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元宝山露天煤矿8.0Mt/a开采设计1 矿区概况与地质特征1.1矿区概况1.1.1地理位置平庄煤业（集团）有限责任公司元宝山露天煤矿位于内蒙古自治区赤峰市东35km，所在地为元宝山区建昌营镇所辖。其地理坐标为东经11917151191955，北纬421613422221。露天区走向长平均为4.68km；倾向宽平均为2.56km，面积为12km2。1.1.2 交通状况元宝山露天煤矿西南部有矿区专用铁路与叶赤线（叶柏寿-赤峰）元宝山站接轨。东北部（3 km）有矿区铁路与京通线（北京-通辽）安庆沟站接轨。露天矿经元宝山至赤峰、平庄有二级公路畅通，交通极为方便。元宝山电厂距露天矿仅3km，交通位置见图1.1：图1.1 元宝山露天煤矿交通位置示意图1.1.3 地形、地貌与水文本区为低山丘陵地貌，东西元宝山构成玄武岩台地。煤田赋存于两台地之间的冲积平原内。区内地表高程一般为450m485m，比东西元宝山低约200m。区外最高点为西元宝山，海拔标高为673.2m。露天矿位于英金河河谷平原上，四周为地势较高的黄土丘陵及基岩山地。英金河在露天矿中部通过，将露天矿分成东北，西南两部分。露天西南部属第一超河漫滩阶地，阶面宽5004000m，地形标高为472482m，露天的东北部；，属于第二超河漫滩阶地，阶面宽5005000m，地形标高为482490m。露天矿区内和矿区附近有两条河流，即英金河和老哈河。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；老哈河发源于河北省平泉县七老图山脉的光头山。英金河和老哈河的具体特征值见表1.1。表1.1 地表水系 河流名称特征值英金河老哈河河流总长度（km）194.6421.8流域面积（hm2）1059833076历年最大洪峰(m3/s)26509840最小流量（m3/s）0.50多年平均径流量（亿m3）4.024.29多年平均流量（m3/s）12.813.60多年平均含沙量（kg/m3）4347.5英金河河床宽度变化较大，为200m900m，下游比降1/7001/800，自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0.05m1.00m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3m8m，形成悬浮段。露天矿区内地表水体有大型的灌渠一干渠、二干渠。1.1.4 气象矿区属于大陆性气候，寒冷干燥。据赤峰市气象站资料记载：1) 气温年最高气温：+42.5；年最低气温：-31.4。气温在-20以下的天数年平均为24d，一般由12月中旬至2月下旬，在7d47d之间，气温在-30以下的天数为1d2d。2) 降水日最大降水量：208.1mm；年最大降水量：560.8mm。3) 蒸发量年蒸发量为1311.6mm2315.3mm，蒸发量大于降水量的几倍，日温差较大。4) 风该区风沙较大，多集中在春秋季，并以西南和西北风向为主，最大风速33.3m/s。1.1.5 矿区开发情况元宝山露天矿西南部有元宝山一、二、三、四井，总设计能力为150万吨/年。东北为老公营子和小风水沟井田，小风水沟斜井，设计能力为90万吨/年。新建元宝山电厂距露天南部边界仅2公里，装有30万瓦的发电机组，设有60万伏电网，电力充沛。矿区内以农业为主，露天范围占高产农田1300亩，其中经济林1150亩。露天水源最初是利用抽水试验301号孔，永久水源是利用疏干水。露天在建设时期时所用的地方建筑材料，如砖、瓦、沙、石等均能自给。1.1.6 地震情况根据2000年国家地震局颁布的全国地震烈度区划图，本区地震烈度为VII度。1.2 地质构造和矿床产状1.2.1 煤系地层从下至上，矿田地层可分为：侏罗系上统（J3）：1）杏园组（J34）：本组地层相当于辽西地区的九佛堂组，分上、中、下三段。2）元宝山含煤组（J35）：本组灰、灰白色粗砂岩为主，夹中、细砂岩、砾岩、灰黑色泥岩和煤层。整个含煤地层是一个河漫相和湖泽相碎屑岩含煤建造。含煤地层厚250-470m，一般厚340m，含有12个复煤层（组），累计平均可采总厚84.29m。以分布于含煤地层中部、全区发育的五、六煤组为主要可采煤层，是露天开采的主要对象。含煤地层中各类岩石平均组分为：煤占30.4%，碳泥岩占1.0%，泥岩占8.7%，砂岩占59.1%，砾岩占0.8%。白垩系下统（K1）：孙家湾组（K1S）：分布于露天北部的东、西两侧。以紫红色和黄褐色砾岩为主，局部夹砂岩。砾石成分比较复杂，大小不均，砾径一般3-5cm，各别达1m以上。露天区内仅19线以北见此地层，其厚度为75m。不整合于侏罗系及以前诸地层之上。第三系上新统（N2）：露天所见第三系地层，依岩性可分为下部紫红色砂砾岩段、上部玄武岩段和红土砂砾层段。第四系（Q）：1）新统（Q3）：主要为园砾夹砂、卵石层和黄土、黄土状亚砂土、亚粘土组成。土层细而致密，具直立节理。砂砾层为富水性强的含水层。