元宝山露天矿非工作帮残采方案研究.pdf

分类号T D 8 2 4 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 S ￡h ￡m ；嘶￡．S 如嘎建X ．Q A ．聪0 ．张．№l 量；i 职g ．蹴Q n e ．承￡S i l j I 弧a l - 勇焦i n l e ．．Q ￡⋯。 作者姓名王志鹏 指导教师白润才教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向露天开采理论及技术 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室王程堇本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽室工程撞苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名兰左趟丝 妒H 年6 只心日 导师签名鲶遂因 厂、 V 矽7 P 年‘月“日 l， 致谢 感谢我的导师白润才教授。本论文是在导师白润才教授的悉心关怀和指导下完 成的，在论文的选题、调研、撰写以及定稿的过程中无不凝聚着白老师的辛劳。白 老师为人谦逊，平易近人，治学严谨，对学生的学习态度和思考方式都有着深远的 影响；在研究生期间，白老师对我思路上的启迪、学习上的指导和生活上的关心更 是无微不至；恩师对我的指导和影响之大无以言表，自己取得的点滴成绩无不凝聚 着恩师的心血 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生学院对我培养，是您为我提供学习的 机会和良好的学习环境，使我畅游在知识的海洋中。 感谢露采教研室的曹兰柱教授、宋子岭教授、魏春启教授、王志宏教授、陈鹏 副教授、王东副教授、范军富副教授、赵景昌博士等老师在研究生期间对学生的教 导与帮助 是您们将我带进露天采矿专业的殿堂，是您们教会我专业知识，也是您 们将我培养成一名合格的露采专业毕业生 感谢我的师兄刘光伟博士、曹博博士和刘闯博士，他们严谨的科学作风，精益 求精的工作态度，乐观的生活态度，时刻感染和教育着我，他们无论在学习上，工 作上以及生活中都给予了我很多关怀和帮助 感谢白羽、王喜贤、郑杰、杨俭及露采研1 1 级全体同学，感谢付恩三、王寰 宇、邓超、吴东海、李成盛师弟，感谢你们对我在研究生期间的学习和硕士论文撰 写过程中的帮助与支持 感谢S M C A D 开发团队对我论文撰写中提供的技术支持 感谢在我论文的撰写过程中提供现场数据与资料的元宝山露天矿的有关领导 和技术人员 感谢我的父母及家人，他们的爱是我无限动力的源泉 感谢在百忙之中精心评阅我论文的各位专家和教授 最后，谨向所有辛勤培养我成长的老师们和关心帮助过我的亲人们、同学们致以深深 的谢意 摘要 元宝山露天煤矿受横穿煤田的英金河影响，在开采过程中必须实行改河工程， 才能保证露天矿继续生产。为了减少改河工程投资和征地的费用，降低成本，设计 决定将改河河道位置建立在南帮内排土场上。而元宝山露天煤矿南帮下残留积压着 一定的煤量，为了提高资源回收率，减少资源浪费，增大露天矿经济效益，在内排 土场可以形成改河位置的前提下，需研究南帮下压煤回采的技术问题。论文在边坡 稳定分析的基础上，综合考虑内排土场的建设发展程序、在内排土场上实施改河工 程技术要求、全区生产接续等技术问题，优化确定南帮压煤回采方案。 本文在建立元宝山露天矿三维地质模型的基础上，利用刚体极限平衡法对南帮 陡帮开采后的边坡进行稳定性分析，优化确定南帮到界边坡参数；综合考虑全区产 量接续，工程位置和运输系统衔接，以及改河时间、空间的制约因素，研究设计南 帮压煤陡帮开采技术方案，制定南帮内排土场排弃计划；利用模拟开采技术编制了 压煤回采、剥离物内排工程的实施计划。本文研究成果对元宝山露天矿长远规划具 有指导意义，并可为类似矿山提供借鉴。 关键词露天矿；边帮压煤回采；边坡稳定；内排；工程接续 A b s t r a c t Y u a n b a o s h a no p e n - p i tm i n ea f 佗c t e db yt h eY i n 西i nr i v e rw h i c hi sa c r o s st h e d e p o s i t ， i no r d e rt oe n s u r et h ec o n t i n u e dp r o d u c t i o no fo p e n - p i tm i n e ， i tm u s t i m p l e m e n tt o r i V e re n g i n e e r i n gi nt h ep r o c e s so fe x p l o i t a t i o n ．I no r d e rt or e d u c e t h ec h a n g er i V e r p r o je c ti n V e s t m e n ta n dl a n da c q u i s i t i o nc o s t s， t h e c h a n g er i v e r p o s i t i o nw i l le s t a b l i s ht h ei n n e rd u m po ft h es o u t hw a l l ．