Series No. 401
金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
20总09第年 第40111期 期
ꢀ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
Novemberꢀ 2009
METAL MINE
露井联采条件下采动边坡的变形机理研究
彭 洪 阁 ꢀ 才 庆 祥 ꢀ 周 ꢀ 伟 ꢀ 舒 继 森 ꢀ 陈 彦 龙
(
中 国 矿 业 大 学 )
摘 ꢀ 要 ꢀ 通 过 对 露 井 联 采 下 采 动 边 坡 的 分 析 , 建 立 采 动 边 坡 梁 模 型 , 根 据 梁 的 受 力 及 变 形 , 得 出 梁 变 形 产 生 拱
的 范 围 , 即 影 响 边 坡 范 围 ; 利 用 顶 板 破 断 后 形 成 的 沉 陷 范 围 , 给 出 了 采 动 边 坡 稳 定 系 数 计 算 方 法 , 并 得 到 最 安 全 采
深 , 结 合 安 家 岭 露 井 联 采 的 实 践 及 边 坡 位 移 监 测 , 得 出 902 工 作 面 采 动 下 边 坡 稳 定 系 数 为 1. 38, 最 大 安 全 采 深 为
3
09 m。 研 究 结 果 表 明 , 露 井 联 采 条 件 下 采 动 边 坡 变 形 是 由 于 顶 板 变 形 引 起 的 岩 层 倾 角 变 化 引 起 的 , 可 为 露 井 联 采
采 动 边 坡 稳 定 治 理 提 供 理 论 依 据 。
关 键 词 ꢀ 露 井 联 采 ꢀ 采 动 边 坡 ꢀ 梁 模 型 ꢀ 稳 定 性
Study on Distortion Mechanism of Mined Slope Affected by Openpit and Underground Mining
Peng Honggeꢀ Cai Qingxiangꢀ Zhou Weiꢀ Shu Jisenꢀ Chen Yanlong
(
China University of Mining and Technology)
Abstractꢀ According to the analysis of the mined slope affected by openpit and underground mining, the girder mod
el of mined slope was built. Based on the stress and distortion of the girder, the range of arch was drawn out from distortion
of girder, which is also called the affected slope range. By analyzing the sinking range formed from broken roof strata, the
calculation of stabilization coefficient of mined slope and the most safety mining depth were obtained. Combining with the
practice of openpit and underground mining and the displacement survey of slope in Anjialing open pit, the slope stabiliza
tion coefficient was 1. 38 and the most safety mining depth was 309 meters at the 902 working face. The research indicated
that the distortion of mined slope under openpit and underground mining was drawn from strata angle alter evoked from ceil
ing distortion, providing the theoretical foundation to keep the stability of mined slope under openpit and underground min
ing.
Keywordsꢀ Openpit and underground mining, Mined slope, Girder model, Stability
ꢀ
ꢀ 我 国 独 特 的 地 质 条 件 决 定 了 适 合 露 天 开 采 的 煤
为 基 础 , 对 采 动 边 坡 的 变 形 影 响 机 理 进 行 探 讨 , 研 究
