基于RFPA的露井協(xié)采邊坡下井工開采方向優(yōu)化設(shè)計(jì)

鞠興軍 張周愛 金 磊

(神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021025)

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基于RFPA的露井協(xié)采邊坡下井工開采方向優(yōu)化設(shè)計(jì)

鞠興軍 張周愛 金 磊

(神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021025)

為了研究不同井工開采方向?qū)β毒畢f(xié)采邊坡的影響規(guī)律，根據(jù)平朔礦區(qū)露井協(xié)采實(shí)例和巖土體力學(xué)參數(shù)建立數(shù)值計(jì)算模型，運(yùn)用RFPA真實(shí)破裂過程模擬軟件對(duì)平面條件下井工開采方向?qū)β毒畢f(xié)采邊坡變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，相對(duì)于向坡開采，背坡開采對(duì)露井協(xié)采邊坡巖體擾動(dòng)更加明顯；井工開采對(duì)露井協(xié)采邊坡的影響呈現(xiàn)出偏態(tài)性，開切眼側(cè)邊坡巖體受井采擾動(dòng)更為嚴(yán)重。

露井協(xié)采 井采擾動(dòng) 邊坡變形破壞 偏態(tài)垮落

露天與井工協(xié)調(diào)開采(以下簡稱“露井協(xié)采”)在國內(nèi)一些大型礦區(qū)如撫順西露天礦、平朔礦區(qū)等應(yīng)用多年，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了煤炭資源回收率，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，露井協(xié)采方式必然會(huì)存在露天開采與井工開采的相互干擾，產(chǎn)生的巖層移動(dòng)相互交叉，一定程度上加劇了露天礦邊坡滑移的風(fēng)險(xiǎn)。因此，關(guān)于露井協(xié)采條件下邊坡失穩(wěn)機(jī)理的研究是一項(xiàng)重要課題。近年來，國內(nèi)專家、學(xué)者以及生產(chǎn)單位對(duì)于露井協(xié)采邊坡的變形破壞機(jī)理和時(shí)空優(yōu)化方面進(jìn)行了大量研究，取得了許多重要研究成果。但是，關(guān)于露井協(xié)采條件下井采方向?qū)吰伦冃纹茐挠绊懛矫娴难芯枯^少，因此開展不同井采方向的邊坡變形特征研究對(duì)于類似露井協(xié)采礦山具有一定借鑒意義。

1 工程概況

平朔礦區(qū)為了回收煤炭資源，在露天礦端幫下部建立了井工礦，使礦區(qū)開采模式由單一的露天開采轉(zhuǎn)變?yōu)槁毒畢f(xié)采。該礦區(qū)煤層為近水平煤層，地層層理為明顯的水平及緩波狀。井工礦主采煤層為4#煤層和9#煤層，4#煤層平均厚度為10.5 m，9#煤層平均厚度為12.8 m。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板，4#煤層和9#煤層工作面近似南北方向并列布置，井工開采方向朝向邊坡鄰空面稱為向坡開采，背向鄰空面開采稱為背坡開采，布置方式如圖1所示。

圖1 露井協(xié)采布置方式

2 RFPA計(jì)算模型及模擬方案

2.1 RFPA介紹

真實(shí)破裂過程分析(簡稱RFPA)是真實(shí)破裂過程分析方法的一個(gè)能夠模擬材料漸進(jìn)破壞的數(shù)值試驗(yàn)工具。其計(jì)算方法基于有限元理論和統(tǒng)計(jì)損傷理論，該方法考慮了材料性質(zhì)的非均質(zhì)性和缺陷分布的隨機(jī)性，并把這種材料性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)結(jié)合到數(shù)值計(jì)算方法(有限元法)中，對(duì)滿足給定強(qiáng)度準(zhǔn)則的單元進(jìn)行破壞處理，從而使得非均勻性材料破壞過程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。具有如下特點(diǎn)：

(1)將材料的非均質(zhì)性參數(shù)引入到計(jì)算單元，宏觀破壞看作是單元破壞的積累。

(2)認(rèn)為單元性質(zhì)是彈—脆性或彈—塑性的，單元的彈模和強(qiáng)度等其他參數(shù)服從某種分布，如正態(tài)分布、韋伯分布、均勻分布等。