W h i l eac e r t a i na m o u n to fc o a l u n d e rt h es o u t hw a l lo fy u a n b a o s h a no p e n - p i tm i n e ，I no r d e rt oi m p r o V et h er e c o V e r y r a t eo fr e s o u r c e s ， r e d u c et h ew a s t eo fr e s o u r c e s ， i n c r e a s i n gt h ee c o n o m i cb e n e n t o fo p e np i tm i n e ， i tn e e dt o s t u d yt h et e c h n i c a lp r o b l e m so ft h es o u t hw a l l c o a l b a c k s t o p p i n g ．T h ep a p e ro nt h eb a s i so fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，i tn e e dt oc o n s i d e rt h e c o n s t r u c t i o na n dd e V e l o p m e n tp r o g r a mo ft h ei n n e rd u m pa n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s o fc h a n g et h er i V e ro nt h ei n n e rd u m p ，c o n s i d e rt h et e c h n i c a lp r o b l e m so ft h ep r o d u c t i o n c o n t i n u e s ，o p t i m i z a t i o nt h es c h e m eo fs o u t hw a l lc o a lb a c k s t o p p i n g ． I nt h i st h e s i s ，i ti sb a s eo nt h e3 Dg e o l o g i c a lm o d e lo fo p e n p i tm i n e ，a n a l y s i so f s l o p es t a b i l i t y a f t e rs t e e p s l o p em i n i n gb yt h er i g i db o d yl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ， d e t e r m i n et h ec i r c l ep a t a m e r e r so ft h es o u t hs o p l e ．C o n s i d e r i n gf o l l o wf o r ma l lt h e p r o d u c t i o na n dt h el o c a t i o no ft h ep r o je c t ，a n dc o n s i d e r i n gt h ec h a n g er i V e rf ．a c t o r so f t i m e 、 s p a c e ，D e s i g nt h es c h e m eo fs o u t hw a l ls t e e ps l o p em i n i n ga n dp r o d u c t i o n p l a n n i n g ，D e s i g nt h e s c h e m eo fs o u t hi n n e r s p o i lb a n k s ． T h es i m u l a t i o no fm i n e t e c h n o l o g yo r g a n i z es t a r t i n gp l a no ft h es o u t hw a l lc o a lb a c k s t o p i n gm i n i n ga n dd u m p ． T h er e s u l t so ft h i ss t u d yp r o V i d e sg u i d a n c ef o rt h el o n gt e r mp l a n n i n go fy u a n b a o s h a n o p e n - p i tm i n e ，a n di tc a np r o V i d er e f e r e n c ef o rs i m i l a rm i n e s ． K e yW o r d s O p e n - p i tm i n e ； C o a lb a c k s t o p p i n g ； S l o p es t a b i l i t y ； I n n e rr o w ； E n g i n e e r i n gc o n t i n u o u s ． I I ． 