季节性冻土区端帮条带式二次靠帮开采方法_佘长超.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 季节性冻土区端帮条带式二次靠帮开采方法 佘长超 1， 吴云飞1， 杨国宇2， 黄月军1， 石广洋1， 韩 流 2 （1.神华北电胜利能源有限公司， 内蒙古 锡林浩特 026000； 2.中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116） 摘要 为了充分利用边坡临空面土体的季节性冻融强度差异以提高端帮残煤回收率， 采用剪 切面微观结构模型分析了冻土抗剪强度的提升机理， 提出了在冻结期进行二次靠帮开采的 2 种 条带式开采方法， 设计了最佳条带宽度分析流程； 对胜利西一号露天矿南端帮进行了实例研究。 结果表明 南端帮非冻期和冻结期的稳定系数分别为 1.06 和 1.14， 可在冻结期进行二次靠帮开 采， 最佳条带宽度为 60 m； 二次靠帮开采实现了南端帮边坡角从 30提升到 33， 回收端帮残煤 17.15 万 t； 季节性冻土区实施条带式二次靠帮开采， 可以在保证边坡安全的同时进一步提高资 源回采率。 关键词 端帮稳定性； 靠帮开采； 季节性冻土； 条带式开采； 数值模拟 中图分类号 TD824.5文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0101-05 Strips Secondary Steep Mining for End-slope of Seasonally Frozen Soil Area SHE Changchao1, WU Yunfei1, YANG Guoyu2, HUANG Yuejun1, SHI Guangyang1, HAN Liu2 （1.Shenhua Beidian Shengli Energy Co., Ltd., Xilinhot 026000, China;2.School of Mines, China University of Mining steep mining; seasonally frozen soil; strip mining; numerical simulation 在露天煤矿中， 常因帮坡角设计偏小， 造成端帮 压煤量过多[1]。为了提高煤炭资源回收率和经济效 益， 广泛采用靠帮开采技术回收端帮压煤[2]。但受安 全因素限制，只能开采部分端帮压煤。我国是世界 第三冻土大国， 43的地区处于寒冷地区， 这其中又 有 70的地区属于典型的冬季冻结-夏季融化的季 节性冻土区[3]。我国多数大型露天煤矿地处北方季 节性冻土区域，当进入冻期后，露天煤矿台阶坡面 形成季节性冻土， 冻深最大可达 1～3 m[4-5]。由于岩、 土体冻结后硬度增大，造成了煤炭上覆岩层剥离困 难，同时也在一定程度上提高了边坡的稳定性。为 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.020. 佘长超， 吴云飞， 杨国宇， 等.季节性冻土区端帮条带式二次靠帮开采方法 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 101-105. SHE Changchao, WU Yunfei, YANG Guoyu, et al. Strips Secondary Steep Mining for End-slope of Seasonally Frozen Soil Area［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 101-105.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0501103） ； 国家 自然科学基金青年科学基金资助项目 （51804298） ； 国家自然科学 基金面上资助项目 （51774271） 101 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 此利用在冻期岩层硬度增大和边坡稳定性提高的特 点，在冻期安全地进行端帮二次靠帮开采作业， 从 而进一步扩大端帮煤炭资源的回收量。 1端帮靠帮开采方法 基于时效边坡理论的靠帮开采广泛应用在露天 煤矿中[6]， 提高了工作线推进强度和内排土场台阶 高度， 减小了端帮边坡暴露时间[7]。条分式靠帮开采 方法有效提高了边坡稳定性，实现了端帮易滑区靠 帮开采[8]。 在季节性冻土区， 进入冻期后， 露天煤矿裸露台 阶及坡面冻结，形成季节性冻土。冻土与天然土最 本质的区别是冻土中冰的存在，一般情况下天然土 是三相体系， 而冻土是四相体系[9]。由于冰的存在， 冻土剪切面上的微观结构发生变化[10]， 抗剪强度也 随之变化且冻土的强度往往大于其对应的天然土强 度和冰强度之和[11]。而影响土坡稳定的关键因素即 为土的抗剪强度[12]， 土抗剪强度的主要依据为黏聚 力和内摩擦角。