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水平厚煤层露井联合开采下边坡破坏过程的模拟研究 第六图书馆 露井联采模式以前一直被金属矿山和浅埋倾斜煤层矿山的开采所采用,以往我们在开采浅埋水平厚煤层一般均采用露天或井 工方法。近年来,我国重要的亿t煤炭生产基地平朔、神华等矿区,就在浅埋水平厚煤层中采用井工放顶煤与露天联合开采方 法,并取得了可观的经济效益。本文通过数值模拟和相似模拟两种方法,对露井联采模式下露天边坡的破坏问题进行了分析和 探讨。分析显示,露天边坡的破坏是一个渐进过程,为了保证露天矿的正常生产,必须控制好两种开采方法的边界参数,即露天 与井工开采的边界垂直安全高度。露井联采模式以前一直被金属矿山和浅埋倾斜煤层矿山的开采所采用,以往我们在开采浅 埋水平厚煤层一般均采用露天或井工方法。近年来,我国重要的亿t煤炭生产基地平朔、神华等矿区,就在浅埋水平厚煤层中 采用井工放顶煤与露天联合开采方法,并取得了可观的经济效益。本文通过数值模拟和相似模拟两种方法,对露井联采模式下 露天边坡的破坏问题进行了分析和探讨。分析显示,露天边坡的破坏是一个渐进过程,为了保证露天矿的正常生产,必须控制 好两种开采方法的边界参数,即露天与井工开采的边界垂直安全高度。露井联采 破坏过程 模拟研究 边界参数 垂 直安全高度中国矿业任利明 刘宪权 杨叶齐 朱建明 陆游 [1]平朔煤炭工业公司安太堡露天矿,山 西朔州036006 [2]北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083 [3]北京航空航天大学岩土工程研究所,北京 1000832007第六图书馆 第六图书馆 第 1 6卷第 1 2 期 2 0 0 7年 1 2月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 1 6 ，No ． 1 2 De c e mbe r 2 0 07 水平厚煤层 露 井联合 开采 下边 坡 破 坏 过 程 的 模 拟 研 究 任利明 ，刘宪权 ，杨叶齐 ，朱建明。 ，陆 游。 1 ．平 朔煤炭 工业公 司安太 堡露 天矿 ，山西 朔 州 0 3 6 0 0 6 ； 2 ．北京科技 大学土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．北 京航 空航 天 大学岩 土工程研 究所 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 露井联采模式 以前一直被金属矿 山和浅埋倾斜煤层矿 山的开采 所采 用 ，以往 我们 在开采浅 埋水平厚煤层一般均采用 露天或井丁方法 。近年来 ，我 国重要 的亿 t 煤炭生 产基地 平朔 、神华 等矿 区， 就在浅埋水平厚煤层 中采用井工放顶煤与露天联合开采 方法 ，并取得 了可 观的经济效益 。本文通过数值 模拟和相似模拟两种方法 ，对露井联采模式下露天边坡 的破坏 问题进行 了分析和探讨 。分析显示 ，露天 边坡 的破坏是一个渐进过程 ，为 了保证露天矿的正常生产 ，必须控制好两 种开采方法 的边界参数 ，即露 天与井工开采的边 界垂直 安全高度 。 关键词 露井联采 ；破坏过程 ；模拟研究 ；边界参数；垂直安全高度 中图分类号 TD 8 2 4 ． 7 文献标识 码A 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 7 1 2 0 0 7 2 一O 3 S i m u l a t i o n r e s e a r c h o n t h e s l o p e f a i l u r e o f h o r i z o n t a l t h i c k c o a l s e a m u n d e r t h e c o n di t i o n o f c o m b i n e d mi n i ng REN Li mi n g ，L I U Xi a n q u a n ’ ，YANG Ye q i ，Z HU J i a n mi n g 。 ，L U Yo u 。 