(3)認(rèn)為當(dāng)單元應(yīng)力達(dá)到破壞的準(zhǔn)則時(shí)將發(fā)生破壞，并對(duì)破壞單元進(jìn)行剛度退化處理，故可以以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法處理物理非線性介質(zhì)問題。

(4)認(rèn)為巖石的損傷量、聲發(fā)射與破壞單元數(shù)成正比。

2.2 模型建立

本文運(yùn)用RFPA軟件對(duì)平面條件下井采方向?qū)β毒畢f(xié)采邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律進(jìn)行模擬，分析其各自的破壞特征差異性，以確定最佳的井工開采方向。計(jì)算選用的巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

簡化建立RFPA數(shù)值模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱厮椒较蛉?00 m，垂直方向取210 m，基元大小為2 m×2 m，總基元數(shù)為42000個(gè)。基元的參數(shù)如抗壓強(qiáng)度、彈性模量等按Weibull函數(shù)隨機(jī)分布，用來模擬巖石材料的非均質(zhì)性和各向異性。模型邊界條件為底部固定，頂部自由，左右兩側(cè)水平方向位移約束。在數(shù)值計(jì)算中，各巖層采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。為了簡化計(jì)算，應(yīng)用平面應(yīng)變模型假設(shè)。

數(shù)值模擬試驗(yàn)實(shí)際井工開采中放頂煤一次采全高，開切眼位置位于模型右側(cè)邊界294 m處，分步開挖，每步開挖10 m，約等于每天的進(jìn)尺，開挖30步?？紤]到放頂煤開采的回采率，數(shù)值試驗(yàn)的井采高度為10 m。為真實(shí)模擬井工開采引起的巖層垮落，在不同巖層之間加入弱層進(jìn)行區(qū)分。本次模擬分為兩個(gè)方案：背坡開采和向坡開采方案。數(shù)值模型及位移監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 RFPA數(shù)值模擬模型

3 邊坡巖體變形破壞規(guī)律對(duì)比分析

模型中3個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示，可以看出在背坡開采條件下，1#和2#監(jiān)測點(diǎn)(即+1375 m平盤以上)水平位移量和豎直位移量較大；而在向坡開采條件下，僅在1#監(jiān)測點(diǎn)(即+1405 m平盤)出現(xiàn)較大位移量。說明背坡開采下的巖土體破壞范圍更大，破壞程度更加明顯。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示1#和2#監(jiān)測點(diǎn)的水平位移量均為負(fù)值，說明背坡開采和向坡開采均導(dǎo)致+1375 m臺(tái)階及其上部巖土體向采空區(qū)側(cè)垮落和傾倒。

背坡開采下3#監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水平位移量為正值，說明+1360 m平盤出現(xiàn)了朝向臨空面的滑動(dòng)。工作面背坡開采時(shí)邊坡圍巖的變形破壞特征如圖3所示，分析原因可以得出，在背坡開采時(shí)，垮落巖體形成巖梁的鉸接結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生朝向臨空面的推力，由于4#煤層頂板為軟弱夾層，因推力作用頂板上部巖層(+1320 m平盤與+1360 m平盤之間的巖土體)產(chǎn)生順弱層向臨空面方向的剪出位移，進(jìn)而增加沿弱層滑坡的可能性。

表2 監(jiān)測點(diǎn)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：水平位移向臨空面方向?yàn)檎?，豎直位移向下為正

圖3 工作面背坡開采時(shí)邊坡變形破壞特征

采用與背坡開采相同的地層條件和巖土物理力學(xué)參數(shù)，工作面推進(jìn)方向改用向坡推進(jìn)，對(duì)向坡開采下邊坡圍巖破壞情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。向坡開采時(shí)，+1375 m平盤上部巖體受擾動(dòng)情況與背坡條件類似，但其下部巖體受擾動(dòng)情況明顯減少，4#煤層僅僅在坡面附近產(chǎn)生少量破壞。

由上述邊坡巖體破壞特征和位移數(shù)據(jù)可以看出，在井采采空范圍一定的條件下，井采工作面采用向坡開采或背坡開采對(duì)邊坡巖體的擾動(dòng)情況呈現(xiàn)出明顯的偏態(tài)特征，主要表現(xiàn)為向坡開采和背坡開采條件下邊坡巖體的變形破壞特征和應(yīng)力分布特征存在明顯差異，即在開切眼和停采線位置相同的情況下，與向坡開采相比，井采工作面背坡開采對(duì)上部邊坡變形破壞影響范圍明顯較大，影響程度更加劇烈。