以胜利矿区地表土为例，冻结前黏 聚力为 24.3 kPa， 内摩擦角为 20.92， 冻结后黏聚力 33.2 kPa， 内摩擦角为 18.93， 土冻结后黏聚力提高 了 36.6， 而内摩擦角略有减小。 冻土和天然土的结 构图如图 1。 冻土区端帮边坡结构如图 2。裸露台阶及坡面 形成季节性冻土后硬度增大，能起到一定的支承与 护坡作用， 在一定程度上提升了边坡稳定性。此时， 可对端帮边坡进行二次靠帮开采 （图 2 （a） ） 。 但形成 季节性冻土后硬度增大的同时也产生了挖掘机剥离 困难的问题。若对冻土进行爆破，则存在着松动成 本高，边坡安全隐患大的问题。如何在满足边坡安 全要求的前提下，降低剥采比的同时提高煤炭资源 回收率成为季节性冻土区端帮二次靠帮开采的关 键。故提出条带式二次靠帮开采方法，避免剥离煤 层上覆岩层的同时尽可能多地回收残煤 （图 2 （b） ） ， 在理论分析的基础上结合数值模拟确定最佳的条带 参数。 2季节性冻土区条带式二次靠帮开采方法 在满足边坡安全要求的前提下，季节性冻土区 条带式二次靠帮开采改变了以往的靠帮开采方式， 避免了剥离坚硬的上覆岩层。根据推进方向的不 同，提出了垂直端帮走向和平行端帮走向 2 种条带 式二次靠帮开采方式。条带式靠帮开采方法示意图 如图 3。 1） 垂直端帮走向条带式二次靠帮开采。在冻土 区进行二次靠帮开采时，按照垂直于边坡走向将煤 层台阶分为若干个条带 （图 3 （a） ） 。 在第 1 阶段开采 时， 间隔开采部分条带煤层， 留设保护条带， 依靠保 护条带及台阶坡面冻结层，保证第 1 阶段的边坡稳 定性； 第 1 阶段开采后， 待新暴露出的煤层表面冻结 至一定深度，足以支撑第 2 阶段开采时的边坡稳定 时， 再进行第 2 阶段的开采。 2） 平行端帮走向条带式二次靠帮开采。在冻土 区进行二次靠帮开采时，按照平行于边坡方向将煤 层台阶分为 2 个条带 （图 3 （b） ） 。在第 1 阶段开采 时， 开采边缘条带煤层， 留设保护条带， 依靠保护条 带及台阶坡面冻结层， 保证第 1 阶段的边坡稳定性； 但没有新的冻结层为第 2 阶段开采的稳定性提供保 证，使得边坡坡脚始终属于高风险滑坡位置。因此 相比于垂直于端帮走向的开采方式，这种方式虽工 艺简单， 但边坡稳定性较差。 3） 条带宽度的确定。条带式二次靠帮开采的关 键是确定经济合理的条带宽度，在边坡满足安全要 求的前提下， 提高设备作业效率。 通过 FLAC3D模拟， 按一定的差值调整条带宽度，计算出其对应的 2 阶 段开采后稳定系数并比较得出最佳条带宽度，条带 宽度确定方案流程如图 4。 图 1冻土和天然土的结构图 Fig.1Structure of frozen soil and natural soil 图 2冻土区端帮边坡结构 Fig.2Structure of end-slope in frozen soil area 102 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 1南端帮地层和地质参数 Table 1Stratum and geological parameters of southern end-slope 第四系1824 泥岩2022 5煤4027 粉砂岩5025 6煤4027 岩层 天然状态 黏聚力 /kPa 内摩擦角 / （ ） 28 31 52 65 52 22 21 26.5 25 26.5 密度 / （t m-3） 1.65 1.93 1.38 2.03 1.38 冻结状态 黏聚力 /kPa 内摩擦角 / （ ） 3实例研究 胜利西一号露天煤矿位于内蒙古锡林浩特市北 郊 6 km， 矿区多年平均气温 1.7 ℃， 气温-25 ℃以下 平均每年发生 40.15 d。 从 10 月初开始冻结， 于翌年 4 月中旬解冻， 最大冻土深度可达 2.40 m。 胜利西一 号露天煤矿南端帮的整体边坡高度 150 m，经靠帮 开采后边坡角为 30。南端帮边坡岩层类型和地质 参数见表 1。 3.1最佳条带宽度 根据已有的地质参数资料，考虑到冻深发展速 度和作业时间节点， 表土层无法达到最大冻结深度， 为保证模拟结果的准确性， 取冻土深度为 1.5 m， 在 FLAC3D中建立模型。非冻期时，边坡稳定系数为 1.06， 进入冻期后， 端帮边坡台阶坡面形成冻结层， 此时边坡稳定系数提高至 1.14。采用垂直于端帮走 向的条带式二次靠帮开采方式避免剥离煤层上覆岩 图 3条带式靠帮开采方法示意图 Fig.3Sketch maps of strips steep mining 图 4条带宽度确定方案流程 Fig.1Flow chart for scheme of strips width 103 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 7端帮边坡特征节点 x 方向位移曲线 Fig.7x-direction displacement curves of end-slope characteristic node 层的同时尽可能多回收残煤。不同的条带宽度与其 对应的 2 个阶段稳定系数如图 5。 由图 5 可知， 在进入冻期后， 按照一定宽度的条 带进行二次靠帮开采，利用保护条带支承作用和岩 层表面冻结层强度提升的效果，可以较好地保证端 帮稳定。