摘要
现阶段近水平复合煤层露天矿端帮靠帮回采建设过程中，仍然存在局限，只是研究了下部煤层的回采，对于高位煤层的回采难度较大，研究较少，因此，为了能在近水平复合煤层中进行高位煤层的回采，通过分析宝日希勒露天矿边坡工程地质情况和地层赋存特点，利用FLA
近年来，在“碳中和”背景下梳理分析能源供需变化等情况，发现中国对能源需求量仍在上升，并没有下降趋势。煤炭在中国工业生产、发电以及供暖等方面，一直以来都是最主要的能源之一，且在未来很长一段时间煤炭仍会占据工业生产以及发电产业的主导地位，因此煤炭的高效开发利用技术依旧是能源领域的研究重点。
宝日希勒露天矿为弱层较发育的典型软岩露天
目前，许多学者开展了相关的研究。有限
针对边坡稳定性分析方面：Hu
笔者基于宝日希勒露天矿，分析边坡工程地质情况和地层赋存特点，利用FLA
宝日希勒露天矿地形平坦，是典型的软岩露天矿，且岩石易软化、膨胀和崩解。露天矿采用单斗-卡车间断工艺进行剥离，单斗-汽车-地面半固定破碎站的半连续生产工艺进行采煤，现在采剥工程已进入三采区，实现完全内排，且内排压覆端帮，保证软岩边坡稳定，宝日希勒露天矿境界及采区划分图如
图1 宝日希勒露天矿境界及采区划分图
Fig. 1 Boundary and division map of Baorixile open-pit coal mine
图2 宝日希勒露天矿弱层位置赋存图
Fig. 2 Occurrence map of weak layers in Baorixile open-pit coal mine
图3 典型地质剖面
Fig. 3 Typical geological section
| 地层 | C/kPa | φ/(°) | E/MPa | µ | γ/(kN· |
|---|---|---|---|---|---|
| 粘土 | 2.63 | 15.50 | 19.3 | ||
| 砂砾岩 | 28 | 26.55 | 272 | 0.418 | 19.5 |
| 煤 | 227 | 39.64 | 179 | 0.290 | 13.2 |
| 砂岩 | 26 | 24.19 | 19.4 | ||
| 弱层 | 2.77 | 8.79 |
中国《煤炭法》第三十一条规定，“煤炭生产应当依法在批准的开采范围内进行，不得超越批准的开采范围越界、越层开采”。受矿权界的制约，宝日希勒露天矿靠帮回采方式为上部境界不动，下部境界向外推进，可以增加露天矿煤炭采出量，降低生产剥采比，提高经济效益和煤炭资源回收率。
在宝日希勒露天矿内排压帮基础上，笔者提出了在内排向前推进压帮前的端帮高位煤层靠帮回采方式，并利用内排土场对端帮的支撑效应，提高端帮稳定性，有助于提高回采煤量，1-2煤高位煤层回采方式是分层捣运，通过台阶并段（即将1-2煤采出，使得煤台阶与上一层端帮剥离台阶合并成一个台阶），内排土场追踪压帮，替代原有的煤台阶以保持边坡稳定，回采方式示意图如
图4 1-2煤高位煤层靠帮回采方式示意图
Fig. 4 Schematic diagram of the top coal seam side mining method of 1-2 coal seam
图5 1-2煤高位煤层靠帮回采煤层位置图
Fig. 5 Location map of 1-2 top coal seam near the side of the coal seam mining coal seam
数值分析法主要应用于求解岩土体的应力、应变分布特征及其发展过程。目前应用最广泛的数值分析方法为有限单元法和有限差分法。与有限元方法相比，有限差分法可以更好地考虑岩土体的不连续性，更直观地了解边坡大变形特征，求解速度较快，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，其中最具代表性的软件是FLA
根据水文地质、气候条件、排弃物料的物理力学性质，设备类型、排弃方式、整形绿化以及地形地物等因素，运用极限平衡分析法确定出端帮和内排土场参数，如
| 台阶坡面角/(°) | 台阶高度/m | 平盘宽度/m | |
|---|---|---|---|
| 端帮 | 65 | 15 | 37.5 |
| 内排土场 | 33 | 15 | 50.0 |
为设计宝日希勒露天矿高位煤层靠帮回采方案，结合开采现状，根据端帮和内排土场参数建立内排土场和端帮的FLA
图6 1-2煤高位煤层数值模拟模型图
Fig. 6 Numerical simulation model of 1-2 top coal seam
根据内排土场对端帮边坡提供的抗滑力即为内排土场对端帮边坡的三维支挡效应。在一定内排压帮追踪范围内，边坡存在明显的三维力学效应。为了探究在三维支挡效应的作用条件下高位煤层靠帮回采换填步距对边坡稳定性的影响，根据《煤炭安全规程》，内排土场距离下部煤层采煤工作线的追踪距离不小于50 m，由于下部煤层3-1煤靠帮回采时的追踪距离最小取50 m，依次是50的倍数，且考虑到内排土场整体向前推进，因此，1-2煤高位煤层靠帮回采时的换填步距取值最小不超过50 m；露天矿使用现有设备进行采运排，由于WK-35、WK-10B电铲最小工作平盘宽度不小于40 m，220 t级、110 t级卡车运输道路最小转弯半径为40 m，因此，换填步距控制在40~50 m之间，同时考虑安全因素，使最小换填步距尽量小，综合分析，1-2煤高位煤层靠帮回采时的换填步距最小取40 m，依次是40的倍数，分别建立40、80、120、160、200 m换填步距下的FLA
图7 40 m换填步距时边坡三维模拟图
Fig. 7 Three-dimensional simulation of slope at 40 m replacement step
图8 80 m换填步距时边坡三维模拟图
Fig. 8 Three-dimensional simulation of slope at 80 m replacement step
图9 120 m换填步距时边坡三维模拟图
Fig. 9 Three-dimensional simulation of slope at 120 m replacement step
图10 160 m换填步距时边坡三维模拟图