2）全新统（Q4）：主要分布于老哈河、英金河等河谷地带。由现代河流冲积物组成。一般只几米厚。以砂砾为主，风成砂、亚砂土、亚粘土次之。本区含煤系地层为朱罗系上统元宝山含煤组和杏园组上部含煤段，地层层序和主要岩性自上而下见表1.2。在露天开采范围内，剥离物除第四系表土外，主要是砾岩、砂岩和部分泥岩,玄武岩只在18勘探线以北的东北角有分布，厚度在7m34m，量不多。剥离岩石一般普氏硬度系数为23。表1.2 地层层序和主要岩性表时 代厚 度/m主 要 岩 性第 四 系1885砂砾、风武岩、亚砂土、亚粘土第三系上新统红色砂砾岩层段419红土、砾石上部玄武岩段734黑褐色玄武岩（分布在露天区东北角）下部紫红色砾岩岩段5090紫红色砂岩、砾岩白垩系下统 70黄褐色砾岩、砂泥质胶结朱罗系上统元宝山组下含煤段90400灰白色砾岩、含主要煤层36煤组杏园组上部含煤段70200灰色及灰白色砾岩、砾岩夹泥岩，含712煤组杏园组中部你岩段200600灰绿色、灰褐色、黑色块状泥岩、片状泥岩杏园组下部砾岩段60120灰色砾岩、夹灰色、灰黑色砾岩泥岩五家组100紫红色及灰绿色砾岩、夹紫红色砾岩、泥岩1.2.2 构造特征元宝山煤田处于中朝准地台北缘，明显受燕山构造变动的控制。其主要特点是断裂活动强烈，主要成NNE向压扭曲性断裂和NNW向张扭性断裂，以及断裂复活，断陷下沉和断块上升。褶皱多属挠曲作用而成的短轴形态。元宝山煤田呈NE-NNE走向，由三个向斜两个背斜组成一个复向背斜构造，自ES而WN是风水沟短轴向斜、五家背斜、南荒向斜、龙头山背斜和老窑短轴向斜。本露天被F1断层切去半壁的不完整的平缓向斜。地层倾角除F17和F18之间的局部地段由于受断层影响达到23o外，露天的绝大部分地段倾角在3o14o，一般为8o。向斜轴走向北东25o，向斜轴自西南向东北方向倾斜，轴倾角在3o5o。在露天范围内，共有12条断层，最大的为F1，最小的为F7。由于本区勘探网度较密，落差在20m以上的断层均已查明。本区断层均系高度的正断层，且多呈楔形和菱形。以NNE，WN向和NNW向断层切割NNE向段层。F1断层为本区最主要的断层，亦是露天东部的自然境界。该断层为50o70o，倾向NW，落差200m以上，断层以东煤层全部被剥蚀掉，其余断层落差均小于75m。露天区各个断层的落差、产状、控制程度详见表1.3。表1.3 元宝山露天区断层情况一览表断层编号断层性质断层惨状落差m断层位置与延展长度走向倾向倾角F1走向正断层N24E-N45E北西46-64200露天东翼纵贯全区延长5kmF2斜切正断层N26E南西700-5010-20间延长300MF3斜切正断层N62E北西600-3013-15线延长450MF4斜切正断层N19-48E北东700-309-12线间延长1500MF5斜切正断层N80W北东740-2016-19线间延长450MF6斜切正断层N19E北西720-6017-19线间延长550MF7斜切正断层N45E南东760-6014-17线间延长600MF8斜切正断层N77-43E北西6115-3012-16线间延长800MF露9斜切正断层N40W-N5W-SN北西700-327-9线间延长520MF露11斜切正断层S82E南西640-262-3线间延长320MF15斜切正断层N78W北东470-4518-19线间延长300MF17斜切正断层N24-68E北西6015-7512-19线间延长2500M四井F1走向正断层N40E北西7020-50露天区内延长700M1.2.3 煤层1) 煤层厚度本区含煤建造共含十二个煤组，即3、4、5-2、5、6-2、6、7、8、9、10、11、12煤组，5-2、6-2煤组分别是由5煤、6煤组分叉出来的。其中5、6两个煤组是本区的主要煤层。7煤以上为露天开采，位于含煤建造中部，煤层最大可采厚度为107.52m（7362号孔），全区发育，而且又很稳定。7煤以下煤组煤层厚度逐渐变薄，仅南部可采，且变化较大。5-2煤以上各煤组仅在北部发育，尚有一定的可采厚度。812煤为露天深部区由井工开采。各煤组厚度和层间距见表1.4。表1.4 可采煤层（组）厚度与分布特点煤层(组)名称可采煤层(组)厚度(m)煤 组分 布特 点最大厚度最小厚度平均厚度32.311.001.4617线以北418.882.5710.778线北5-25.773.694.5316线北556.138.1620.721线北6-27.972.526.3817线北662.315.4327.71全区731.951.005.13全区83.840.801.16零星分布95.820.831.9211线南104.630.841.609线南114.410.801.2610线南122.130.821.296线南2) 煤层特点及变化规律本区煤层呈带状分布，可分为厚煤带、稳定带和分叉尖灭带。厚煤带的特点是煤分层多，最多者128个分煤层（7363号孔），煤厚度大，累计可采厚度最大者达124.36m（7362号孔），一般都在60m以上。5、6、7煤间距很小，不易划分，厚煤带长轴分布方向N40E，聚煤中心在7349、7362和73160一线，厚煤带宽700m以上。