1 ． An t a i b a o Op e n P i t M i n e ，P i n g s h u o Co a l I n d u s t r y Co mp a n y，S h u o z h o u 0 3 6 0 0 6， Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ci v i l a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ． I n s t i t u t e o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ； B e i h a n g Un i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h in a Ab s t r a c t Th e c o mb i n e d mo d e l o f o p e n p i t wi t h u n d e r g r o u n d mi n e h a s a l wa y s b e e n a d o p t e d b y me t a l mi n e a n d i n c l i n e d c o a l s e a m mi n e b e f o r e ，a n d we u s e d t h e me t h o d o f o p e n p i t o r u n d e r g r o u n d mi n i n g t o mi n e t h e s h a l l o w h o r i z o n t a l t h i c k c o a l s e a m p r e v i o u s l y ．Re c e n t y e a r s ，i n Ch i n a s ma j o r c o a l p r o d u c t i o n b a s e P i n g s h u0 mi ni ng a r e a。t h e me t h od o f c o mbi n i n g c av i n g mi ne a nd o pe n p i t mc t ho d wa s a d o pt e d t o e x pl oi t t he s h a l l ow ho r i z on t a l t hi c k c o a l s e a m ，a n d i t ha s a l r e a dy ma de c o ns i d e r a b l e e c o n omi c be n e f i t s ． I n t he pa pe r ， t hr ou g h t wo me t h ods of nume r i c a l s i mu l a t i o n a nd s i mi l a r s i mul a t i on，t he f a i l ur e pr ob l e ms of t h e o pe n pi t s l op e u nd e r t he c on di t i on of c o mbi ni n g o pe n - p i t mi n i ng wi t h u nde r gr o un d mi ni n g we r e a n a l y z e d a nd di s c us s e d，r e s ul t s s h owe d t h a t t he f a i l u r e of t he op e n p i t s l o pe i s a g r ad ua l pr oc e s s，i n o r de r t o gua r a nt e e t h e n or ma l op e n - p i t mi ne pr od uc t i o n wor ks we l l ，t he e x pl or e d bou nd a r y mus t be c o nt r ol l e d we l l b y t he v e r t i c a l s t at u r e of s af e mi ni ng ． Ke y wo r d sc o mbi n e d mi ni n g；f a i l u r e pr o c e s s ；s i mul a t i o n r e s e a r c h；bou nd a r y p a r a me t e r；ve r t i c a l s t a - t u r e of s a f e mi mi ng 在矿产资源的开采方法上，浅部矿层一般采用 露天开采法 ，对于深部矿层 ，采用井工开采方法则 具 有更好 的经 济性 。 目前 ，针对浅 埋水平 厚煤 层 的 收稿 日期2 0 0 7 0 9 0 7 作者简介任利明 1 9 6 3 ，男 ，高级工程师 ，山西平朔煤炭工 业公 司安太堡露天矿矿长。 开采 ，采用露井联合开采模式在我国的亿 t 煤炭基 地平 朔 和神华 矿 区已被逐渐 采用 。