井工開采對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性影響研究*

葛勇勇 張紅兵 趙洪寶 左建平 邢俊瀧

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院;2.河南工程技術(shù)學(xué)校采礦系)

隨著我國(guó)各露天煤礦開采歷史的延長(zhǎng)和國(guó)家土地保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，露天礦開采深度和工作幫邊坡角均呈明顯被迫增大趨勢(shì)。雖然增加邊坡角的大小可以在一定程度上緩解對(duì)土地的破壞，但帶來(lái)的安全隱患也隨之增加，如露天礦邊幫巖體結(jié)構(gòu)劣化、滑坡危險(xiǎn)增加等。因此，要解決在節(jié)約土地資源和解除安全隱患雙重壓力下盡可能多地回收煤炭資源問(wèn)題，就必須解決開采工藝和技術(shù)上的瓶頸，這也使得露天與地下聯(lián)合開采，或露天轉(zhuǎn)地下開采工藝及所帶來(lái)的科學(xué)問(wèn)題成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

如果在露天礦開采末期轉(zhuǎn)入地下開采，將可以在較大程度上回收因露天開采工藝缺陷而導(dǎo)致的剩余煤炭資源，但是回收露天邊幫下的煤炭資源時(shí)，可能帶來(lái)露天礦高陡邊幫的失穩(wěn)問(wèn)題，同時(shí)誘發(fā)井工開采部分的頂板事故，這極可能造成嚴(yán)重人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，也會(huì)導(dǎo)致露天與地下聯(lián)合開采、露天轉(zhuǎn)地下開采工藝的徹底失敗。因此，研究露天邊幫下井工開采回收煤炭資源時(shí)，井工開采部分頂板巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性的影響將十分關(guān)鍵。本研究以安太堡露天礦為工程背景，對(duì)井工開采露天邊幫下剩余煤炭資源時(shí)的井工開采部分頂板巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 工程背景與數(shù)值模型

1.1 工程背景

安太堡露天煤礦開采歷史已近30 a，該礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 533萬(wàn)t/a，實(shí)際生產(chǎn)能力約為2 500萬(wàn)t/a，2012年1—9月已生產(chǎn)原煤約2 000萬(wàn)t。該礦主采煤層為4#、9#、11#3個(gè)煤層，其中4#煤層厚約10 m，9#煤層厚約14 m，9#煤層埋藏深度約為220 m。該礦設(shè)計(jì)工作幫邊幫角35°，全礦分4個(gè)采區(qū)，即一、二、三及后備區(qū)，現(xiàn)已經(jīng)基本完成了二、三采區(qū)的轉(zhuǎn)向工作，而9#煤和4#煤以上平盤已經(jīng)全部完成轉(zhuǎn)向，如圖1所示。因此，4#和9#煤層開采完畢后，將可能在邊幫角范圍內(nèi)剩余大量的煤炭資源，本研究即以井工開采露天邊幫內(nèi)剩余的9#煤時(shí)的工作幫為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究井工開采露天邊幫下剩余煤炭資源時(shí)的井工開采部分頂板巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性的影響。

圖1 安太堡露天礦實(shí)景

圖2 三維數(shù)值模型

1.2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)安太堡露天煤礦實(shí)際情況(圖1)并做適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立了該礦簡(jiǎn)易的三維數(shù)值模型，其尺寸為600 m×300 m×232 m，如圖2所示。

經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化和必要合并后，研究的地層主要涉及有4#煤層、9#煤層及其間的主要土層、巖層共12層，見表1。

按照實(shí)際的邊幫角和開挖進(jìn)度規(guī)劃，逐層開挖形成最終的露天礦邊幫條件，如圖3所示。

表1 涉及地層及主要參數(shù)