稳定带在厚煤带与F17间，煤层结构简单，厚度稳定，层间距向西呈规律变大，煤层易于对比，煤层厚度都在60m30m之间。分叉尖灭带处于厚煤带与稳定带的东南、西北两翼，与厚煤带的方向垂直分布。厚煤带向东南煤层急剧分叉变薄，厚度变小，煤层很难对比。F17以北煤层则逐渐分叉，厚度逐渐变薄。3) 煤层（组）对比因该区岩性变化较大，且标准化石很少，无明显的标志层，分煤层对比较困难（煤分层较多）。煤层对比的依据：a 以煤层为主要标志层，该区6煤组厚度变化均在可采范围之内，全区赋存。直接顶板为0.50-1.00m左右的黑色的泥岩，厚度均匀，全区赋存。6煤组底板作为对比基线。b 杏园组黑色的泥岩。该层与10组组间距为7080m左右，全区普遍赋存，层理发育。是元宝山煤组煤层的标志。c 5、6煤组的层间对比根据其间的岩性。d 6煤组底板砂砾岩层。e 物性标志层。煤层（组）对比方法：根据上述标志层，先确定6煤组层位，以此为基线对比上下各煤层（组）。当6煤与杏园组黑色泥岩并存时，首先根据黑色泥岩与10煤组间距确定10煤层位，然后参照间距对比中间各组。如只有6煤组，则根据物性标志层确定7、8煤组。6煤以上各煤组对比主要根据5、6煤组间岩石层特征参照层间距对比各煤组。1.3 矿石质量及围岩特征1.3.1 煤的物理性质煤的颜色一般呈黑褐色，稍经风化后呈黑色，条痕呈褐色，光泽为弱油脂状和沥青状，受风化后则变为暗淡光泽；性脆、吸水性强。断口：光亮型煤、半亮型煤常见贝壳状、平坦状断口；半暗型煤常见有不平坦状断口。节理：以不甚发育的柱状节理和立方节理为主。煤的密度：5煤层平均为1.54kg/L，6煤层平均为1.59kg/L。煤的原生裂隙和次生构造裂隙均不发育。煤的视密度在1.241.26 kg/L之间，平均为1.25 kg/L。结构：常见条带状结构，亮煤、暗煤互成条带状分布，镜煤、丝炭呈透镜状，丝炭具有纤维结构，亦可见到呈线理状的镜煤。煤岩特征：煤岩类型主要是半亮型，其次为半暗型，再次为光亮型及暗淡型煤。矿物质多为石英、粘土、局部黄铁矿较多。在裂隙中有时为方解石充填，矿物质约占5%左右。1.3.2 煤质特征各层煤的煤质特征见表1.5表1.5 各煤层煤质特征表煤层名称水分Mad %灰分Ad %挥发分Vdaf %粘结指数GR.I透光率PM %Qb,adkcal/kgQb,dafkcal/kg全硫St,d %灰熔融性ST4原煤14.59-19.2316.33（4）2.53-13.6310.92（4）43.88-51.7148.21（4）1-2314806-55745069（4）6840-70586983（4）0.71-1.160.94（2）1150净煤19.37-19.4519.41（2）8.28-8.778.52（2）31.45-44.2437.85（2）1504568295-2原煤13.52243242.34244440667320.571210净煤5原煤11.70-28.8316.17（15）8.20-23.2112.72（15）41.09-46.8543.52（15）1-230-474514-56465043（15）6586-72216885（15）0.69-1.651.04（8）1205净煤13.46-19.6416.90（10）6.83-12.708.98（10）37.64-45.5642.58（9）1-25271-53655333（3）6759-71026907（3）1.05-2.871.75（4）6-2原煤15.20-15.6215.47（2）8.83-13.6310.57（2）43.86-44.7844.19（2）1-2495205-52805253（2）6863-71046950（2）1.811125净煤16.516.741.4716原煤10.54-19.2214.37（36）7.02-18.5013.07（36）38.14-45.3443.02（36）1-350-604681-61235263（36）6867-74447071（36）0.83-3.111.76（14）1187净煤13.12-22.4417.35（20）6.18-11.948.74（20）40.24-45.2242.93（20）1-35327-57865578（5）6905-72807080（5）0.92-1.321.23（3）7原煤9.32-17.2613.13（25）10.42-38.7717.25（25）36.39-47.2742.24（25）1-249-613820-56275078（25）6223-74787103（25）0.78-2.891.55（8）1160净煤15.25-18.6216.88（10）9.77-11.8010.79（10）36.01-43.0841.00（10）1-2露天区原煤12.91-16.1114.78（83）10.57-34.3213.00（83）41.72-48.2143.24（83）1-230-614406-52915217（83）6732-71217039（83）0.57-1.811.48（32）1188净煤16.49-19.4817.15（42）6.70-10.258.74（42）40.08-42.9542.62（40）1-25067-55785463（9）6902-70807008（9）1.23-1.751.46（7）1.3.3煤的自燃倾向及发火精查勘探时，对煤的自燃倾向进行了研究：5煤鉴定3个点原样着火温度258266，平均263。