在 2 个阶段开采后， 随着条带宽度的增大， 稳定系数均呈下降趋势。第 2 阶段稳定系数的下降 速度大于第 1 阶段。结合技术及经济因素考虑， 确 定采用 60 m 宽的条带进行二次靠帮开采。 3.2分析结果评价 根据边坡的岩层岩性， 在 FLAC3D中建立边坡模 型。按最终确定的 60 m 宽的条带进行第 1 阶段开 采后， 计算得稳定系数 Fs1＝1.10； 预留一定的暴露煤 层冻结时间,进行第 2 阶段开采后， 计算得稳定系数 Fs2＝1.03。 2 个阶段开采后， 边坡角由 30提升至 33。 2 个阶段开采后端帮边坡 x 方向位移云图如图 6；采后边坡特征节点 x 方向位移曲线如图 7。图 7 中 A 为第 1 阶段开采后暴露煤层坡顶特征点， B 为 第 2 阶段开采后新暴露煤层台阶坡顶特征点， C 为 与 B 点对应的保护条带煤层坡顶特征点。 图 6 反映了 2 个阶段开采后端帮边坡在 x 方向 的位移情况，在第 1 阶段开采后，位移量在煤层台 阶坡顶线位置最大， x 方向最大位移达到了 0.47 m。 这是因为部分条带被开采后，使得边坡下部煤层压 脚作用减弱， 更容易从下部滑出， 而留有的保护条带 起到了一定的支挡作用， 故图 6 （a） 位移分布呈现出 缺齿形； 在第 2 阶段开采后， 煤层台阶坡底线向内收 回， 与上部台阶合并成为新台阶， 在新台阶坡面位置 位移量最大， x 方向最大位移达到了 1.2 m。 从图 7 中可以看出， A、 B 点在 2 次开挖过程后 均不断向采场移动，第 2 阶段开采后位移量均大于 第 1 阶段开采后位移量， 这是因为相较于第 1 阶段， 第 2 阶段开采后失去了保护条带的支挡，引起了台 阶边坡位移量的增大； C 点位于保护条带坡顶线， 第 1 阶段开采后位移量很小，说明保护条带起到了很 好的支挡作用， B 点第 1 阶段开采后的位移量小于 A 点也说明了保护条带较好的支挡作用。C 点所处 的保护条带于第 2 阶段被开采， 故 C 点无第 2 阶段 开采后位移。B 点第 2 阶段开采后的位移量大于 A 点，这是因为此时第 1 阶段开采后暴露的煤层表面 已产生冻结层， 起到了一定的支承作用。 3.3 开采方案及经济效益 通过对胜利西一号露天矿南端帮边坡进行条带 式二次靠帮开采的数值模拟及稳定性分析，确定最 佳条带宽度为 60 m。 胜利西一号露天矿目前所用的 工作设备为 WK-35 型电铲，其最大挖掘半径为 24 图 5不同条带宽度对应的稳定系数 Fig.5Stability factors corresponding to different strips widths 图 62 个阶段开采后端帮边坡 x 方向位移云图 Fig.6x-direction displacement of end-slope 104 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 m， 最大卸载半径为 20.9 m， 所需作业宽度小于 60 m。故可实行垂直边坡走向的条带式二次靠帮开采 方案。胜利西一号露天矿南端帮可采煤层厚度为 10 m，实行条带式二次靠帮开采方案后，以 350 m 的可采长度计算， 可回收压煤 17.15 万 t。 以 130 元/t 的市场价格计算， 可创造 2 229.5 万元的经济价值。 4结语 1） 冰的存在使冻土剪切面上的微观结构发生变 化，抗剪强度增大。已靠帮开采过的端帮边坡由于 台阶坡面形成冻结层，稳定性得到提升，可以进行 二次靠帮开采回收端帮压煤。 2 ） 通过理论分析， 提出了 2 种条带式二次靠帮 开采方式，并确定了最佳条带宽度分析流程，得出 胜利西一号露天矿南端帮最佳条带宽度为 60 m。 3） 南端帮非冻期时边坡稳定系数为 1.06， 进入 冻期后边坡稳定系数提高至 1.14。对南端帮进行条 带式二次靠帮开采模拟分析，南端帮边坡角从 30 提升至 33，边坡稳定系数为 1.03，回收端帮压煤 17.15 万 t， 创造了 2 229.5 万元的经济价值。 参考文献 ［1］ 杨荣新.露天采矿学 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 1990. ［2］ 吴榕真， 尚涛， 韩流， 等.准东煤矿靠帮开采南端帮稳 定性动态分析 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （1） 231-233. ［3］ 周幼吾， 邱国庆， 程国栋， 等.中国冻土 ［M］ .北京 科学 出版社， 2000. ［4］ 陈博， 李建平.近 50 年来中国季节性冻土与短时冻土 的时空变化特征 ［J］ .大气科学， 2008 （3） 432-443. ［5］ 夏才初， 吕志涛， 黄继辉， 等.寒区隧道围岩最大冻结 深度计算的半解析方法 ［J］ .岩土力学， 2018， 39 （6） 2145-2154. ［6］ 才庆祥， 周伟， 车兆学， 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