基于端帮煤回收技术的露天矿边坡优化设计.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月我国露天煤矿资源分布广阔，煤层赋存条件复杂，存在端帮压煤资源量大的问题。近些年来兴起的端帮煤开采回收技术，是解决端帮压煤问题的重要技术手段。针对开采回收期间露天煤矿边坡稳定性分析与控制则是需要重点研究的问题1-3。有关学者针对端帮采煤与边坡稳定性问题进行了一系列的研究并取得了有效进展。焦晓亮等4针对端帮煤开采过程中煤柱的布置形式对边坡稳定性的影响进行研究优化，提高了端帮煤的回采率；董慧5系统地研究了端帮采煤对露天矿边坡稳定性的影响因素，总结了端帮开采所引起的边坡变形和应力重分布机理。露天煤矿边坡稳定与否是确保露天煤矿端帮煤回收的重要影响因素6-7。端帮煤回收后的压脚工作在一定程度上有利于露天矿边坡的稳定，该技术较为成熟且具有一定应用性以及显著的经济性及风险可控性。目前，该技术已在天池能源南露天矿8、神华北电胜利能源有限公司露天矿9等大型露天矿山应用，收稿日期：2022-09-01责任编辑：张东旭作者简介：康庆微（1987），男，辽宁沈阳人，高级工程师，工程硕士，2016 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事露天煤矿生产技术和管理方面的工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.011康庆微，朱涛.基于端帮煤回收技术的露天矿边坡优化设计 J.露天采矿技术，2023，38（3）：41原43.KANG Qingwei,ZHU Tao.Optimization design of open-pit mine slope based on end slope coal recoverytechnology 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:41原43.移动扫码阅读基于端帮煤回收技术的露天矿边坡优化设计康庆微，朱涛（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）摘要：为探究端帮煤回收过程中边坡快速压脚的技术手段对端帮稳定性的影响及边坡优化设计的措施；以新疆某露天矿西端帮为研究背景，通过分析该露天煤矿边坡的工程技术参数，对端帮采煤回收技术的可行性进行了相关探讨；通过边坡稳定极限平衡分析软件对端帮煤开采过程中的端帮稳定性及采取快速压脚措施的端帮稳定性进行分析验算。结果表明：采取快速压脚措施可以在短暂的时间内提高边坡稳定性，达到快速、安全地回收端帮煤，从而提高露天煤矿经济效益。关键词：边坡；安全系数；稳定性分析；端帮煤回收;快速压脚中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0041-03Optimization design of open-pit mine slope based on end slope coal recovery technologyKANG Qingwei,ZHU Tao（Xinjiang Tianchi Energy Co.,Ltd.,Changji 831100,China）Abstract:In order to explore the influence of the technical means of quick foot pressing on the end slope stability during theprocess of end slope coal recovery and the measures for slope optimization design,taking the west end slope of an open-pit minein Xinjiang as the research background,through analyzing the engineering technical parameters of the slope of the open-pit mine,the feasibility of the end slope mining and recovery technology is discussed.Through the limit equilibrium analysis software ofslope stability,the