6煤鉴定7个点原样着火温度260291，平均277。7煤鉴定3个点原样着火温度269277，平均273。氧化着火温度（T3）265267，平均266。还原着火温度（T1）324333，平均329。自然倾向等级T=T1-T3=63，是极易自燃煤层。另据元宝山露天矿近几年的生产实践，本区煤层极易自燃，发火期13个月，生产中应注意防、灭火工作。1.3.4煤层(组)顶底板岩性煤组顶底板岩性见表1.6。表1.6 煤组顶底板岩性表序号 煤组名称煤组顶板岩性煤组底板岩性13煤组顶板以灰白色粉砾岩为主，亦有少许泥岩。钙质胶结，风化易碎。底板亦是灰白色粉砾岩，局部有石英质中砂岩。24煤组直接顶板有1m左右的灰白色粉砂石，层理不明显，以石英颗粒为主砂泥质胶结。底板为灰白色细砂岩，逐渐过渡为粗砂岩。35-2煤组顶板为灰白色石英质细砂岩，松散。底板为灰白色石英质细砂岩，泥质胶结，粗细相间，构成条带状构造。45煤组顶板为灰、灰黑色粉砂岩，成份以石英、长石及炭屑为主，粘土质胶结，水平及微波状层理发育。底板在13线以南为灰、灰黑色粉砂岩。13线以北变为中、粗砂岩，颜色变浅。56-2煤组直接顶板为灰、灰白色粉砂岩，呈水平及波状层理，含有 灰屑及植物化石，厚约1m1.5m。伪顶板变为中、粗砂岩，钙质胶结松散。底板为灰、灰白色粉砂岩，泥质胶结，厚层状。66煤组直接顶板为黑色泥岩，厚0.5m1.0m，伪顶为灰白色钙质胶结粗砂岩，以石英颗粒为主，松散。底板在13线以南为沙砾岩，余者均为灰黑色细砂岩或黑色泥岩。77煤组顶板均为灰白色细砂岩，成份以石英颗粒为主1.3.5各煤层间夹石及其成分 各煤层间夹石及其成分见表1.7：表1.7 各煤层间夹石及其成分表序号 煤组名称各煤组间夹石及其成份1三-四煤组煤层间夹石，上部位灰色细砂岩，下部为灰白色粗砂岩，成份以石英颗粒为主，砂泥质胶结。2四-五-2煤组煤层间夹石，以灰黑色泥岩，灰白色砂岩及不可采之薄煤层为主。3五-2-五煤组煤层间夹石，以灰、灰白色中，粗砂岩为主。4五-六-2煤组煤层间夹石，以灰、灰白色中，粗砂岩为主。5六-2-六煤组煤层间夹石，上部为灰色细砂岩、泥岩含有完整的植物化石，下部为灰白色粗砂岩，成份均为石英颗粒，钙质胶结6六-七煤组煤层间夹石，以灰色砂岩、细砂岩、泥岩为主。1.3.6围岩物理力学性质各种岩石物理力学性质试验样见表1.8：表1.8 岩石物理力学试验成果表 岩性项目粗砂岩中砂岩细砂岩粉砂岩泥岩比重(g/cm3)2.682652.652.642.57容重(g/cm3)2.212.262.212.221.95含水率（%）2.896.685.998.2619.33凝聚力(kPa)2246154012951074148.6内摩擦角(o)31.032.428.127.328.81.4水文地质特征1.4.1 地表水系1)老哈河该河发源于河北省平泉县七老图山脉的光头山，在矿区的南部由西南向东北方向流去，全长421.8km，流域面积33076km2，历年最大洪峰9840m3/s（太平庄站1962年7月26日），最小流量为0，据19551981年统计，多年平均径流量4.297亿m3，年平均流量13.6m3/s，河床宽5001000米，河流比降1/8001/900，河床及河漫滩主要由砂、砂土及砾石组成。2)英金河发源于河北省围场北部山区（七老图山）热水附近，全长194.6km，流域面积10598km2，历年最大洪峰2650m3/s，多年平均径流量4.02亿m3，多年平均流量12.8m3/s，元宝山露天矿在英金河下游，下游比降1/7001/800，河床宽度变化较大，为200900m，主流摆动大，对两岸旁蚀较强，洪水期常造成河岸坍塌。1.4.2 地下水系1)第四系含水层、隔水层a 第四系孔隙潜水含水层本层又分为上段和下段，上段为强富水段主要由冲积、洪积（Q31a1-pl）作用形成的圆砾夹砂砾及卵石层组成，分布在整个露天区，是区内的主要含水段，其上被表土所覆盖，其下则直接与中等富水段（英金河以南）、或粘土、玄武岩接触（英金河以北），本层在首采区的加权平均厚度21.09米，钻孔单位涌水量为53.63 L/sm143.1L/sm，渗透系统为255.4 m/d636.98m/d，潜水面坡度一般为12，在上游芦家营子一带其坡度为3.0%5.5%，潜水流向与河流流向一致。下段为中等富水段，主要由冰碛、冰水堆积（Q21g1-fgl）之泥砂质砾（卵）石夹砂砾、砂等组成，分布在露天区的大部分范围，深度一般为30m90m，厚10m35m，在露天区首采区该段加权平均厚度19.57m，渗透系数为122.59 m/d 146.64m/d。