井工開采對露天礦邊幫穩(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)

隨著我國各露天煤礦開采歷史的延長和國家土地保護意識的增強，露天礦開采深度和工作幫邊坡角均呈明顯被迫增大趨勢。雖然增加邊坡角的大小可以在一定程度上緩解對土地的破壞，但帶來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的科學(xué)問題成為研究領(lǐng)域的熱點與難點。

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，可能帶來露天礦高陡邊幫的失穩(wěn)問題，同時誘發(fā)井工開采部分的頂板事故，這極可能造成嚴重人員傷亡、財產(chǎn)損失，也會導(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，井工開采部分頂板巖層運動特點及對露天礦邊幫穩(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，對井工開采露天邊幫下剩余煤炭資源時的井工開采部分頂板巖層運動特點及對露天礦邊幫穩(wěn)定性進行了數(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)計生產(chǎn)能力1 533萬t/a，實際生產(chǎn)能力約為2 500萬t/a，2012年1—9月已生產(chǎn)原煤約2 000萬t。該礦主采煤層為4#、9#、11#3個煤層，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)計工作幫邊幫角35°，全礦分4個采區(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#煤時的工作幫為研究對象，系統(tǒng)地研究井工開采露天邊幫下剩余煤炭資源時的井工開采部分頂板巖層運動特點及對露天礦邊幫穩(wěn)定性的影響。

圖1 安太堡露天礦實景

圖2 三維數(shù)值模型

1.2 數(shù)值模型的建立

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

經(jīng)過合理簡化和必要合并后，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。

按照實際的邊幫角和開挖進度規(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，推進速度為10 m/d，如圖4所示。分別研究并分析推進過程中井工開采部分頂板運動特征及對露天邊幫穩(wěn)定性造成的影響。

圖4 井工開采位置及推進方向

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)計的開采計劃，得到了不同推進時井工開采部分頂板巖層運動特點及對露天礦邊幫穩(wěn)定性造成的影響。

2.1 井工開采頂板巖層運動特點

為了清楚準確地研究露天邊幫下采煤煤層頂板運動特點，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)處平面為研究對象，對其在不同開挖距離下的Z方向應(yīng)力、變形進行觀察分析。數(shù)值模擬計算結(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

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。這是因為形成露天邊幫體時，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，在采場前后端均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且推進端應(yīng)力集中要小于起始推進端應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中總體呈逐漸增加趨勢。這可能是因為在井工推進方向上邊幫部分所受上覆自重應(yīng)力呈逐漸減小趨勢，在受到相同程度采動影響后所處應(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)隨著井工開采推進距離的增加，推進端應(yīng)力集中增加不明顯，而推進起始位置處應(yīng)力集中增加非常明顯。這可能是因為上覆自重應(yīng)力的減小對應(yīng)力集中的削弱作用與采動對應(yīng)力集中的增加作用部分相互抵消，導(dǎo)致推進端應(yīng)力集中增加不明顯;而推進起始位置處僅有采動對應(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

(4)隨著井工開采的不斷推進，煤層頂板內(nèi)原因為上覆巖層自重應(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。這是因為削除部分巖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，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，由此產(chǎn)生的采動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)生明顯的運動。因此，研究露天邊幫在井工開采采動作用影響下向自由方向(X方向)運移、變形規(guī)律，對于合理確定井工開采停采線、維護露天邊幫穩(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度條件下的露天礦邊幫向自由方向(即X方向)移動變形的特點，如圖7所示。

圖7 不同推進度時露天邊幫向X方向運移特性

分析圖7可知:

(1)經(jīng)過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)。這可能是在進行露天開采時，邊幫各個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)生滑移運動的趨勢與動力，其滑移動力即為上部邊幫巖土體的自重力。分析可知，這種滑移動力的大小與邊幫角大小密切相關(guān)，且超過某一臨界值后，邊幫體就會發(fā)生自動下滑。

(3)隨著井工開采的不斷推進，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。這可能是因為井工開采產(chǎn)生的采動作用，促使開采煤層的頂板具有向下運動的趨勢，使采動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，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。這主要是因為井工開采產(chǎn)生的采動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過程中，存在著一個既使露天邊幫保持安全、又可實現(xiàn)盡量多回收煤炭的推進尺度，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，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，其頂板內(nèi)的應(yīng)力集中呈不對稱分布，即推進起始端應(yīng)力集中大而推進端應(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)生的采動作用對邊坡體底部巖體巖性的劣化作用。

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

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