end slope stability during the process of end slope mining and the end slope stability analysis checking withquick foot-pressing measures are carried out.The results show that the quick foot-pressing measure can effectively improve thestability of slope in a short time,achieve quick and safe recovery of end-support coal,and improve the economic benefit of open-pit coal mine.Key words:slope;safety factor;stability analysis;end slope coal recovery;quick foot pressing41露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月经济效果显著。基于此，以新疆某露天煤矿西帮边坡为研究对象。分析、评价该矿山采场西帮下部端帮煤回收后快速压脚对边坡稳定性的影响，探讨采场西帮边坡优化设计措施。1端帮采煤技术应用端帮煤回收是指在露天矿采场端帮露出煤层布置设备进行开采作业工作，并且在开采作业完成后对边坡下部进行快速压脚措施，这是一项较为成熟的技术，具有良好的应用性及经济性10。该技术现已作为国内外露天煤矿回收煤炭资源、提高经济效益的有效手段11。端帮煤炭回收的基础是露天煤矿可以内排，端帮存在时间较短，边坡出露的形状为V字形，边坡的临空自由面较小，边坡的短期稳定性较好。当端帮边坡体发生形变，因为内排的存在，可以快速控制约束边坡变形，保证露天矿端帮的安全性。研究的露天矿内排单台阶高度可达100 m，西端帮边坡高度为200 m。若西端帮边坡在端帮煤回采过程中发生形变，导致边坡稳定性下降，则可快速排弃高度为100 m的内排土场台阶压覆于高度200m左右的西端帮上，可根本性的治理西端帮边坡变形，具有良好的可行性。受露天矿三维效应影响，该矿西端帮受采煤工作帮和排土工作帮的夹持和控制，西端帮的临空面大小及边坡稳定性与采煤工作帮和排土工作帮帮坡角呈负相关性。通过局部控制采煤工作帮和排土工作帮的帮坡脚进而间接控制西端帮临空面大小，可以在最大程度上保证西端帮的边坡稳定性。采场西帮煤层厚度剖面图如图1。该矿西帮边坡长度约为1 km，西帮区域可采煤层厚度较大，煤层厚度平均为40 m，最大可达60m，如果能够在整个西端帮范围内实施高端帮采煤，经计算可采出煤量约3.5 Mt，在边坡滑坡风险可控的前提下，经济效益巨大。基于上述思路，验证西端帮煤开采回收过程中边坡压脚对边坡稳定性的影响，进而对该矿西帮边坡优化设计过程及相关优化措施进行探讨、研究。2边坡稳定性矿田位于锦山凸起西南部，夹于三碗泉凹陷和泄湖凹陷之间，西侧以北东向逆断层SF3为界，总体为一北倾的单斜构造形态，东部微波状起伏，北部受SF3断层影响倾角变陡，波幅为70耀150 m。首采区内发育断层5条，落差均小于20 m。2.1计算参数和边坡稳定性计算剖面采掘场的边坡稳定取决于岩体的强度，岩体的强度与岩块的强度和节理的密度有关。在一定的区域范围内，岩体性质具有相似性的特征，参照周边露天矿前期相关研究、评价中提供的岩体力学数据确定的岩体强度参数取值见表1。该露天矿是一个岩体强度处于上中等层次的露天矿山，最大开采深度约为160 m，岩体强度相对较高，岩体节理裂隙相对发育，从目前揭露的情况看，首采区为一单斜构造，南部煤层露头区域岩倾角较大，西南帮局部甚至有倒转的情况，深部区域岩层倾角逐渐变缓，西帮为逆倾边坡，露天矿边坡层状岩体可近似的作为均质体进行计算，其破坏形式为圆弧滑坡。典型计算剖面的选取位置应为对边坡稳定性最不利剖面。基于地质测绘结果，本次选取西帮+610+810 m水平位置1-1剖面为计算对象。2.2基于端帮煤回收技术的边坡稳定性分析根据上述剖面位置，建立计算模型，采用边坡稳图 1采场西帮煤层厚度剖面图表 1岩体强度参数取值岩性密度/（t m-3）内摩擦角/（毅）黏聚力/kPa第四系泥岩砂砾岩粉砂岩中砂岩煤1.292.242.362.312.461.2927323735363320907013010510042露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月（下转第47页）定分析软件对边坡进行极限平衡分析。