b 第四系承压弱含水层主要由冰碛、冰水堆积之泥砂质砾（卵）石夹砂、砂砾层组成，分布在英金河以北，其上为亚粘土及玄武岩所覆盖，其下为露天之煤系地层及其它第四纪前各时代地层，一般埋深45m70m，一般厚为2m8m，钻孔单位涌水量为0.7L/sm，渗透系数16.86m/d。c 第四系隔水层由坡积、洪积作用沉积的亚粘土及火山熔岩流堆积的玄武岩层（Q12a1-p1-）组成。2)基岩含水层及断层水为富水性弱的侏罗系含煤系孔隙裂隙承压弱含水层，主要由砂岩、砂砾岩及粉砂岩组成，一般厚50m150m，钻孔单位涌水量为0.08l/sm，渗透系数平均为0.083m/d。F1断层断裂破碎带充水，其渗透系数0.0089m/d。3)含水层的补给来源及地表水的水力联系露天区主要含水层第四系潜水层，主要受英金河上游河水和大气降水的渗入补给，其次是处于河谷平原周围地势的基岩裂隙水、黄土丘陵区的孔隙水和几个主要渠道的渗入补给，地下水与河水存在着水力联系。元宝山露天区域水文地质特点如下：在一个大约130km2的长方形河谷平原上，有一个富水性强的第四系潜水含水层，两条河流（英金河、老哈河）；三个进出水口（芦家营子、小五家进水口和兴隆坡总泄水口）；四周为相对隔水的黄土（或基岩）边界。 1.5 勘探程度评价元宝山露天勘探区为满足设计、设备选型要求，在勘探区内部设了东西、南北两个方向的平行勘探线，东西与南北向的勘探线距：2、2B、3线距为100m；89线为300m；1617线为285m；1718线为315m；其余勘探线距为200m。1980年以后施工的钻孔一般布置在勘探线上，进一步加密了钻孔的密度。钻孔孔距最小为40m，最大的为400m，一般为150200m。露天区钻孔的密度达27.4个/km2，11线以南钻孔的密度达35.9个/km2。元宝山露天从1954年至1992年，共计施工地质勘探钻孔计357个，无岩芯钻孔总计82个，分段取芯钻孔49个。19个钻孔为测井。本次储量复核报告资源/储量计算采用钻孔276个，对煤层的质量评级采用原精查勘探报告及其边坡、剥离物强度勘探报告的评级结果，共统计见煤钻孔253个，见煤点631个，甲级点516个，乙级点83个，丙级点12个，无级别20个。甲乙级率为95%。1.6 附图附图：典型地质断面图 综合柱状图图1.2 第10剖面图 图1.3 第24剖面线2 边坡稳定分析2.1 稳定分析计算及断面的确定2.1.1区内地层分析区内地层从老到新分别为：侏罗系上统（J3）、白垩系下统（K1）、第三系上新统（N2）、第四系（Q）。先由老到新分述如下：1）侏罗系上统（J3）杏园组（J34）：本组地层相当于辽西地区的九佛堂组，分上、中、下三段。元宝山含煤组（J35）：本组灰、灰白色粗砂岩为主，夹中、细砂岩、砾岩、灰黑色泥岩和煤层。整个含煤地层是一个河漫相和湖泽相碎屑岩含煤建造。含煤地层厚250-470m，一般厚340m，含有12个复煤层（组），累计平均可采总厚84.29m。以分布于含煤地层中部、全区发育的五、六煤组为主要可采煤层，是露天开采的主要对象。含煤地层中各类岩石平均组分为：煤占30.4%，碳泥岩占1.0%，泥岩占8.7%，砂岩占59.1%，砾岩占0.8%。2）白垩系下统（K1）孙家湾组（K1S）：分布于露天北部的东、西两侧。以紫红色和黄褐色砾岩为主，局部夹砂岩。砾石成分比较复杂，大小不均，砾径一般3-5cm，各别达1m以上。露天区内仅19线以北见此地层，其厚度为75m。不整合于侏罗系及以前诸地层之上。3）第三系上新统（N2）露天所见第三系地层，依岩性可分为下部紫红色砂砾岩段、上部玄武岩段和红土砂砾层段。4）第四系（Q）新统（Q3）：主要为园砾夹砂、卵石层和黄土、黄土状亚砂土、亚粘土组成。土层细而致密，具直立节理。砂砾层为富水性强的含水层。全新统（Q4）：主要分布于老哈河、英金河等河谷地带。由现代河流冲积物组成。一般只几米厚。以砂砾为主，风成砂、亚砂土、亚粘土次之。在露天开采范围内，剥离物除第四系表土外，主要是砾岩、砂岩和部分泥岩,玄武岩只在18勘探线以北的东北角有分布，厚度在7m34m，量不多。剥离岩石一般普氏硬度系数为23。2.1.2 计算剖面的确定结合上述地质资料的分析，取四个帮的典型剖面：东帮：10号勘探线剖面南帮：24号勘探线剖面西帮：10号勘探线剖面北帮：24号勘探线剖面 上述剖面位置的选择基本位于所在边帮的中部，能反映边帮的岩层组成，故选其作为边坡的典型剖面，用来分析边坡的稳定性。2.1.3 各帮工程地质分析1)南帮：组成边坡的岩土层为第四系亚粘土、砂砾、泥砂质砾石。27线以西第四系下伏地层为第三系粘土岩、泥岩、砂砾岩，倾角近水平，其下为侏罗系上统元宝山组的砂岩、泥岩，含9煤组。影响该帮边坡稳定性的因素有：在第四系地层底部有冰川泥砾或粘土，可能引起土与岩石接触面的滑动。地下水沿露头补给6煤底板以下的岩层，使其岩石力学指标降低而易产生滑动。27线以西为第三系剥蚀区，由粘土、泥岩、砂岩、砂砾岩组成，岩性松软，部分岩性混杂，易于产生滑动。第三系与煤系地层接触处，因煤系地层长期经受风化剥蚀，力学强度降低易产生滑动。该段煤系地层岩石抗压强度较低，且多薄煤层、炭质泥岩及煤层底板泥岩，这些强度较差的岩层可能是引起边坡滑坡的弱层。