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 露天矿边帮压煤回采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯3 1 ．2 ．2露天矿边坡稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 ．1研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．2研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．3技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2矿区概况及基础模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1矿区地质条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．1矿区地形与地貌特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2矿区水文条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．3矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．1 ．4 矿区地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．5 南帮弱层分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 ．6岩土体物理力学参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2露天矿开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3元宝山露天矿二次改河对南帮压煤回采的限制因素分析⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 基础模型的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3南帮陡采边坡稳定性分析与控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1边坡稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2南帮边坡潜在滑坡模式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3安全储备系数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4刚体极限平衡法的基本原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．5地下水对南帮边坡稳定性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．6边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 ．1计算剖面的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 ．2南帮边坡稳定性分析计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 ．3南帮边坡稳定性计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．7南帮疏干排水方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．8 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4南帮压煤回采及内排方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1压煤回采方案提出及制约因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2陡帮开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 南帮到界边坡参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 ， 4 ．2 ．2陡帮开采深度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2 ．3南帮压煤回采工艺及剥采程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．3内排土场的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 ．1内排参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 ．2内排土场排弃程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．4北坑配采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 开采进度计划及经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．1二次改河期间开采进度计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1选题背景及研究意义 元宝山露天煤矿是平庄煤业 集团 有限责任公司的支柱企业，其产量占全公 司总产量的三分之一左右，在公司的发展中起到举足轻重的作用。2 0 1 1 年该矿实际 完成原煤产量l1 ．18M t 勉。为了实现平庄煤业 集团 有限责任公司战略目标，确 保元宝山露天煤矿结构的优化、降低生产成本、提高经济效益、做强煤炭主业、增 强竞争能力重大举措的实施，从根本上提高平庄煤业 集团 有限责任公司的煤炭 产量和煤炭市场占有率，满足煤炭市场需求【1 1 ，根据国电集团公司总体部署及将煤 炭做大做强的理念，决定对元宝山露天煤矿进行再次扩建，生产能力扩建到15M t ／a 。 由于元宝山露天煤矿被英金河下游段横向截断，工作帮向北推进过程中会受到 英金河的阻截。随着露天采场的推进，工作帮逐步逼近英金河，到2 0 2 2 年，采场 工作帮地表界已经距离英金河河床南部边界最近距离已经接近于设计规范规定的 安全距离，如果继续向前推进，一旦出现强降雨引发大量流水，采场的安全就无法 保证。为了保证元宝山露天矿的正常持续生产，第二次更改英金河位置工程应立即 着手执行。 元宝山露天煤矿一次改河，自2 0 0 8 年启动征地、改河立项、初步设计等工作， 截止至2 012 年6 月各项工作均己通过相关部门审批，该项工作从立项、设计到审 批，长达5 年之久。第一次改河工程是将英金河的河道向北移设了8 0 0 m 。一次改 河工程获批征地范围仅能够满足露天矿按照扩能设计规模生产至2 0 2 2 年，服务年 限7 年。元宝山第二次改河最终方案是将英金河河道布置于南部边帮新形成的内排 土场上 如图1 ．1 ，新河道由英金河西侧途经老窑和小南荒村、分流站、内排土 场、采场南帮内排、地销公司、建昌营水厂、厂 部 办公区、沿后五家北汇入英 金河。 元宝山露天煤矿南帮现已成为非工作帮，但南帮下积压着一定的煤量，如若不 对南帮压煤实施回采，将是元宝山露天煤矿的巨大损失。因此为了提高资源回采率， 减少资源浪费，增大露天煤矿的经济效益，需要研究南帮压煤回采的技术问题，在 保证边坡稳定的前提下，最大限度将南帮下压煤回采。由于当地英金河的影响，只 有在开采过程中实行改河，才能保证露天矿持续生产。为了完成内排土场上的二次 改河，必须尽早开始实现内排，加快内排土场的发展。因此，南帮压煤回采方案除 受边坡稳定性的制约外，还要综合考虑改河工程在空间、时间上的限制因素，内排 土场的发展要求，进而保证露天矿全面生产接续等问题。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 ．1 元宝山露天矿南帮压煤及二次改河位置 F i g ．1 ．1 ’Y U a n b a o s h a ns u r f - a c em i n ec o a lo fs o u t hs i d ea n ds e c o n dc h a n g er i V e rp o s i t i o n 元宝山露天矿南帮压煤回采方案，可以为矿区实现更大的利润，减少煤炭资源的 浪费；可扩大内排空间，为南帮内排土场的形成提供了充分的空间位置；南帮压煤 回采，可以为露天矿第二次改河延长时间，使改河时间更加充分。因此在保证边坡 稳定的前提下，综合考虑改河技术的要求，对元宝山露天煤矿南帮压煤回采十分必 要的。本文研究的成果为元宝山露天矿长远规划提供指导意义，并对类似矿山提供 一定的借鉴，对企业与社会都具有重大的意义。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2国内外研究现状 1 ．2 ．1 露天矿边帮压煤回采研究现状 露天矿压煤回采经过多年的实验研究与生产实践，已经积累了许多宝贵经验。 在国内，已经有许多压煤回采的成功案例。包括工作帮压煤，铁路压煤，建筑 物压煤，村庄压煤等，这些都已经提出了安全可行的解决方法，并且都已成功实施。 平庄西露天煤矿位于内蒙古赤峰市平庄镇，为解决西露天煤矿即将闭坑深部开 采的接续问题，采用了深部陡帮横采内排的开采方案。此方案中研究了深部帮坡角 及开采境界、边坡稳定的监测与控制措施、横采内排初始拉沟过渡方案、开采工艺 选择及设备选型、剥采程序及过渡方案、开拓运输系统及过渡方案等技术问题。