采掘场西帮设计边坡计算剖面图如图2。西帮边坡在采完下部煤层后，经计算，西帮边坡稳定系数为1.15，稳定系数略低，需要采取相应措施进行治理。端帮煤开采的技术关键为“快采快排”“以时间换空间，以剥离换产出”。该矿在西帮边坡采完下部煤层后，迅速实现内排，在对西帮边坡快速压脚后，对压脚后边坡进行稳定性分析验算，其稳定系数为1.41，可以满足边坡稳定要求。采掘场西帮边坡压脚后计算剖面图如图3。计算结果表明在边坡端帮开采后，对边坡下部迅速压脚，边坡暴露时间较短，边坡岩体强度较高，通过压脚措施对边坡进行优化设计具有良好的可行性，可满足边坡稳定要求，实现露天矿的安全生产。3端帮开采边坡优化措施针对该矿西端帮开采回收过程中所遇到的问题，提出几点针对端帮煤回收后的边坡稳定性优化及改进措施。1）由于采场西帮靠帮坡面角度为70毅，边坡角较大，为达到采矿最佳效益，西帮可适度的向西推进。虽然向西推进会导致西帮局部边坡台阶高度提高，但由于西帮边坡出露面积较小，出露时间较短，可利用边坡的三维效应来保持稳定。同时因存在时间短，岩体的强度相对较高，边坡稳定性较好，可以在西帮采煤期间保持西帮边坡的稳定。2）在采掘端帮煤期间，端帮边坡发生一定的位移形变时，可将排土工作帮下部23个台阶并在一起，同时控制采煤工作帮的角度，如端帮变形仍在加大，则可采取局部排土台阶压覆工作帮采煤台阶的方式，可以彻底根除端帮边坡滑坡的可能。在一般情况下，端帮边坡台阶变形不大的情况下，内排土场边坡台阶和采场采煤台阶平盘宽度可保持在30 m。如果端帮边坡台阶变形加大，则可适当的提高内排土场边坡角度，排土台阶平盘宽度可缩小至5 m。如果端帮台阶在排土平盘宽度缩小至5 m时，变形还没有停止的情况下，可直接排弃至采煤工作帮边坡，这样就可以保证端帮边坡的稳定。3）为保证西部端帮采煤作业的安全性，需在西部端帮加强边坡变形监测，因边坡形变具有实时性，为保证安全性，边坡监测应为实时监测。一旦边坡变形较大（每天位移变形量超过10 mm），则需要控制西部端帮临空面的大小，提高内排土场西部端帮区域的边坡角，根据变形发展情况确定西部端帮区域压脚的范围和高度。4结语1）该矿内排单台阶高度为100 m，西端帮边坡高度为200 m。现有情况达到端帮采煤回收所需的“快采快排”的生产技术条件，具有实践的可行性。2）在西帮采煤的过程中，应坚持快采快排的方针，控制西帮边坡暴露的时间及面积，把西帮边坡暴露的时间和暴露的面积降到最小，使西帮采煤达到经济效益最高、安全风险最小的结果。3）西帮在端帮开采实施后，经测算，可多采煤炭出约3.5 Mt，以煤炭价300元/t计算，利润为11亿元，经济效益巨大。4）西帮边坡在端帮煤开采工序后，边坡稳定系数为1.15；在局部回填内排后，稳定系数为1.41，满足规范稳定性要求。西帮边坡在整个采煤过程中边坡稳定，端帮开采回填措施有效。参考文献：1PENG H,CAI Q,MA L,et al.End-Wall SlopeStability Analysis of Surface Coal Mine under theCombined Open-pit Mining with Underground Mining图 2采掘场西帮设计边坡计算剖面图图 3采掘场西帮边坡压脚后计算剖面图43露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月J.ElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2014,19:185-194.2 WINES D.A comparison of slope stability analyses intwoandthreedimensions J .JournaloftheSouthernAfricanInstitute of Mining and Metallurgy,2016,116（缘）:399-406.3 王东，姜聚宇，韩新平，等援褐煤露天矿端帮开采边坡支撑煤柱稳定性研究 允 援中国安全科学学报，圆园员苑，圆苑（员圆）：远圆原远苑援源 焦晓亮，周永利，田宇，等援基于端帮开采的边坡稳定性及巷道布置形式优化研究 允 援煤矿安全，圆园圆员，缘圆（愿）：圆猿猿原圆猿愿援缘 董慧援 端帮采煤对露天矿边坡稳定性影响研究 阅 援阜新：辽宁工程技术大学，圆园员源援远 丁鑫品，李绍臣，王俊，等.