因此 ，对 露井 联 采模 式下 ，井工开采 对露天边帮 的影 响程度 、范围 ， 露天边帮的变形、破坏规律等的研究，还不是很成 熟 。本 文以安太堡 露 天矿 为工 程 背景 ，通过 数值 模 拟和物理模拟 ，对这一问题进行了分析和探讨 ，揭 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 7 4 中 国 矿业 第1 6 卷 当工作面继续 向前推进到 5 4 1 m时，工作面上 方的扰动岩体和边坡的沟通范围越来越大 ，边坡的 破坏范围越来越大 。当工作面推进到 6 0 7 m 时，由 于工作面上方受扰动岩体重新堆积形成了新 的承载 结 构 ，工作 面开采 对边坡 的影 响减 弱 。 综合前 面分析 可 知 ，水 平 开采 至 3 8 6 m 时 ，边 坡岩土体在较大范围内进入了塑性状态，且边坡变 形较为严重，此时，上部台阶距离工作面底板最小 距离为 1 0 5 m。当继续开采时，上覆岩土层厚度将 小于 1 0 5 m，边坡 岩土体有更多区域进入塑性 区， 如图 7所示 。此后 ，边坡位置形成了贯通的拉伸破 坏区，因此边坡台阶将发生大范围的垮落、崩塌破 坏现象 ，如果继续向前开采，则有可能发生大范围 滑坡现象。因此，可以定义 1 0 5 m这一高度为一个 界限值 ，在安太堡露天矿这一特定条件下，我们建 议井工开采边界底板距离上部边坡台阶 的最小距 离，不得低于 1 0 5 m的开采安全垂直高度 ，以保证 露天矿 的正常生 产 。 2 露天 边坡破 坏过 程的物 理模拟 研究 相似模型试验 同样 以 A A 剖面为研究对象， 试验在中国矿业大学国家重点实验室进行 。根据工 程实际情况以及实验室条件确定模型几何相似常数 为 a 一2 0 0 。容重相似常数取 a 一1 ． 6 ，应力相似常 数为 a 一a a 一 2 0 01 ． 6 3 2 0 。实验 中采用的 骨料为砂子，胶结材料为石灰 、石膏等。 图 7开挖 跨度达 1 6 0 m时的边坡破坏情况 图 7 为 开采跨 度达 到 1 6 0 m 时 ，上 部边 坡 的破 坏垮落情况 。此时，上覆 围岩发生了较大范围的垮 落破坏现象。4 煤层上覆顶板位置发生了较大 范 围的离层垮落现象，根据边坡水平位移 的监测数 据 ，开采至此时，井工采动并没有对露天边坡产生 较大影 响 。图 8为开采跨 度 达 2 2 0 m 时 的情形 ，从 图中可以看出，整个上覆 围岩体发生了很大规模的 垮落现象，垮落影响了上部边坡 。在图中 A点处 ， 由于井采影响，岩土体发生错落下沉破坏 ，这与工 程现场实际中所看到的错动式破坏是吻合的。A点 上部台阶失去侧向约束力的作用而呈悬臂状态 ，如 果此时上部台阶受到车辆荷载或是爆破振动等的影 响，则很容易发生较大规模的垮落现象，甚至发生 滑坡现象。B点处边坡台阶变形较为严重，由于向 采空区倾斜垮落 ，实际工程中，该处台阶将发生垮 落现象 。C点 、D点处边坡位移也指向采空区而逆 向坡底方 向，这对边坡的整体稳定是有利的。A点 距离煤层底板高度约 1 1 5 m，这与前面数值计算 中 得到的 1 0 5 m很是接近，为保证安全开采 ，两者 的 垂直安全高度取前面分析的 1 0 5 m较为合适 ，上述 分析表明数值计算和相似模拟结果是吻合的。 图 8开挖跨度达 2 2 0 m 时的边坡破坏情况 3 结论 联采模式下露天边坡台阶的稳定性以及边坡的 破坏问题 ，是一个非常复杂的问题 ，单纯的依靠某 一 种方法进行难以将问题解释清楚 。本文以安太堡 露井联采为工程背 景，通过 F l AC数 值和相 似模 拟，从空间上模拟分析 了井工开采下露天边坡的变 形破坏过程 ，得出边坡变形的一些规律。通过分析 认为 ，为了防止由于采空垮落破坏而对使得边坡发 生滑坡 ，应该保证上覆岩土体的一个安全高度，及 安全开采的垂直高度应保持在 1 0 5 m 以上 。通过这 一 高度值 ，就能确定露天和井工开采的边界参数 ， 为露井联采提供了安全保障。 1 参考文献 [ 1 3 徐长佑编著．露天转地下开采[ M] ．武汉 武汉工业 大学 出版社 ，1 9 9 0 8 --3 0 ． E 2 3 孙 世 国．复合 采 动对 边坡 岩体 变形 与 稳定 性影 响 的研 究 [ 刀．岩石力学与工程学报 ，1 9 9 9 ，1 8 2 2 3 9 2 3 9 ． E 3 3 谭文辉 ，王家 臣，周汝弟．岩体边坡 渐进破坏 的物理模拟和 数值模拟研究 E J 3 ．有色矿冶 ， 2 0 0 0 ，1 6 3 5 7 ． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