西 露天煤矿陡帮横采内排方案实施后，不仅缩短了运距，降低了生产成本，而且扩大了 露天开采的煤炭储量，提高煤炭资源回收率。露天矿多采出煤量为18 ．2 4 M t ，服务 年限延长9 年，并且产生了良好的经济效益1 2 J 。 中煤哈尔滨矿业公司依兰露天煤矿成功实施的横采内排方案，为了解决生产采 剥失调，排土场空间不足的问题，采取了由纵采转向横采内排的开采程序，确定最 终稳定边坡角为4 5 。。在地质模型的基础上，确定出依兰露天矿合理开采境界， 并且准确计算出原煤储量和剥离量。对多种方案对比分析，得出详细的工程煤、岩 量表，自动生成V f P 曲线，确定东区作为首采区。在保证露天矿采剥工程计划指 标前提下，提出由纵采向横采内排开采程序过渡方式，解决了过渡期工程位置及产 量接续程序问题。根据过渡各时期采剥工程量，制定出详细内排计划【3 j 。对于依兰 露天矿的横采内排的成功实施，不仅是依兰矿收获了可观的收益，也对社会和学术 研究起到重大意义。 内蒙古宝利露天矿位于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗境内，为避免资源浪费，最 大限度回采煤炭资源，获取最大经济效益，拟对到界的端帮压煤采取陡帮开采，端 帮边坡由原设计的3 6 。提高至4 2 。，并且对陡帮回采端帮压煤时的边坡进行稳定 性分析，确定陡帮回采端帮压煤方案完全可行。近几年来，浏阳磷矿二工区采场使 用陡帮开采，弓长岭岭东铁矿的独木采场及老岭采场、辽镁公司的桦子峪采场、倪 矿的愧一工程也都先后采用了陡帮开采工艺。国内设计的马钢高村铁矿，厂坝铅锌 矿，国外设计的德兴矿、齐大山铁矿和司家营铁矿等也都推荐陡帮开采。19 8 2 年青 岛会议以后，冶金部指示鞍山黑色冶金矿山设计研究院和长沙黑色冶金矿山设计研 究院，对南芬铁矿和海南铁矿进行了陡帮开采的可行性研究，19 8 6 年提交了可行性 研究报告，并通过了部级鉴定1 4J 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在全国的各种学术会议上，交流的陡帮回采方面的论文己超过百余篇，在全国 各级学术刊物上发表的论文达几十篇。这些对加深陡帮回采工艺的认识，促进陡帮 开采工艺在我国的推进及应用将产生巨大的作用【5 1 。 1 ．2 ．2露天矿边坡稳定性研究现状 边坡是指存在于自然界或由人工开挖地表所形成的斜坡，随着人类工程活动的 不断增加，边坡与人们的日常生活息息相关，其稳定性关系到人们的正常生活，并 且边坡稳定性问题一直是岩土工作人员致力于解决的一个难题。目前，应用于分析 边坡稳定性的方法比较多，而且都有其各自的特点和适用范围。从研究手段上可分 为定性分析方法、极限平衡分析法、数值分析法、可靠度分析法和其他非线性方 法【6 1 。 1 定性分析法 定性分析法是研究边坡稳定性分析中的一种实用方法，通过对边坡区域进行工 程地质勘探，了解区域地层分布规律、地质构造条件，并通过力学试验掌握岩体物 理力学指标，分析地质因素对边坡稳定性的影响程度，判断边坡的潜在滑坡模式， 初步定性评价现状边坡的稳定状态及预测其可能的发展趋势。 2 极限平衡法 极限平衡分析法是边坡稳定性分析法中提出最早的一种方法，经过长时间的发 展，各国学者的不断补充和完善，是目前应用于工程实践中最简单、范围最广、最 经典的确定性分析方法，它是以计算出稳定系数作为衡量边坡稳定性的定量分析方 法，这种方法经过国内外学者长期的研究及边坡工程实践，证明是一种能满足工程 精度要求的具有有效性的和实用性的方法。它先假定一条滑弧，把可能滑动范围的 边坡划分为若干条块，把条块岩体视为刚体，分别对划分条块进行力学分析，通过 分析各个条块间的受力状态从而建立条块间的力平衡方程，求出边坡的整体稳定系 数。在实际边坡分析中，往往是将一些直线边坡简化为二维平面应变问题，通过极 限平衡法进行稳定性评价[ 7 】。 3 数值分析方法 。 进入2 1 世纪，伴随着计算机科学技术的高速发展，各种大型有限元计算软件 如有限元软件A N S Y S 、有限差分软件F L A C 3 D 和离散元软件U D E C 等逐渐被应用到 边坡的稳定性分析中。 ①有限元方法。该方法在国内外学者研究边坡稳定性中得到了广泛的应用。 有限元法是将岩体划分成有限个网格单元结构体，这些单元体通过单元间力的接触 辽宁工程技术大学硕士学位论文 相互作用，通过分析每个单元应力状态和变形过程，从而分析岩土体非线性应力应 变关系，根据边坡内部不同岩体岩性的物理力学指标，分析岩体内部的应力分布情 况，模拟在应力作用下边坡变形破坏过程。因此，有限元方法相较于极限平衡法， 是在一定程度上，能够考虑层状岩质边坡的非均质性和各向异性，能够真实反应岩 土体在发生破坏时的应力应变关系的变化过程，给出了岩体内部的应力场分布规律 和位移场分布规律，避免了极限平衡分析方法中将边坡视为刚体的缺点，可以直观 再现岩体内部屈服破坏过程，从而分析最危险区域和需要加固的部位等【8 1 。2 0 0 4 年 马建勋等将强度折减法应用与边坡稳定性分析中，带入到有限元计算，得出稳定系 数。 ②有限差分方法。又称快速拉格朗日元法。C u n d a l l ．P ．