一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属露天开采领域，特别涉及一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方 法。
【背景技术】
[0002] 对于露天矿高大采场，设计合理的边坡形态是关系到露天矿山安全生产和经济效 益的重要因素之一。在以往的工程实践中，广泛采用二维极限平衡法对露天采场边坡形态 进行设计，边坡的断面形态多为直线型，少量表土厚度较大的边坡断面形态为双折线形。该 种方法通常只考虑整体边坡的稳定性，使其满足一定的安全储备系数。
[0003] 顺倾层状边坡是指地层倾向边坡面的层状结构边坡，易沿顺倾层面发生滑坡，是 边坡工程领域研究的重要类型之一。对于含多个顺倾弱层的复合煤层露天矿，非工作帮顺 倾层状边坡的变形破坏模式受到各煤层顶、底板弱层的控制，潜在滑坡模式主要受控于出 露于边坡面的各个弱层，并且各个弱层的形态及其与上一弱层间的岩性条件往往存在一定 的差异。以往的边坡工程设计方法不考虑不同埋深地层的岩性条件和各弱层在发育形态上 的差异，无法实现对复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态的优化设计，往往造成未降深至坑 底时就沿浅部弱层发生滑坡，给露天矿安全生产造成了较大威胁，有时也会造成局部边坡 设计偏于保守，影响露天矿经济效益。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方 法，具体步骤如下：
[0005] 步骤1、获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角；
[0006] 步骤2、设复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有若干个弱层，自上而下编号，以 各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段；
[0007] 步骤3、确定边坡的安全储备系数K;
[0008] 步骤4、自上而下逐阶段进行边坡形态设计：逐阶段确定平盘宽度，使各阶段的边 坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于〇. 01并满足验算条件，此时对应的各阶 段的平盘宽度作为边坡形态设计结果，所述验算条件是当前弱层以上边坡的整体稳定系数 满足安全储备系数要求；
[0009] 步骤4. 1、初步确定阶段i的平盘宽度；
[0010] 步骤4. 2、根据Bishop法和剩余推力法计算得出当前阶段的边坡稳定系数Fs，若 边坡稳定系数Fs小于安全储备系数K，则逐步增大平盘宽度；若边坡稳定系数F3大于安全 储备系数K，则逐步减小平盘宽度，直至|FS-K| < 0.01，此时对应的平盘宽度为设计的阶段 i的平盘宽度；
[0011] 步骤4. 3、验算弱层i以上边坡的整体稳定系数是否满足安全储备系数要求，所述 安全储备系数要求即当前阶段边坡稳定系数大于等于安全储备系数与0. 01之差，若满足 要求，则返回步骤4. 1，确定阶段i+1的平盘宽度，否则逐步增大阶段i与阶段i-1之间第一 个台阶的平盘宽度，使其满足安全储备系数要求，再返回步骤4. 1，确定阶段i+1的平盘宽 度。
[0012] 有益效果：
[0013] 本发明考虑到不同弱层赋存位置、发育形态对复合煤层露天矿顺倾层状边坡滑坡 模式的影响，并结合露天采场自上而下逐水平形成的特点，提出一种复合煤层露天矿顺倾 层状边坡形态设计方法，该方法设计的边坡形态可有效防止滑坡，并可确保最大限度回收 资源，实现经济效益最大化。
【附图说明】
[0014] 图1为一种复合煤层露天矿顺倾层状边坡示意图；
[0015] 图2为本发明【具体实施方式】的一种煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法的一 种实施例的优化结果，其中1是1 _1煤，2是1_2煤，3是2_1中下煤，4是2_2煤，5是3_1 煤，6是3-2煤，7是3-3煤，8为设计后边坡形态；
[0016]图3为本发明【具体实施方式】的一种煤层露天矿顺倾层状边坡形态设计方法的的 流程图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。某露天矿一顺倾层状边坡， 其地层自下而上由白垩系、第三系、第四系地层组成。其中，白垩系地层以泥岩、泥质砂岩 为主，为层状结构；第三系地层以红粘土为主，半固结状态；第四系以细砂、中砂为主，结构 松散。边坡内软弱夹层较为发育，在第三系底板存在粘土弱层，在2巾 7煤顶板、3-1煤顶板、 3-3煤顶板均存在泥岩弱层，弱层大都顺倾，软弱夹层的存在会大大削弱岩体的力学性质及 其稳定性。各地层岩体的物理力学指标见表1。
[0018] 表1岩体物理力学指标
[0019]
[0020] 具体实施步骤如下，如图3所示：
[0021] 步骤1、获取复合煤层露天矿顺倾层状边坡台阶高度及坡面角。
[0022] 步骤2、设复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有若干个弱层，自上而下编号，以 各弱层为界限，将边坡自上而下分为若干阶段，如图1所示，其中1为阶段1，Ri为弱层1， J2为阶段2,R2为弱层2,Ji为阶段i，Ri为弱层i，Jni为阶段n-1，Rni为弱层n-1，Jn为阶 段n，Rn为弱层n，a为边坡稳定系数小于安全储备系数时的平盘宽度，b为边坡稳定系数等 于安全储备系数时的平盘宽度，C为边坡稳定系数大于安全储备系数时的平盘宽度。
[0023] 该实施例中，复合煤层露天矿顺倾层状边坡坡体内有4个弱层，自上而下编号为 &，R2,R3,R4，以弱层为界限，将边坡自上而下分为上，J2,J3,J4，弱层1上部边坡为阶段1，弱 层1和弱层2之间的边坡为阶段2,弱层2和弱层3之间的边坡为阶段3,弱层3和弱层4 之间的边坡为阶段4,如图2所示，1为阶段1，J2为阶段2,J3为阶段3,J4为阶段4,R:为 弱层1，R2为弱层2,R3为弱层3,R4为弱层4。
[0024] 步骤3、确定边坡的安全储备系数K。
[0025] 该边坡为非工作帮，服务年限小于10年，地面无重要设施。根据《煤炭工业露天矿 设计规范》，确定其安全储备系数K= 1. 20。
[0026] 步骤4、自上而下逐阶段进行边坡形态设计：逐阶段确定平盘宽度，使各阶段的边 坡稳定系数与安全储备系数之差的绝对值不大于〇. 01并满足验算条件，此时对应的各阶 段的平盘宽度作为边坡形态设计结果，所述验算条件是当前弱层以上边坡的整体稳定系数 满足安全储备系数要求。
[0027] 设计露天矿边坡形态时，台阶高度及坡面角往往是已知的，边坡形态仅与各台阶 的平盘宽度相关，因此从边坡的稳定性出发，逐阶段确定各个台阶的平盘宽度即可实现对 整体边坡形态的设计。
[0028] 令任一阶段边坡平盘宽度为B，Fs为边坡的稳定系数，K为边坡安全储备系数，并 作如下假设：
[0029]
式中：a为小于b的任意值，c为大于b的任意值。
[0030] 步骤4. 1