2)东帮：位于F1号断层的东侧，组成东帮边坡的岩性除第四系外，主要是侏罗系杏园组地层。该层分上、中、下三段；上段以灰黑色泥岩、粉砂岩为主，仅在9线以北赋存；中段以灰色、灰绿色砂砾岩、砂岩、砾岩为主，夹有泥岩，局部含薄煤层，下段以紫红色、灰绿色砾岩为主，夹砂岩、砂砾岩及泥岩薄层等，以泥质胶结为主，有少量钙质胶结。F1号断层是露天东部边界，在F1号断层以东有10条断层，均为正断层，落差为10100m左右。由此可见东帮是由多条断层切割的强构造破碎带，因此东帮边坡岩体完整性较差。影响东帮边坡稳定性的主要因素有：第四系层较厚，底部有冰川泥砾，基岩为多条断层切割，形成构造破碎带，在第四系层间水的影响下，降低了岩石强度，对边坡稳定性影响较大。F1断层两侧的岩层因受断层的影响，岩石，具有破裂面，断层面倾向坑内，易于产生不同结构形式的滑动面。3)西帮：组成边坡的岩性为68层煤之间的煤系地层，以砂岩为主，夹薄煤层及泥岩，地层倾角平缓，倾角约10左右，6煤露头直接与第四系地层接触，该帮工程地质条件简单。影响边坡稳定性的因素有：基岩风化带岩石松软，对边坡稳定性不利。薄煤层及其下部有薄的泥岩存在，构成影响边坡稳定的软弱面。4)北帮：组成北帮边坡的岩性为6号煤以上的煤系地层和第四系地层，岩石以灰至灰白色致密块状粉、中砂岩为主，夹薄层泥岩。由于此帮为工作帮，边坡角不大且岩层倾向与边坡倾向相反，故对边坡稳定有利。影响边坡稳定性的主要因素有：北帮有英金河水补给，对第四系层应采取有效的疏干措施，尽量降低残余水头，否则不但影响第四系层的台阶稳定，也对轮斗作业不利。2.1.4边坡稳定性计算方法、稳定系数的选取1）计算方法本区地层为缓倾斜地层，煤层倾角较小，断层较多，断层规模较大，落差也较大。露天煤矿在沿煤层浅部拉沟，最终边坡高度相对较大。元宝山露天矿上部有40m70m厚表土（沙砾石），表土边坡容易发生滑坡，下部岩层、煤层相对稳定。均质土坡的滑面多呈圆弧形状。露天矿的排土场边坡，选用圆弧滑面进行稳定性计算。因此在进行边坡稳定分析时滑坡模式为圆弧滑坡。圆弧滑面的计算方法有：Fellenius条分法； Bishop法；FLAC软件辅助设计。计算时选用FLAC软件辅助设计。理由如下：Fellenius条分法是在边坡角确定的条件下依靠不断重复前面的计算过程使得边坡稳定性系数逐渐缩小，此次条件下所得出的结果中最小值即为一次边坡的稳定系数。此法繁琐，需花费较多时间，且计算精度不高；Bishop法是对Fellenius条分法的改良，考虑了分条间的水平力，提高了计算精度。但Bishop法的精确解法相当繁杂，简化解法忽略了剪力，计算精度得不到保证；FLAC程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟大变形和扭曲。FLAC采用显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究工程地质问题非常重要。FLAC程序具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使用者还可根据需要，将若干个变量合并在同一副图形中进行研究分析。该程序自1986年问世后，经不断改版，已经日趋完善，现在是国际上广泛应用的可靠程序。2）稳定系数的选取 见表2.1表2.1 边坡稳定性系数选取表边坡类型服务年限（a）稳定系数边坡上有特别重要的建筑物或边坡滑落会造成生命财产重大损失者201.5采掘场最终边坡201.31.5非工作帮边坡101020201.11.21.21.31.31.5工作帮边坡临时1.01.2外排土场边坡201.21.5内排土场边坡10101.21.3上述值是根据矿山经验和综合以往的地质资料选取的。由于矿山工程地质和水文地质资料不充分，同时未考虑到水、震动等实际情况的影响，本设计从安全可靠的思想出发，稳定系数取在1.21.5之间。2.2 采场边坡稳定2.2.1 计算参数确定采场的边坡的稳定性取决于边坡岩体的强度，岩体的强度和岩块的强度及节理的密度有关。根据地质资料提供的数据和矿山的经验，确定岩体的具体强度如表2.2：表2.2 岩体力学强度指标表 指 标岩 性内摩擦角（）粘 聚 力（MPa）容 重(t/m3) 泥岩250.031.96煤300.061.22砂质泥岩260.042.12粉砂岩280.051.98粗砂岩310.031.97中砂岩290.041.98第四系砂层320.001.902.2.2最终帮坡角的确定 在本设计中确定最终稳定边坡角的原则：计算所得的稳定系数值均大于1.2；在保证边坡安全的前提下， 帮坡角应尽量大，以减小剥采比；考虑到24号勘探线剖面的南北帮为端帮，随着采矿工程的发展将会考虑内排，端帮存在的时间就不会太长，所以这两个帮的稳定性可以在安全的前提下取较大的值；最终帮坡稳定系数的选取，决定选用FLAC软件计算。根据上述方法，本设计采用不同的边坡角对每个剖面进行边坡稳定计算，对所得的各个边坡稳定性进行综合分析，选取最佳的角度作为边坡角。以东帮为例，详细过程如下：1）东帮边坡角计算根据第10号勘探线剖面的实际情况，根据岩层的走向，倾向、剖面位置、倾角，建立东帮边坡模型。