Fig. 10 Three-dimensional simulation of slope at 160 m replacement step
图11 200 m换填步距时边坡三维模拟图
Fig. 11 Three-dimensional simulation of slope at 200 m replacement step
图
| 换填步距/m | 稳定系数 | 换填步距/m | 稳定系数 |
|---|---|---|---|
| 40 | 1.38 | 160 | 1.09 |
| 80 | 1.35 | 200 | 1.02 |
| 120 | 1.16 |
图12 换填步距与稳定系数关系图
Fig. 12 Relationship between replacement step distance and stability coefficient
计算结果表明，合适的换填步距应在0~120 m，在此范围内支挡效应明显，边坡稳定性高；但是换填步距为120 m时的边坡稳定性系数为1.16，临近于安全储备系数1.15，采煤过程中设备作业及爆破引起的振动会暂时影响边坡稳定性，使边坡稳定性降低10%以上；且换填步距80~120 m之间边坡稳定性下降趋势明显，极不稳定；同时，考虑到不影响内排的跟进及布置设备需要的空间；综合分析，高位煤层靠帮回采换填步距不超过80 m。
高位煤层1-2煤位于端帮中部，根据初设中边坡稳定性分析确定的端帮平盘宽度为37.5 m。煤层厚度大，平均厚度19.08 m，靠帮开采时将煤层上下划分为两层进行作业，第一分层厚度为10 m，剩下的划为第二分层，组合形成一个75 m左右宽，10 m高的回采台阶，此时端帮平台宽度明显不足，要借助于发展到煤台阶底板上的内排土平盘布置设备分步距进行靠帮回采，上下分层的煤均由排土场平盘运出去，进行分层捣运，即煤台阶底板的上一个排土平盘布置道路和捣（利用设备将煤层破碎成小块）、推（利用设备将破碎后的煤推到1-2煤下分层底板上）设备，将1-2煤上分层捣、推至下分层平盘上，在1-2煤底板上的排土平盘布置采装、运输设备进行采运。考虑到边坡安全、不影响内排的跟进及布置设备需要的空间，1-2煤底板上的排土平盘宽度控制在110 m左右，其中30 m为预留的最小运输宽度，0~80 m为高位煤层靠帮换开采填步距宽度，若1-2煤底板上的排土平盘宽度超过110 m，会影响露天矿后续排土平盘的跟进。综上所述，设计的靠帮回采方案确定如下：
1）内排已压帮至1-2煤顶板，在1-2煤底板上的排土平盘宽度设置为110 m，即，将原工作帮及内排土场继续向前推进，确保排土平盘宽度满足要求，如
图13 初始形态示意图
Fig. 13 Schematic diagram of initial shape
2）在煤台阶底板的上一个排土平盘布置道路和捣、推设备，将1-2煤上分层捣、推至下分层平盘上，形成一个100 m左右长、75 m左右宽、10 m高的1-2煤回采台阶，如
图14 1-2煤高位煤层分层捣推形成回采台阶示意图
Fig. 14 Schematic diagram of stoping step formed by layered tamping in 1-2 top coal seam
3）在1-2煤底板上的排土平盘布置采装、运输设备，将1-2煤运输到储煤场，第一阶段1-2煤采完后，此时的1-2煤台阶和相邻上一剥离台阶形成一个煤岩台阶，如
图15 1-2煤高位煤层采出后示意图
Fig. 15 Schematic diagram of 1-2 top coal seam after mining
4）内排台阶快速跟进回填压帮，压覆已采的1-2煤区域，按上述捣推、回采、回填程序循环往复直至靠帮回采1-2煤工程结束，如
图16 1-2煤高位煤层靠帮回采推进示意图
Fig. 16 Schematic diagram of advancing mining of 1-2 top coal seam
宝日希勒露天矿1-2煤端帮长30.8 km，采用此研究方案进行快速靠帮回采，全区靠帮回采可多回收1-2煤2.260×1
1）以宝日希勒露天矿已形成的内排土场压帮为基础，通过利用FLA
2）1-2煤高位煤层靠帮回采方案：内排已压帮至1-2煤顶板，将位于1-2煤底板上的排土平盘宽度设置为110 m，在1-2煤台阶底板的上一个排土平盘布置道路和捣、推设备，将1-2煤上分层捣、推至下分层平盘上，1-2煤底板的排土平盘上布置采装、运输设备，将1-2煤回采台阶的煤炭采运，最后内排台阶快速跟进回填压帮。
3）通过分析靠帮回采高位煤层时的换填步距与边坡稳定性的关系，确定了边坡稳定性控制技术，提出了近水平复合煤层端帮高位煤层靠帮回采方案，该方案全区靠帮回采可多回收1-2煤2.260×1
参考文献
Luo J L, Zhu W T, Xiao C B, et al. Detection of a weak structural stratum and stability analysis of the slope in an intensely weathered open-pit mine[J]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 2021, 861(2): 022044. [百度学术]
田树昆. 宝日希勒露天煤矿软岩边坡稳定性研究[D]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2011. [百度学术]
Tian S K. Research on the stability of soft rock slope in baorixile open pit mine[D]. Fuxin: Liaoning Technical University, 2011. (in Chinese) [百度学术]
张咸恭, 王思敬, 张悼元, 等. 中国工程地质学[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 36-59. [百度学术]
Zhang X G, Wang S J, Zhang Z Y, et al. China engineering geology[M]. Beijing: Science Press, 2000: 36-59.(in Chinese) [百度学术]