A 在1 9 8 5 首先提出了有 限差分法，美国I t a s c a 咨询公司运用该方法开发出了大型岩土有限差分分析软件 F L A C 3 D 。其基本原理类同于离散单元法，是在牛顿运动方程的基础上，运用离散模 型法、动态松弛法和有限差分法将岩体离散成若干块体和节点，分析节点处的应力 变化和时间步长，根据岩体破坏的屈服破坏准则，建立本构模型，从而求出节点不 平衡应力和速度曲线，描述离散节点的运动过程，进而再现岩体的动态演化过程。 2 0 0 7 年张雷等利用F L A C 3 D 软件对云南溪洛渡水电站典型边坡进行了升入研究，分 析了不同条件下的边坡稳定性，并给出了边坡安全评价及处理意见。 ③离散单元法。离散单元法基本原理类同于有限差分法，是以牛顿第二运动 定律为基础，将边坡岩体划分为若干块体，研究块体应力状态随时间变化之间的关 系，能够形象的描绘出岩体中的应力，位移和速度等分布规律和变化过程，是一种 动态的数值模拟方法，离散单元法与有限元法和有限差分法不同之处在于，该方法 在分析中可以考虑块体间的移动，转动和块体间的脱离，可以求解复杂岩体的大变 形和动力失稳过程，对存在软弱结构面和地质构造复杂的层状岩体适应比较适合年 廷凯等在2 0 13 年利用A B A Q U E S 软件分析了在不同影响因素作用下三维边坡的稳 定性及潜在滑动面的影响，并揭示了边坡的破坏模式及滑动机制。 有限元法避免了极限平衡法中将块体视为刚体的缺点，在本构关系的基础上， 考虑边坡岩体的应力、应变关系，能够得到边坡的应力、位移和速度分布规律，直 观再现边坡的动态变化过程及失稳机制，所得结果与实际情况比较接近，是一种科 学的分析方法。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 主要研究内容与技术路线 1 ．3 ．1研究内容 元宝山露天煤矿南帮下残留积压着一定的煤量，论文在分析元宝山露天矿生产 现状和后续矿山工程接续问题的基础上，通过分析南帮边坡工程地质条件，对南帮 边坡进行稳定性评价，确定内排土场建设发展程序、研究二次改河河道位置布置在 南帮内排土场上的技术要求，提出安全可靠、经济合理的南帮压煤回采方案。为此， 确定本论文的主要研究内容如下 1 建立元宝山露天矿三维地质模型 建立元宝山露天矿三维地质模型，可以更准确、更方便的对露天矿进行分析研 究，运用露天矿的三维地质模型，可以对露天矿的煤岩量、采剥工程位置以及开采 现状有更加直观的表述，也是露天矿进行开采设计，煤量岩量计算的基础。 2 分析南帮陡帮回采的边坡稳定性，确定南帮到界边坡参数 元宝山露天矿南帮陡帮回采方案是否可行，其边坡安全稳定是最重要的前提。 元宝山露天矿南帮陡帮开采，增大工作帮坡角，因此要对南帮陡帮开采后的边坡进 行稳定性分析，分析不同参数方案的稳定性，确定出南帮陡帮最终边坡参数。 3 南帮压煤回采方案剥采程序的研究 分析南帮压煤回采方案剥采程序，设计南帮回采工艺，布置南帮运输系统 4 南帮陡帮开采计划编制 ．以元宝山露天矿三维地质模型为基础，根据陡帮开采的最优开采参数，结合露 天矿开采现状，设计南帮陡帮开采方案，计算南帮压煤回采的煤量，设计南帮陡帮 开采的生产计划。 5 南帮陡采后的内排方案 综合考虑南帮内排土场上形成改河河道位置的时间、空间等制约因素，设计南 帮内排方案。 6 计算剥离量及内排土场需求量，设计北坑配采方案 7 模拟元宝山露天矿非工作帮残采方案演变过程，并对其进行经济效益分 析。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 ．2 研究方法 1 利用S M C A D 软件建立基础模型 基础模型主要包括矿床地质模型，采场、排土场现状模型以及模拟开采模型。 本文所研究的内容都是以三维地质模型为基础，三维模型具有强大的可视功能和逼 真的动态显示功能，可以准确的计算矿岩量，减少计算时间，提高研究效率，对 内排土场改河可行的研究提供强大的技术保证。 本文采用S M C A D 软件进行基础模型的构建，将从该矿收集整理后的钻孔数据、 地形等高线、采场和排土场现状线等基础数据输入到数据库中，采用拉伸成体和固 化成体相结合的方法建立出矿床地质模型和采场、排土场现状模型。 2 利用刚体极限平衡法分析南帮陡采边坡稳定性 本文采用刚体极限平衡法分析南帮陡帮开采的边坡稳定性。刚体极限平衡法是 边坡稳定性分析法中提出最早的一种方法，经过长时间的发展，各国学者的不断补 充和完善，是目前应用于工程实践中最简单、范围最广、最经典的有效和实用的确 定性分析方法，常用的刚体极限平衡分析方法有瑞典圆弧法、瑞典条分法、B i s h o p 法、J a n b u 法、M o r g e n s t e m ．P r i c e 法、S p e n c e r 法、S a r m a 法、剩余推力法、通用条 分法、楔形体法、N e w m a r k 法和美国陆军工程师团法【9 1 。针对元宝山露天煤矿地质 条件，本文拟基于B i s h o p 法和剩余推力法算法的原理，通过白行开发的基于C A D 的刚体极限平衡分析软件，计算边坡的稳定性。 3 综合考虑限制因素，制定南帮陡采方案、内排土场排弃方案以及北坑配采方案。 