井 工 开 采 对 露 天 边 坡 稳 定 的 影 响 对 露 天 、 井 工 的 安
全 生 产 有 重 要 意 义 。
田 主 要 分 布 在 西 部 及 西 北 部 的 高 原 地 区 , 如 在 20 世
纪 80 年 代 后 兴 建 的 准 格 尔 黑 岱 沟 、 哈 尔 乌 素 露 天 煤
矿 、 平 朔 安 太 堡 、 安 家 岭 露 天 煤 矿 等 。 黄 土 高 原 地 区
特 殊 的 煤 层 赋 存 地 质 条 件 与 特 点 决 定 了 该 地 区 的 露
天 、 井 工 采 矿 活 动 有 其 独 特 性 12] 。 在 露 天 矿 境 界 内
或 者 在 露 天 矿 影 响 范 围 内 实 施 井 工 开 采 , 可 大 大 节
约 井 工 矿 的 巷 道 掘 进 工 程 量 , 并 能 方 便 煤 炭 的 运 输
和 提 升 。 很 多 矿 山 开 始 采 用 露 井 联 合 开 采 形 式 后 ,
采 矿 工 艺 亦 从 单 一 露 天 开 采 向 露 井 联 采 工 艺 转 变 ,
同 时 露 天 矿 矿 坑 、 外 排 土 场 、 内 排 土 场 与 井 工 矿 多 元
化 的 布 局 也 为 露 天 矿 边 坡 稳 定 提 出 了 新 的 研 究 课
题 。
1ꢀ 采 动 边 坡 模 型 的 建 立
假 设 煤 层 上 方 有 一 较 硬 的 岩 层 , 为 开 采 关 键
[
[ 3] , 所 有 层 状 岩 层 倾 角 α = 0°, 边 坡 的 边 坡 角 为
层
β, 煤 层 厚 度 为 h, 具 有 承 载 能 力 的 关 键 层 厚 度 为 H ,
k
关 键 层 以 上 覆 盖 层 厚 度 为 H , 煤 层 工 作 面 距 离 同 标
f
高 的 边 坡 出 露 面 为 l, 采 空 后 形 成 悬 臂 梁 的 长 度 为
[
4]
。 为 方 便 分 析 , 凸 显 煤 层 上 部 岩 层 破 断 特 征 , 假
L
设 煤 层 的 刚 度 趋 向 于 无 穷 , 为 刚 体 , 即 不 产 生 柔 性 变
“ 十 一 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 编 号 : 2006BAB16B00) , 中 国
矿 业 大 学 煤 炭 资 源 与 安 全 开 采 国 家 重 点 实 验 室 开 放 研 究 基 金 项
目 ( 编 号 : 08KF08) 。
因 此 , 露 井 联 采 下 采 动 边 坡 的 变 形 机 理 是 井 工
开 采 参 数 设 计 的 重 要 依 据 , 本 研 究 以 现 场 调 查 、 分 析
彭 洪 阁 ( 1978— ) , 男 , 中 国 矿 业 大 学 煤 炭 资 源 与 安 全 开 采 国 家 重 点
实 验 室 , 讲 师 , 博 士 研 究 生 , 221008 江 苏 省 徐 州 市 。
·
129·
总 第 401 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 11 期
形 。 分 析 应 在 垂 直 位 移 上 有 一 个 动 态 的 零 点 , 如 图
l - H cotβ ≥ 2L,
槡
( 4)
f
槡
1
所 示 。
当 l - H cotβ < 2L 时 , 在 边 坡 部 分 产 生 岩 层 的 松 动
f
力 , 加 速 边 坡 的 滑 动 变 形 。
2
ꢀ 停 采 线 位 置
露 天 矿 端 帮 采 煤 停 采 线 位 置 对 于 井 工 开 采 来 说
就 是 对 边 坡 出 露 位 置 的 采 深 。 露 天 矿 的 端 帮 采 煤 采
用 的 顶 板 垮 落 法 , 上 覆 岩 层 会 发 生 地 表 沉 陷 , 从 而 有
可 能 对 露 天 矿 端 帮 的 运 输 道 路 产 生 巨 大 的 影 响 , 甚
至 使 露 天 矿 端 帮 运 输 系 统 中 断 , 这 将 给 露 天 矿 经 济
效 益 大 大 降 低 , 因 此 需 要 合 理 确 定 端 帮 采 区 停 采 线
的 位 置 6] 。
图 1ꢀ 坚 硬 顶 板 井 工 采 动 边 坡 示 意
在 采 煤 工 作 面 推 进 一 定 距 离 后 , 坚 硬 顶 板 将 出
[
现 周 期 性 的 破 断 , 因 此 , L 就 是 周 期 垮 落 步 距 。 分 析
坚 硬 顶 板 垮 断 时 可 建 力 学 模 型 , 如 图 2 所 示 。
停 采 线 位 置 的 确 定 原 则 是 井 工 开 采 导 致 的 可 能
塌 陷 区 不 会 影 响 到 露 天 矿 边 坡 及 运 输 道 路 的 安 全 。
井 工 开 采 使 得 在 边 坡 内 侧 最 后 形 成 巨 大 的 沉 陷