模型图如图2.1: 图2.1 东帮模型图该地层含有四个地层，由上到下分别为：第四系（Q）、侏罗系上统（J3）杏园组（J34-3）上部泥岩段、（J34-2）中部砂砾岩段和（J34-1）五家砾岩段。各地层主要岩体的强度见表2.3表2.3 体力学强度指标表地层 指 标岩 性内摩擦角（）粘 聚 力（MPa）容 重(t/m3)Q砂层320.001.90J34-3泥岩250.031.96J34-2砂岩300.041.98J34-1砂岩300.041.98根据上图，在Flac软件建模如图2.2: 图2.2 东帮模型图将上表中的参数输入到程序中，分别选取边坡角度为20、22、24、26、28五个边坡角，计算结果分别如表2.4：表2.4 东帮边坡角与稳定系数关系表边坡角（）2022242628稳定系数1.52 1.40 1.29 1.15 1.08 将上述数据经过分析和整理可得图2.3：图2.3 东帮稳定性从上面关系图可以看出，稳定系数大小与边坡角大小是成递减关系的，边坡角越大，稳定性越差，反之越好。从图上可以看出，在满足矿上边坡稳定系数范围内，并考虑减少剥离量等因素，选取边坡角为24。由滑坡的位移矢量图可以得出，滑坡模式为圆弧滑坡。2）西帮边坡角计算根据第10号勘探线剖面的实际情况，建立西帮边坡模型，分析地层岩性，应用软件FLAC制作模型等方法、过程与东帮边坡角计算相同。分别选取边坡角度为20、22、24、25、26、28六个边坡角，计算结果分别如表2.5：表2.5 西帮边坡角与稳定系数关系表边坡角（）202224252628稳定系数1.631.61 1.461.31.241.14 将上述数据经过分析和整理可得图2.4图2.4 西帮稳定性从上面关系图可以看出，稳定系数大小与边坡角大小是成递减关系的，边坡角越大，稳定性越差，反之越好。从图上可以看出，在满足矿上边坡稳定系数范围内，并考虑减少剥离量等因素，选取边坡角为25。由滑坡的位移矢量图可以得出，滑坡模式为圆弧滑坡。3）南帮边坡角计算根据第24号勘探线剖面的实际情况，建立南帮边坡模型，分析地层岩性，应用软件FLAC制作模型等方法、过程与东帮边坡角计算相同。分别选取边坡角度为20、22、24、25、26、28六个边坡角，计算结果分别如表2.6：表2.6 南帮边坡角与稳定系数关系表边坡角（）202224252628稳定系数1.70 1.68 1.64 1.31 1.23 1.12 将上述数据经过分析和整理可得图2.5：图2.5南帮稳定性从上面关系图可以看出，稳定系数大小与边坡角大小是成递减关系的，边坡角越大，稳定性越差，反之越好。从图上可以看出，在满足矿上边坡稳定系数范围内，并考虑减少剥离量等因素，选取边坡角为25。由滑坡的位移矢量图可以得出，滑坡模式为圆弧滑坡。4）北帮边坡角计算根据第24号勘探线剖面的实际情况，建立北帮边坡模型，分析地层岩性，应用软件FLAC制作模型等方法、过程与东帮边坡角计算相同。分别选取边坡角度为20、22、24、25、26、28六个边坡角，计算结果分别如表2.7：表2.7 北帮边坡角与稳定系数关系表边坡角（）202224252628稳定系数1.761.64 1.431.321.241.13 将上述数据经过分析和整理可得图2.6：图2.6 北帮稳定性从上面关系图可以看出，稳定系数大小与边坡角大小是成递减关系的，边坡角越大，稳定性越差，反之越好。露天矿向北推进，北帮为工作帮，在满足矿上边坡稳定系数范围内，为减少超前剥离量等因素，边坡角可以取稍大一些，故选取边坡角为26。由滑坡的位移矢量图可以得出，滑坡模式为圆弧滑坡。通过以上计算，并参考确定最终稳定边坡角的原则，最终确定的各帮边坡角如下表2.8表2.8 元宝山露天矿采场边坡角边坡位置与名称稳定系数边坡角（）东帮边坡1.2924西帮边坡1.3025南帮边坡1.3125北帮边坡1.24262.2.3台阶坡面角的确定依据露天采矿手册和相似矿山的生产经验，本设计确定本矿的台阶坡面角为：表土台阶：55煤岩台阶：652.3 排土场的边坡稳定排土场最大排弃高度约为100m。排土场为松散的物体，边坡滑移模式为圆弧形，由于排土场的基底是较坚硬的砂岩和砂质泥岩，从定性分析上可知，边坡滑移时切入基底滑移的可能性不大。由于矿山工程地质和水文地质资料不充分，同时在未考虑到水、震动等实际情况的影响，设计从安全可靠的思想出发，稳定系数取在1.31.5之间。排弃物强度参数见表2.9。表2.9 内排土场边坡稳定计算岩体强度参数表名 称凝聚力 (MPa)内摩擦角 ()容重 (tm3)排弃物0.03251.86用FLAC软件辅助设计，制作边坡模型，方法同上节计算东帮边坡角。分别选取边坡角度为20、21、22、23、24、25各个边坡角的情况计算，结果见表2.10：表2.10 排土场帮坡坡角与稳定系数关系表边坡角（）202122232425稳定系数1.64 1.57 1.51 1.44 1.38 1.28 将上述数据经过分析和整理可得图2.7：图2.7 排土场边坡稳定性经计算，内排土场边坡角度在22度时，其稳定系数为1.51，可保证边坡的稳定。