可控制边坡稳定。
35.以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可
以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。