露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化 允 援煤炭学报，2013，38（11）：1923-1928.苑 侯成恒援安家岭矿端帮煤开采边坡稳定性分析与控制允 援煤矿安全，圆园圆圆，缘猿（苑）：圆猿缘原圆源园援愿 李奇奇，康庆微援新疆天池能源南露天矿南端帮边坡稳定性研究 允 援露天采矿技术，圆园员怨，猿源（源）：缘怨原远猿援怨 张鹏援 露天煤矿高边坡风险评价模型的构建及应用研究 阅 援北京：中国矿业大学（北京），圆园员8援员园 黄天爽，赵铭芳，轩峰，等援端帮开采技术在露天煤矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（缘）：远怨原苑员援员员CHE 在澡葬燥曾怎藻，YANG 匀燥灶早援 粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 燥枣 燥责藻灶原责蚤贼葬灶凿 怎灶凿藻则早则燥怎灶凿 皂蚤灶蚤灶早 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 枣燥则 则藻泽蚤凿怎葬造 糟燥葬造 燥枣藻灶凿 泽造燥责藻泽 允 援 酝蚤灶蚤灶早 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠，圆园员园，圆园（圆）：圆远远原圆苑园援（上接第43页）至“远方”位，然后收回检测台与操作台，当检测台与操作台回到原点后，升降台再收回操作杆至升降台原点，检测台、操作台、升降台全部返回原点，控制系统根据任务指令进行判断该设备是否单驱或多驱，如果是多驱则启动行走机构移动，搜寻下一台高压柜，继续进行操作，如果是单驱则启动行走机构返回机器人原点，人机界面提示任务完成并进行充电。3）故障报警。机器人共设有8组故障报警和1组报警提示：分别为机器人搜寻目标失败、柜号识别错误、逻辑错误、输入指令错误、检测台过位、操作台过位、升降台过位、手车到位故障、手车卡涩报警。淤机器人搜寻目标失败：在规定的时间内未搜寻到目标，执行回原点且人机画面提示故障原因；于柜号识别错误：搜寻到目标后，检测到柜号与输入任务设备不对应，执行回原点且人机画面提示故障原因；盂逻辑错误：搜寻到目标状态与输入任务逻辑不符，执行回原点且人机画面提示故障原因；榆输入指令错误：不管任何任务，只要检测到接触器小车处于合位时，不允许任何操作，执行回原点且人机画面提示故障原因；虞过位：过位传感器有信号进入控制系统，执行回原点且人机画面提示故障原因；愚手车到位故障：操作杆转动圈数超过既定数且未检测到到位信号，记忆并执行回原点且人机画面提示故障原因；舆手车卡涩报警：操作杆转动圈数超过既定数，能检测到到位信号，记忆并任务完成后提示报警内容。4）视频采集存储功能。机器人具有实时视频采集存储功能，远程可以清晰查看现场配电柜运作状态，远程操作时，发现异常可立即采取紧急停止命令。3结语以停送电机器人为研究背景，机器人实现功能为研究基础，重点研究了机器人控制机构的设计以及操作程序，达到了机器人精准操作的目的。远程智能操作机器人系统能够实现并行协同智能控制，便于现场人员对机器人的控制管理，促进了煤矿机器人的智能化发展。参考文献：员 王国法，任怀伟，赵国瑞，等援煤矿智能化十大“痛点”解析及对策 允 援工矿自动化，圆园圆员，源苑（远）：员原员员援圆 杨文娟，张旭辉，马宏伟，等援悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究 允 援煤炭科学技术，圆园员怨，源苑（远）：缘园原缘苑援猿 张凯，田原，贾曲援机器视觉在煤机装备中的应用现状与趋势 允 援煤矿机械，圆园圆园，源员（员圆）：员圆猿原员圆缘援源 葛世荣援煤矿机器人现状及发展方向 允 援中国煤炭，圆园员怨，源缘（苑）：员愿原圆苑援缘 褚成成，葛世荣，朱华，等援煤矿救援机器人语音交互单元设计 允 援煤矿机械，圆园员园，猿员（源）：员原猿援远 张敏骏，臧富雨，吉晓冬，等援掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验 允 援煤炭科学技术，圆园员愿，源远（员圆）：源愿原缘猿援苑 张旭辉，陈利，马宏伟，等援煤矿掘进机器人拟仿真与远程控制系统 允 援工矿自动化，圆园员远，源圆（员圆）：苑愿原愿猿援愿 马宏伟，王鹏，王世斌，等援煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法 允 援煤炭学报，圆园圆员，源远（苑）：圆园缘苑原圆园远苑援47