区 , 沉 陷 的 岩 体 形 成 对 坡 体 的 正 压 力 , 如 图 3。
图 2ꢀ 坚 硬 顶 板 垮 断 力 学 分 析 模 型
此 时 , 破 断 顶 板 垮 落 步 距 可 按 照 悬 臂 梁 折 断 规
律 计 算 , 如 公 式 ( 1) 。
R
T
图 3ꢀ 塌 陷 后 边 坡 受 力 示 意
L = Hk
,
q
( 1)
3
槡
在 进 行 边 坡 稳 定 性 计 算 时 , 存 在 一 个 最 易 滑 动
的 面 , 这 里 Lh 指 最 易 滑 动 面 距 坡 顶 的 距 离 。 建 立 以
坡 底 为 坐 标 原 点 , 地 面 右 侧 延 伸 方 向 为 x 轴 正 方 向
式 中 , RT 为 剪 切 强 度 ; q 为 荷 载 。
在 图 2 中 , AC 段 存 在 一 点 B 使 得 BC 段 和 煤 层 无
接 触 , 则 B 点 使 AD 变 形 曲 率 为 0。 AB 段 紧 贴 在 水 平
面 上 , BC 段 的 挠 度 方 程 为
的 坐 标 , 设 停 采 线 x = a, 塌 陷 角 为 α, 则
s
(
1) 当 a = L + Hcotα 时 , 塌 陷 作 用 刚 开 始 进 入
h
边 坡 最 易 滑 动 面 , 对 边 坡 稳 定 性 影 响 较 小 。
Ely″ = q( x2 - L2 ) ,
1
( 2)
2
(
2) 当 a > L + Hcotα 时 , 塌 陷 作 用 没 有 进 入 边
h
坡 最 易 滑 动 面 , 对 边 坡 稳 定 性 基 本 没 有 影 响 。
边 界 条 件 为 x = 0 时 , y = 0; x = 槡2L 时 , y = 0。 解 得
L2 x2 + 槡 L3 x ,
当 y′ = 0, 即 x3 - 3L2 x + 槡2L3 = 0 时 , 函 数 出 现 最 大
q
1
x4 -
1
2
α
( 3) 当 a < L + Hcot 时 , 塌 陷 作 用 进 入 边 坡 最
h
易 滑 动 面 , 对 边 坡 稳 定 性 影 响 较 大 , 此 时 边 坡 稳 定 性
系 数 为
y =
( 3)
(
)
El
2
4
4
3
值 。
(
Cli + tanφWi cosβi ) ,
∑
Fs =
( 5)
在 这 种 情 况 下 , 煤 层 采 空 形 成 坚 硬 岩 层 的 拱 状
结 构 , 在 A 点 附 近 形 成 拱 点 。 坚 硬 岩 层 后 面 破 断 后 ,
断 裂 坚 硬 岩 层 前 端 恢 复 到 水 平 状 态 。
拱 形 使 得 在 拱 顶 附 近 发 生 了 2 种 变 形 情 况 , 使
F +
Wi sinβi
r
∑
式 中 , Fr 为 N 进 入 滑 面 区 域 的 部 分 力 ; C 为 岩 体 之 间
的 粘 结 力 ; W 为 第 i 个 条 块 的 重 力 ; φ 为 岩 体 的 摩 擦
i
角 ; β 为 第 i 个 条 块 所 在 滑 面 的 倾 角 。
i
得 边 坡 部 分 顺 层 边 坡 倾 角 增 大 , 对 边 坡 变 形 可 起 促
进 作 用 [ 5] 。 而 拱 顶 处 变 形 将 有 一 过 度 , 即 在 靠 近 边
3ꢀ 实 例 研 究
安 家 岭 露 天 煤 矿 及 井 工 矿 位 于 平 朔 矿 区 中 南
部 , 与 安 太 堡 矿 露 天 煤 矿 毗 邻 , 露 天 矿 可 采 煤 层 为
坡 体 内 侧 部 分 表 现 为 井 工 开 采 的 塌 陷 特 征 。
采 动 影 响 上 覆 岩 层 的 范 围 为 ( - 2L, 0) , 为 了
4#
, 9# , 11# 3 层 , 实 际 生 产 能 力 已 经 达 到 15 Mt/ a 左
槡
保 证 影 响 范 围 不 超 过 边 坡 部 分 , 必 须 满 足 下 列 条 件 :
·
130·
ꢀ
ꢀ ꢀ 彭 洪 阁 等 : 露 井 联 采 条 件 下 采 动 边 坡 的 变 形 机 理 研 究 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 11 期
右 。 井 工 矿 采 4# 煤 层 , 原 煤 产 量 达 到 8 Mt/ a。 安 家
岭 井 工 矿 902 工 作 面 与 边 坡 位 置 关 系 如 图 4。
图 4ꢀ 安 家 岭 井 工 矿 902 工 作 面 与 边 坡 位 置 关 系
ꢀ
ꢀ 根 据 已 有 工 程 地 质 资 料 , 计 算 参 数 选 取 如 下 : 砂
坡 稳 定 性 计 算 模 型 及 方 法 , 得 出 采 动 边 坡 加 速 下 滑
区 的 判 断 公 式 , 得 出 安 保 煤 柱 最 小 尺 寸 确 定 原 则 及
判 定 方 法 。
3
岩 重 度 24. 8 kN/ m , 粘 结 力 350 kPa, 内 摩 擦 角 31°;