结果如表2.11。 表2.11 元宝山露天矿排土场边坡角边坡名称稳定系数边坡角（）内排土场1.5122外排土场1.51222.4 边坡监测为了保证露天矿生产和周边设施的安全，在生产过程中必须加强边坡管理，及时发现和治理边坡。为此，除了加强采场和排土场的疏干、防排水措施外，还应在最终边坡上设置监测网。布置的原则是：在采场最终边坡上，随着到界边坡的延长不断增加监测点，监测在旱季12个月一次，雨季1个星期一次。当发现异常情况时，在异常点附近建立3条边坡倾向方向的监测线，以确定滑坡范围，必要时应设置地下位移监测孔确定滑动位置，为治理边坡提供依据。在排土场的最终边坡上，每隔12个台阶设置一个监测点，并在排土场下部境界外侧100m范围内布置两条位移监测线，监测周期与采场边坡监测周期相同。除了用仪器仪表监测边坡变形之外，还应经常对采场边坡和排土场边坡进行巡视，发现失稳现象，尽早采取措施，防止事故的发生。3 开采境界和储量计算3.1经济合理剥采比3.1.1 经济合理剥采比分类随着露天开采境界加大，其边界层中的岩石量与矿石量之比值及边界层矿石的开采成本相应提高，合理的开采境界应使露天开采边界层的原矿成本等于地下开采的原矿成本。确定经济合理剥采比的方法基本可以分两类：一类是以比较露天和地采的合理性为基础的，即对于浅部露采，深部地采的矿床，按露采和地采的成本、单位工业储量盈利、或加工的产品成本相比较以确定经济合理剥采比。另一类是以矿石允许价格为基础，对于目前仅用露天开采浅部而深部暂不开采的矿床，可根据矿石价格或加工的产品价格确定经济合理剥采比。经济合理剥采比的计算方法归纳如下：1）部分宜用露天开采、部分宜用地下开采的矿床 t/ m （3.1）适用于露天地采的贫化损失相同或近似，矿石资源丰富且不很贵重 t/ m （3.2）适用于露天地采的贫化损失差别较大，矿石价格较贵2）部分宜用露天开采、部分暂不开采的矿床 t/ m （3.3）元宝山煤田，煤层倾向为NE25，倾角变化在314之间，西部和南部埋藏浅，甚至有露头出现；东北部最深，在西北部被较大断层切割，南部煤层多为“马尾”状分叉。煤田北部较深处有建昌营镇煤矿和老公营子煤矿两个地采矿。煤质为褐煤，资源丰富且不很贵重。因此元宝山露天煤矿采用地采成本与露天开采成本相等的原则来计算经济合理剥采比，选择公式（3.1）来计算。公式： t/ m式中，CD-地采成本，元/t； a-采煤成本，元/t； b-剥离成本，元/。3.1.2 经济指标的选取 1）煤的地采成本CD 根据当地的几家地采煤矿的生产状况，本设计采用的地采成本为120.0 元/t。 2）露天纯采煤成本a a = a0 + ab + ac + at + ad + a j+ a g （3.4）式中： a0 + ab-穿爆成本，1.74元/t； ac-电铲采装费用，1.99元/t； at-运输费用 5.50元/t（达产年半连续工艺：汽车平均运距1.25，运费1.6元/t；带式输送机平均运距3.5，运费1.0元/t；at=1.251.6+3.51.0=5.5元）； ad-地面生产系统及辅助费用，元/t； aj-间接费用，元/t； ag-其他费用，元/t； ad+ aj+ ag = 0.79，元/t；合计：a = 10.02元/t。 3）纯剥离成本bb = b0 + bb + bc + bt + bp + bd + b j+ bg （3.5）式中：b0 + bb-穿爆成本，2.17元/； bc-电铲采装费用，2.49元/； bt-运输费用，11.85元/（达产年半连续工艺：汽车平均运距1.5，运费2.5元/m；带式输送机平均运距4.5，运费1.8元/m；at=1.52.5+4.51.8=11.85元）； bp-排土费用，1.02元/； bd-地面生产系统及辅助费用,元/； bj-间接费用，元/； bg-其他费用，元/； bd+ bj+ bg = 1.54, 元/； 合计：b= 18.95元/。上述各种指标的选取都是根据相似矿山的实际数据，并结合近期的实际生产中的各项数据综合考虑得出来的。3.1.3 经济合理剥采比的确定根据上述所选取的数值计算如下：nj = (CDa) / b = ( 120.010.02 ) / 18.95= 5.80( m3/t)3.2境界3.2.1开采境界确定的原则及依据：依据：根据公司提供的地质资料，地形图及煤岩赋存情况资料；根据矿区的地质情况确定境界。原则：露天矿正常生产时的成本应不超过地下开采的生产成本和允许成本；根据自然生产剥采比小于经济合理剥采比确定境界，即nk nj ；在经济因素影响下，应尽可能使开采境界获得的矿石储量最大，以充分利用资源。3.2.2境界剥采比 元宝山露天矿煤层为近水平、缓倾斜煤层，而且矿田范围较大。确定境界剥采比时，在剖面图上用“边坡线段法”确定境界剥采比。对于不需要剥离底板岩石的倾斜、缓倾斜、水平矿床的露天矿，也就是一个顶帮的剥岩量，境界剥采比就是顶帮的边帮剥采比（图3.1），m/m （3.6）ag边坡线；
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