Zhong S H, Miao Y J. Research on the influence of weak interlayer in open-pit slope on stability[J]. Advances in Civil Engineering, 2021, 2021(9): 1-9. [百度学术]
杨巨文, 白润才, 于永江, 等. 含弱层岩质边坡自振周期反演试验及数值验证[J]. 煤炭学报, 2015, 40(S1): 69-75. [百度学术]
Yang J W, Bai R C, Yu Y J, et al. Inversion test and numerical verification on natural period of rock slope with weak layers[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(S1): 69-75.(in Chinese) [百度学术]
He M C. Latest progress of soft rock mechanics and engineering in China[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2014, 6(3): 165-179. [百度学术]
郑颖人, 赵尚毅, 邓楚键, 等. 有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用[J]. 中国工程科学, 2006, 8(12): 39-61, 112. [百度学术]
Zheng Y R, Zhao S Y, Deng C J, et al. Development of finite element limit analysis method and its applications in geotechnical engineering[J]. Engineering Science, 2006, 8(12): 39-61, 112.(in Chinese) [百度学术]
Wijesinghe D R, Dyson A, You G, et al. Simultaneous slope design optimisation and stability assessment using a genetic algorithm and a fully automatic image-based analysis[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2022, 46(15): 2868-2892. [百度学术]
Peidong, Su, . Stability prediction and optimal angle of high slope in open-pit mine based on two-dimension limit equilibrium method and three-dimension numerical simulation[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2022, 127: 103151. [百度学术]
曹兰柱, 赵立春, 王东, 等. 含多弱层复合边坡滑坡治理三维数值分析[J]. 中国安全生产科学技术, 2015, 11(6): 102-107. [百度学术]
Cao L Z, Zhao L C, Wang D, et al. Three-dimensional numerical analysis on landslide control of composite slope with multiple weak layers[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(6): 102-107.(in Chinese) [百度学术]
Hu L H, Takahashi A, Kasama K. Effect of spatial variability on stability and failure mechanisms of 3D slope using random limit equilibrium method[J]. Soils and Foundations, 2022, 62(6): 101225. [百度学术]
白润才, 杜涵, 王东, 等. 白音华1号露天矿北帮边坡稳定性分析[J]. 金属矿山, 2017(8): 170-174. [百度学术]
Bai R C, Du H, Wang D, et al. Stability analysis of the north slope of baiyinhua No.1 open-pit mine[J]. Metal Mine, 2017(8): 170-174.(in Chinese) [百度学术]
Ning F, Ji C S, Garmondyu E. et al. Stability analysis of the sliding process of the west slope in Buzhaoba Open-Pit Mine[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, 26(5): 869-875. [百度学术]
韩流. 露天矿时效边坡稳定性分析理论与实验研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2015. [百度学术]
Han L. Theory analysis and experimental research for time-dependent slope stability of surface mine[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2015. (in Chinese) [百度学术]