考虑改河与内排的时间、空间等因素，根据露天矿生产能力，以三维地质模型为基础， 以2 0 2 4 年之前完成改河为前提，制定一套技术上可行的南帮压煤回采方案、满足 改河要求的内排土场排排弃以及北坑配采方案，并通过模拟开采设计出各年采排工 程位置图及计算采排工程量表。 4 模拟元宝山露天矿非工作帮残采方案的演变过程，对此方案进行经济效益 分析。 以元宝山露天矿三维地质模型为基础，利用S M C A D 软件此方案的演变过程， 并根据露天矿提供的利润数据分析此方案的经济效益。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 ．3 技术路线 、篱爨辱燃戆饔冀i 薹要藏。霹零燃懋麓燃i 嘉鬻戮 占 地质条件及升米现状分析∞排j 萎场实现改河技求要求 ＼二／＼。一 ⋯ ，7 占占 | 建立元露蕺澎维地质模型习 、、1 一。黼． ， 占 、一 占卜占 卜南帮边坡稳定性二j内排空间与排弃量刻实现纳排主场生改湔的时间要求j 占占占 土占 妻尊鐾委碧警镌篓鬟j 分析南帮犍采方案剥采程序i 戮I H m ．． t n 。 二i 誊I 薯析蘩誊确定到界边撂爹委囔舅I m m 。嘲果豢玉铽。迤输系蔬巍置i 黛I 守古 守 i ；i 南帮蜃渫固采生彦谨瓤誊i 占 鬻南帮密谤场排鍪计划寨毒 占 。_ 耋≤一L 拶乙郫刁C j 口多瞪H V 巾U Z b 飘* 哥一。 ．占． 霪各年悉捧蒸程穰置箍滂塞| ．．占． 菘誊经谤效益分析‘。搿‘‘麟i 图1 ．2 技术路线流程 F i g ．1 ．2 F l O w c h a J tO ft e c l l l l i c a lr o u t e ．8 每． 前提条件 基础模型 考虑因素 主要技术 争 争 争 铷 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 矿区概况及基础模型构建 元宝山露天煤矿是隶属于中国国电内蒙古平庄煤业 集团 有限责任公司的现 代化大型煤炭企业，始建于19 9 0 年1O 月15 日，19 9 4 年12 月31 日矿建剥离工程 结束，19 9 8 年投入试生产，2 0 0 5 年4 月2 8 日移交生产，2 0 0 6 年达到设计生产能力 5 ．0 0M t ／a 。之后开始进行8 ．o oM t ／a 扩建工作，2 0 0 9 年通过了内蒙古自治区煤炭工 业局生产能力核定为8 ．0 0M t ／a ，当年生产原煤9 ．3 6M t ，2 0 11 年实际完成原煤产量 1 1 ．1 8M t ／a 。露天矿区走向平均长度4 ．6 8k m ，倾向平均宽度2 ．5 6k m ，面积1 2k m 2 。 元宝山露天煤矿矿区专用铁路西南部与叶赤线 叶柏寿一赤峰 元宝山站接轨，东 北部与京通线 北京一通辽 安庆沟站接轨，故交通十分方便，地理位置与交通位 置 如图2 ．1 。 图2 ．1 元宝山露天矿地理与交通位置 F i g ．2 ．1 Y u a n b a o s h a I ls u r f k em i n et r a m cp O s i t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．1矿区地质条件分析 2 ．1 ．1矿区地形与地貌特征 本区为低山丘陵地貌，矿区东西部的元宝山构成玄武岩台地。元宝山露天煤矿 位于东、西元宝山构成的两个玄武岩台地之间的英金河冲积平原上，其两侧有元宝 山矿、风水沟矿，两矿区地形为第三系玄武岩台地。海拔标高为6 7 0 ～7 0 0m 。台地 周围为黄土掩盖的丘陵区，标高为4 8 0 ～6 0 0m ，露天矿区地表标高4 7 2 ～4 9 0m 。 比东西元宝山低约2 0 0m 。区外最高点为西元宝山，海拔标高为6 7 3 ．2m 。 2 ．1 ．2矿区水文条件分析 露天矿区内和矿区附近有英金河和老哈河两条河流。 英金河在露天区中部通过，把露天矿区分成东北、西南两部分，它发源于河北 省围场北部山区热水附近，全长1 9 4 ．6k m ，流域面积为1 0 5 9 8k m 2 ，历年最大洪峰 流量为2 6 5 0m 3 ／s ，最小流量为0 ．5m 3 ／s ，多年平均径流量为4 0 2M m 3 ，多年平均流 量为1 2 ．8m 3 ／s 。英金河河床宽度变化较大，为2 0 0 m ～9 0 0m ，下游比降1 ／7 0 0 ～1 ／8 0 0 ， 白水泉沟至兰家洼一带，从上游夹带下的大量泥、砂、砾石淤积在河床上部，形成 了厚0 ．0 5m ～1 ．0 0m 的淤土或泥、砂、砾的混合层，降低了河水的垂直渗透能力， 实测河水位与浅水相差3m ～8m ，形成悬浮段。 老哈河发源于河北省平泉县七老图山脉的光头山，全长4 2 1 ．8k m ，流域面积 3 3 0 7 6k m 2 。历年最大洪峰流量9 8 4 0m 3 ／s ，最小流量为1 0m 3 ／s 。据1 9 5 5 ～1 9 8 1 年 统计，年平均迳流量4 2 9M m 3 ，年平均流量1 3 ．6m 3 ／s ，河床宽5 0 0 ～1 0 0 0m ，河流 比降1 ／8 0 0 ～1 ／9 0 0 ，河床及河漫滩主要由砂、砂土及砾石组成。 由于元宝山露天矿附近的两条河流的原因，露天矿采场水量极大，特别是东南 帮的涌