3
煤 层 重 度 14. 9 kN/ m , 粘 结 力 149 kPa, 内 摩 擦 角
3
2
6. 5°; 泥 岩 重 度 23. 7 kN/ m , 粘 结 力 318 kPa, 内 摩
( 2) 利 用 数 值 模 拟 软 件 , 确 定 最 易 滑 动 面 距 坡
顶 距 离 , 再 根 据 沉 陷 区 的 范 围 , 确 定 不 影 响 边 坡 的 最
大 安 全 采 深 。 通 过 对 安 家 岭 露 天 煤 矿 边 坡 监 测 的 结
果 分 析 , 其 稳 定 系 数 为 1. 38, 最 易 滑 动 面 距 离 为 47
m, 最 大 安 全 采 深 为 309 m。
3
擦 角 27°; 黄 土 重 度 19. 0 kN/ m , 粘 结 力 23 kPa, 内
3
摩 擦 角 25°; 排 弃 物 重 度 18. 7 kN/ m , 粘 结 力 19
3
kPa, 内 摩 擦 角 24°; 跨 落 区 砂 岩 重 度 19 kN/ m , 粘 结
#
力 23 kPa, 内 摩 擦 角 25°; 11 煤 与 底 板 岩 层 接 触 面 粘
结 力 21 kPa, 内 摩 擦 角 25°。
( 3) 应 采 取 各 种 有 效 措 施 减 小 井 工 开 采 对 露 天
边 坡 的 影 响 , 且 实 施 方 案 原 应 当 遵 循 以 下 原 则 : ①使
弹 性 范 围 影 响 区 不 要 进 入 到 边 坡 区 ; ②尽 量 减 小 井
工 开 采 采 场 顶 板 周 期 破 断 距 。
塌 陷 角 按 55°考 虑 , B902 工 作 面 采 完 后 , 塌 陷 范
围 至 监 测 点 S40 - 4 附 近 , 各 水 平 方 向 位 移 速 率 受 后
期 开 采 的 影 响 会 逐 渐 减 小 。 S40 - 4 累 计 位 移 量 为
4
48 mm, 位 移 速 率 达 73 mm/ d, 且 各 点 的 南 向 位 移
参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献
及 速 率 均 呈 增 大 的 趋 势 , 其 主 要 原 因 是 弹 性 上 升 区
进 入 边 坡 范 围 , 使 岩 层 倾 角 加 大 , 加 速 下 滑 所 至 。
模 拟 结 果 如 图 5, 边 坡 为 42°, 其 稳 定 性 系 数 为
[
[
1] ꢀ 周 德 辉 . 山 区 开 采 滑 坡 的 成 因 机 理 分 析 及 防 治 措 施 [ J] . 贵 州
科 学 , 1999( 3) : 209214.
2] ꢀ 王 振 伟 , 王 建 国 , 于 永 江 . 露 井 联 采 条 件 下 黄 土 基 底 排 土 场 变
形 演 化 规 律 [ J] . 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 , 2008, 27( 2) : 165
1
. 38, 其 最 易 滑 动 面 距 离 L = 47 m, 高 度 为 180 m,
h
则 其 最 安 全 采 深 为 309 m。
1
67.
[
[
[
[
3] ꢀ 钱 鸣 高 , 缪 协 兴 , 许 家 林 , 等 . 岩 层 控 制 的 关 键 层 理 论 [ M] . 徐
州 : 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 , 2003.
4] ꢀ 杨 洪 海 , 尚 文 凯 . 露 井 联 采 作 用 下 边 坡 变 形 破 坏 机 理 浅 析 [ J] .
露 天 采 矿 技 术 , 2008( 3) : 810.
5] ꢀ 彭 洪 阁 , 才 庆 祥 , 周 ꢀ 伟 , 等 . 露 天 煤 矿 靠 帮 开 采 端 帮 稳 定 性 关
键 影 响 因 素 研 究 [ J] . 中 国 矿 业 , 2008, 17( 5) : 7174.
6] ꢀ 刘 ꢀ 勇 . 大 型 露 天 煤 矿 近 水 平 矿 床 靠 帮 开 采 设 计 理 论 与 应 用
技 术 研 究 [ D] . 徐 州 : 中 国 矿 业 大 学 图 书 馆 , 2006.
图 5ꢀ 南 端 帮 剖 面 现 状
4
ꢀ 结 ꢀ 论
(
1) 通 过 建 立 露 井 联 采 下 采 动 边 坡 的 力 学 模
(
收 稿 日 期 ꢀ 20090904)
型 , 通 过 分 析 提 出 边 坡 破 坏 的 力 学 机 理 , 建 立 采 动 边
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131·
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