圖4 工作面向坡開采時(shí)邊坡變形破壞特征

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

令向坡開采下工作面停采線側(cè)的垮落角為α1，開切眼側(cè)的垮落角為β1，背坡開采條件下工作面停采線側(cè)的垮落角為α2，開切眼側(cè)的垮落角為β2，則根據(jù)數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，無論向坡開采還是背坡開采，工作面停采線側(cè)的垮落角均小于開切眼側(cè)的垮落角，兩種開采條件下的停采線側(cè)垮落角近似相等，開切眼側(cè)亦同，即α1<β1，α2<β2，β1≈β2，α1≈α2，如圖5(a)所示，在井采工作面開切眼或停采線位置相同的情況下，背坡開采下邊坡巖體的受擾動(dòng)范圍明顯大于向坡開采，因此，若在邊坡巖體受擾動(dòng)范圍一定的條件下，向坡開采可多回收一部分煤柱，令L為向坡開采與背坡開采極限位置差，見圖5(b)。

(1)

式中：L——向坡開采與背坡開采極限位置差，m；

H——煤層埋藏深度，m。

圖5 井采工作面推進(jìn)方向?qū)吔鐓?shù)的影響

以該露井協(xié)采礦區(qū)為研究對(duì)象，開切眼側(cè)垮落角為64°，停采線側(cè)垮落角為55°，煤層埋藏深度為150 m，通過計(jì)算得出L約等于31.9 m，所以與背坡開采相比，向坡開采可多回收煤柱長度L約為31.9 m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，9#煤層平均厚度為12.8 m，井采工作面長度為280 m，煤容重取1.4 t/m3，井采回采率取80%，則計(jì)算得出向坡開采可多采出煤炭約12.8萬t，為礦方增加了巨大的經(jīng)濟(jì)效益?？梢姡诼毒畢f(xié)采實(shí)際生產(chǎn)中，與背坡開采相比，向坡開采下可提高煤炭資源回收率，對(duì)于類似露井協(xié)采條件下井采工作面推進(jìn)方向的選擇，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

(1)井工開采對(duì)露井協(xié)采邊坡的影響呈現(xiàn)出明顯偏態(tài)特征，與向坡開采相比，背坡開采對(duì)上部邊坡變形破壞影響范圍更大，影響程度更加劇烈。

(2)與背坡開采相比，向坡開采條件下井采工作面距離邊坡臨空面的極限距離更小，增加了煤炭資源的回收率，對(duì)于類似礦山具有一定的借鑒性和指導(dǎo)性。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Optimization design of underground mining direction on coordinated open-pit with underground mining slope based on RFPA

Ju Xingjun, Zhang Zhouai, Jin Lei

(Shenhua Baorixile Energy Co., Ltd., Hulunbuir, Inner Mongolia 021025, China)

In order to study the influence of different underground mining directions on coordinated open-pit with underground mining slope, numerical calculation model was built according to the practice of coordinated open-pit with underground mining and mechanical parameters of rock and earth mass.By using real fracture process simulation software RFPA, the influence of underground mining direction on mechanism of deformation and failure of the mining slope was studied under flat simulation condition. The results showed that the disturbance to coordinated open-pit with underground mining slope rock produced by underground inverse-slope mining was more obvious than along-slope mining; the influence of underground mining on the slope presented skewness, that means the slope rock mass on the open-off cut side was disturbed more seriously.

coordinated open-pit with underground mining, underground mining disturbance, slope deformation and failure, skewness caving

鞠興軍，張周愛，金磊. 基于RFPA的露井協(xié)采邊坡下井工開采方向優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：73-76. Ju Xingjun, Zhang Zhouai, Jin Lei. Optimization design of underground mining direction on coordinated open-pit with underground mining slope based on RFPA[J]. China Coal, 2017, 43(7):73-76.

TD824.5

A

鞠興軍 (1976-)，男，山東平度人，碩士學(xué)歷，高級(jí)工程師，主要從事露天開采、工程地質(zhì)相關(guān)工作。