圖3 露天開采末期形成的露天邊幫

形成露天邊幫后，模擬井工開采9#煤層，自距模型左邊界100 m處開始向露天邊幫方向推進(jìn)，推進(jìn)速度為10 m/d，如圖4所示。分別研究并分析推進(jìn)過(guò)程中井工開采部分頂板運(yùn)動(dòng)特征及對(duì)露天邊幫穩(wěn)定性造成的影響。

圖4 井工開采位置及推進(jìn)方向

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)建立的數(shù)值模型及設(shè)計(jì)的開采計(jì)劃，得到了不同推進(jìn)時(shí)井工開采部分頂板巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性造成的影響。

2.1 井工開采頂板巖層運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

為了清楚準(zhǔn)確地研究露天邊幫下采煤煤層頂板運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并消除數(shù)值模型因邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，取模型Y=150 m(即模型中部)處平面為研究對(duì)象，對(duì)其在不同開挖距離下的Z方向應(yīng)力、變形進(jìn)行觀察分析。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 頂板內(nèi)Z方向的應(yīng)力演化特點(diǎn)

分析圖5、圖6可知:

(1)井工開采前的露天邊幫體內(nèi)，Z方向的壓應(yīng)力、變形均自左至右呈非線性降低。這是因?yàn)樾纬陕短爝厧腕w時(shí)，自左至右需剝除的那部分巖土體量逐漸增加，其下部巖土體內(nèi)受到的上覆巖土體自重應(yīng)力逐漸減小，加之因巖土體剝除而導(dǎo)致的左邊應(yīng)力偏移的共同作用，導(dǎo)致露天邊幫體內(nèi)的應(yīng)力、變形均呈非線性變化。

(2)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，在采場(chǎng)前后端均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且推進(jìn)端應(yīng)力集中要小于起始推進(jìn)端應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中總體呈逐漸增加趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵诰ね七M(jìn)方向上邊幫部分所受上覆自重應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)，在受到相同程度采動(dòng)影響后所處應(yīng)力環(huán)境較低的部分出現(xiàn)的應(yīng)力集中自然較小所致。

(3)隨著井工開采推進(jìn)距離的增加，推進(jìn)端應(yīng)力集中增加不明顯，而推進(jìn)起始位置處應(yīng)力集中增加非常明顯。這可能是因?yàn)樯细沧灾貞?yīng)力的減小對(duì)應(yīng)力集中的削弱作用與采動(dòng)對(duì)應(yīng)力集中的增加作用部分相互抵消，導(dǎo)致推進(jìn)端應(yīng)力集中增加不明顯;而推進(jìn)起始位置處僅有采動(dòng)對(duì)應(yīng)力集中的增加作用，從而導(dǎo)致其應(yīng)力集中顯著增加。

圖6 頂板內(nèi)Z方向的變形演化特點(diǎn)

(4)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，煤層頂板內(nèi)原因?yàn)樯细矌r層自重應(yīng)力作用而產(chǎn)生的變形逐漸減小，且存在著明顯的減小不均勻現(xiàn)象，呈左端減小程度小、右端減小程度大的趨勢(shì)。這是因?yàn)橄鞒糠謳r土體后形成的露天邊幫內(nèi)，由于上覆巖層自重應(yīng)力的逐漸減小導(dǎo)致其下伏巖層產(chǎn)生的壓縮變形也逐漸減小，再受到相同程度采動(dòng)作用后，其壓縮變形發(fā)生的變化也將較小所致。

(5)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，煤層頂板內(nèi)在靠近露天邊幫的一側(cè)將率先出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，這也將是煤層頂板率先會(huì)破壞失穩(wěn)的區(qū)域。

2.2 露天礦邊幫穩(wěn)定性造成的影響

隨著露天邊幫下井工開采的不斷推進(jìn)，由此產(chǎn)生的采動(dòng)作用將逐漸作用于露天邊幫之上，可能引起露天邊幫的變形、破壞，甚至產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)。因此，研究露天邊幫在井工開采采動(dòng)作用影響下向自由方向(X方向)運(yùn)移、變形規(guī)律，對(duì)于合理確定井工開采停采線、維護(hù)露天邊幫穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同井工推進(jìn)度條件下的露天礦邊幫向自由方向(即X方向)移動(dòng)變形的特點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 不同推進(jìn)度時(shí)露天邊幫向X方向運(yùn)移特性