徐鼎平. 基于三维数值模拟的边坡稳定性分析的整合方法研究[D]. 马鞍山: 马鞍山矿山研究院, 2007. [百度学术]
Xu D P. Study on integration method of slope stability analysis based on three-dimensional numerical simulation[D]. Maanshan: SINOSteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd., 2007. (in Chinese) [百度学术]
Wang Z L, Tian Y, Zhou W, et al. Steep end-slope mining and slope stability of extremely thick inclined coal seam open-pit mine[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2022, 2022(4): 1-9. [百度学术]
刘利杰, 刘智超, 聂忠叶. 基于Vissim仿真模拟的露天煤矿靠帮开采方案优化[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(S1): 114-120. [百度学术]
Liu L J, Liu Z C, Nie Z Y. Optimization of steep-end slope mining plan in open-pit coal mines based on Vissim simulation[J]. China Safety Science Journal, 2021, 31(S1): 114-120. (in Chinese) [百度学术]
马婧佳, 王勇, 黄浩轩, 等. 宝日希勒露天煤矿南帮边坡靠帮开采方案[J]. 煤矿安全, 2021, 52(11): 240-244. [百度学术]
Ma J J, Wang Y, Huang H X, et al. Mining plan for south slope of Baorixile Open-pit Coal Mine[J]. Safety in Coal Mines, 2021, 52(11): 240-244.(in Chinese) [百度学术]
吴多晋, 赵红泽. 高大软岩边坡下开采程序研究[J]. 煤炭工程, 2020, 52(3): 26-30. [百度学术]
Wu D J, Zhao H Z. Study on mining sequence under high soft rock slope[J]. Coal Engineering, 2020, 52(3): 26-30. (in Chinese) [百度学术]
才庆祥, 周伟, 车兆学, 等. 近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究[J]. 中国矿业大学学报, 2007, 36(6): 743-747. [百度学术]
Cai Q X, Zhou W, Che Z X, et al. Research on the mining method and stripping ratio of steep end-slope mining in surface coal mines with flat coal deposit[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2007, 36(6): 743-747.(in Chinese) [百度学术]
周伟, 韩流, 才庆祥. 内排土场对端帮边坡稳定性影响研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2015, 32(4): 671-676. [百度学术]
Zhou W, Han L, Cai Q X. Influence of inner dump on end-slope stability[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2015, 32(4): 671-676.(in Chinese) [百度学术]
吕金星, 舒继森, 韩流, 等. 内排土场对露天矿端帮稳定性的影响[J]. 金属矿山, 2012(3): 45-47. [百度学术]
Lu J X, Shu J S, Han L, et al. Influence of internal dumping on stability of end-slope in open-pits[J]. Metal Mine, 2012(3): 45-47.(in Chinese) [百度学术]
曹博, 李青怡, 汪帅, 等. 近水平复合煤层露天矿非工作帮高位煤层回采方案研究[J/OL]. 煤炭科学技术(2022-08-29)[2022-09-03]. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C45S0n9fL2suRadTyEVl2pW9UrhTDCdPD64qs7f09ap5B7mleO6jGO2Sh31SgevYLwSxXji0ddeUMtgXPNTXtp6A&uniplatform=NZKPT. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-0675. [百度学术]
Cao B, Li Q Y, Wang S, et al. Study on mining scheme of non-working side high coal seam in near horizontal composite coal seam open-pit mine [J/OL]. Coal Science and Technology(2022-08-29)[2022-09-03]. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-0675.(in Chinese) [百度学术]