露天煤矿由于端帮边坡及井田境界保护的需要,致使遗留大量的段帮煤炭资源不能充分回收,给露天煤矿的服务年限和生产带来较大的影响。端帮采煤机或掘锚一体机的使用和膏体充填技术的发展为露天煤矿端帮遗留煤炭资源的安全回收提供了技术条件并带来了新的发展机遇。由于露天煤矿埋深相对较浅,上覆岩层综合岩性相对较软,给露天煤矿端帮遗留膏体置换安全回采带来了一定的技术难题。本文以内蒙古神伊煤矿露天开采地质采矿条件为依托,开展了露天煤矿端帮遗煤膏体置换开采边坡稳定性研究,通过现场调研、理论分析,相似材料模拟和数值模拟相结合的综合研究方法,对端帮遗煤膏体置换开采边坡长期稳定性进行了深入分析。主要研究结论如下:(1)结合内蒙古神伊煤矿露天开采地质采矿条件,建立了露天煤矿短帮遗煤膏体置换开采力学模型,对合理膏体置换开采尺寸和采-充工艺进行了计算和分析,在探讨膏体置换开采边坡稳定性的基础上对比了位移和应力分布对露天煤矿边坡稳定性的影响,揭示了充填体和煤柱联合支撑到全部由充填体支撑上覆岩层运动规律,对露天煤矿边坡稳定状态及灾变演化趋势进行了预测。(2)基于相似材料模拟实验,将露天煤矿短帮遗煤膏体置换开采采-充步骤分为两步:第一步按照一定的宽度将煤层分成多个窄条带煤柱,对其进行编号1、2、3…,首先开挖奇数号煤柱,开挖结束后及时充填并开挖下一个煤柱,最终上部岩层由充填体和偶数号窄煤柱联合支撑;第二步开采第一步中剩下的偶数煤柱并及时充填,直到所有煤柱开挖完毕并全部由充填体支撑。相似材料模拟实验结果表明,膏体置换开采可以有效控制露天煤矿短帮边坡的稳定性,边坡上覆岩层最大下沉量280.0mm,充填体最大受力9kPa。(3)根据内蒙古神伊煤矿露天开采地质采矿条件建立了端帮遗煤膏体置换开采数值模型,利用ABAQUS/CAE程序进行研究,揭示了露天煤矿膏体置换开采过程中边坡上覆岩层的运动规律,最大位移发生在短帮开采中部区域,膏体置换开采70m时地表最大下沉189.4mm,垮落法开挖70m时地表最下沉294.2mm;分析了开挖不同尺寸对露天边坡的影响,开挖70m时顶板下沉比开挖60m时增加6.9%,开挖80m时顶板下沉壁开挖70m增加了 3.3%,表明在一定的开采深度范围内露天煤矿边坡下沉量随着开挖尺寸的增加而增加,同时对充填材料的物理力学性质对端帮边坡稳定性的影响进行了分析。(4)露天煤矿端帮遗煤膏体置换开采边坡稳定性研究表明,膏体置换开采能够在提高露天煤矿短帮遗煤回采率的同时确保露天边坡的长期稳定性,在控制露天煤矿边坡的沉降和破坏的同时最大限度的采出端帮滞压的煤矿资源。研究对露天煤矿端帮遗煤安全回收具有重要的科学和工程意义。