分析圖7可知:

(1)經(jīng)過(guò)露天開采后形成的露天邊幫內(nèi)部存在明顯的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)多位于邊幫深部的中部，區(qū)域大小與邊幫總高度有關(guān)。這可能是在進(jìn)行露天開采時(shí)，邊幫各個(gè)部分削除的上覆巖土體量不同，導(dǎo)致邊幫內(nèi)部各處被卸載量不同，從而在邊幫內(nèi)部局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

(2)經(jīng)過(guò)露天開采后形成的露天邊幫已經(jīng)存在了向自由方向發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)與動(dòng)力，其滑移動(dòng)力即為上部邊幫巖土體的自重力。分析可知，這種滑移動(dòng)力的大小與邊幫角大小密切相關(guān)，且超過(guò)某一臨界值后，邊幫體就會(huì)發(fā)生自動(dòng)下滑。

(3)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，邊幫體內(nèi)應(yīng)力將出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，且分布區(qū)域明顯向邊幫的自由方向偏轉(zhuǎn)，這將有可能促使露天邊幫向自由方向發(fā)生滑移。這可能是因?yàn)榫ら_采產(chǎn)生的采動(dòng)作用，促使開采煤層的頂板具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，使采動(dòng)影響范圍的巖土體的邊沿出現(xiàn)局部的拉應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)這一區(qū)域與露天邊幫自由面貫通后，將可能在此處形成滑移面的起始位置。

(4)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，露天邊幫內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)域的范圍和大小不斷增加，且在井工開采的自由端將出現(xiàn)明顯的較大拉應(yīng)力區(qū)域，如此區(qū)域與露天邊幫自由面貫通，露天邊幫將在上覆巖土體自重應(yīng)力的推移、擠壓下發(fā)生滑移，而非邊幫體自身因素導(dǎo)致的滑移。這主要是因?yàn)榫ら_采產(chǎn)生的采動(dòng)作用加劇了露天邊幫坡腳處的巖體巖性的劣化，從而加速或加劇了露天邊幫的滑移。

(5)根據(jù)上述分析可知，井工開采在向著邊坡方向推進(jìn)過(guò)程中，存在著一個(gè)既使露天邊幫保持安全、又可實(shí)現(xiàn)盡量多回收煤炭的推進(jìn)尺度，該尺度即為理想的井工開采理論尺度。

3 結(jié)論

(1)隨著距露天開采地面停采線距離的不同，邊幫體內(nèi)壓應(yīng)力和壓應(yīng)變呈非線性減小趨勢(shì)，壓應(yīng)力、壓應(yīng)變大小及減小的幅度與邊幫角、上覆巖土體性質(zhì)、埋深密切相關(guān)。

(2)隨著井工開采的不斷推進(jìn)，其頂板內(nèi)的應(yīng)力集中呈不對(duì)稱分布，即推進(jìn)起始端應(yīng)力集中大而推進(jìn)端應(yīng)力集中小;頂板巖層變形也呈非線性分布，變形較大的部分明顯偏向推進(jìn)起始端。

(3)露天邊幫下開展的井工開采將促使邊幫體內(nèi)形成較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，且此區(qū)域的分布呈明顯偏向邊幫體自由端方向;導(dǎo)致邊幫體發(fā)生滑移的主要因素將是邊幫體上覆巖土體的擠壓、推移與井工開采產(chǎn)生的采動(dòng)作用對(duì)邊坡體底部巖體巖性的劣化作用。

(4)存在著一個(gè)既使露天邊幫保持安全、又可實(shí)現(xiàn)盡量多回收煤炭的推進(jìn)尺度，該尺度即為理想的井工開采理論尺度。

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