露井联采下煤层倾角对岩体运移规律的影响_武懋.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 随着煤矿井下支护技术的快速发展及矿山压力 知识的深入研究，露天井工联合开采方式逐渐在煤 露井联采下煤层倾角对岩体运移规律的影响 武懋 1,2 （1.中煤平朔集团有限公司,山西 朔州 036002； 2.中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州221116） 摘要 为了研究不同煤层产状条件下， 露井联采叠加扰动对露天矿端帮边坡稳定性的变化规 律， 依据煤层赋存条件及开采方式将端帮边坡下煤层产状分为水平、 顺倾、 逆倾 3 种类型， 通过 数值模拟方法从端帮边坡的高应力区分布、 变形破坏程度和破坏范围 3 个方面进行研究， 得出 露天矿端帮相同开采工艺、 不同煤层倾角条件下边坡稳定性变化规律。 结果表明煤层倾角越大， 工作面两侧高应力区影响范围越大， 合理控制开切眼位置与边坡面的距离， 可避免井采高应力 区对边坡稳定性的影响； 端帮下煤层倾角越大， 井工开采后边坡的破坏范围越大， 煤层为顺倾赋 存状态时的对边坡的破坏程度大于水平赋存状态，而逆倾赋存状态破坏程度小于水平赋存状 态； 端帮下煤层顺倾状态不利于边坡稳定， 煤层逆倾状态有利于边坡稳定。 关键词 露井联采； 煤层产状； 数值模拟； 岩层移动角； 稳定性系数 中图分类号 TD824.7文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0281-04 Influence of Coal Seam Dip Angle on Rock Mass Migration Law Under Open-pit Combined Underground Mining WU Mao1,2 （1.China Coal Pingshuo Group Co., Ltd., Shuozhou 036002, China;2.School of Mining Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116,China） Abstract To study the change law of the open-pit combined underground mining and superimposed disturbance on the stability of the side slope of the open-pit mine under different coal seams production, according to the occurrence conditions and mining s of coal seams, the coal seam production under the side slope are divided into three types, including the horizontal state, rightward in－ clination and reverse inclination. The numerical simulation is used to study the distribution of high stress area, the dea－ tion degree and the damage extent. The variation law of slope stability under the same mining process and dip angle of different coal seams is obtained. The results show that the larger the dip angle of coal seam is, the larger the influence range of high stress area on both sides of the working face is. It is necessary to reasonably control the distance between the position of open cut and the slope surface, which can avoid the influence of the high-stress area of the mining on the slope stability; the greater the dip angle of the coal seam under the end is, the greater the damage extent of the slope after the mining is. When the coal seam is in the state of the right－ ward inclination, the damage degree to the slope is greater than the horizontal occurrence state, and the degree of damage caused by the reverse tilting state is less than the horizontal occurrence state; the rightward inclination of side slope for the coal seam is not con－ ducive to the slope stability, and the reverse inclination state of the coal seam is conducive to the slope stability. Key words open-pit combined underground mining; coal seam production; numerical simulation; rock ation angle; stability coefficient DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.048 武懋.露井联采下煤层倾角对岩体运移规律的影响 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10） 281-284. WU Mao. Influence of Coal Seam Dip Angle on Rock Mass Migration Law Under Open-pit Combined Under- ground Mining ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 281-284. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0501103） ； 国家 自然科学基金青年科学基金资助项目 （51804298） ； 国家自然科学 基金面上资助项目 （51774271， 51674245） 281 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 炭矿山发挥作用，并经过多年发展，已形式形式多 样的特殊开采方式[1-2]。但究其根本都是为了使露天 开采与地下开采的优势互补， 增加矿企收益[3-4]。根 据 2 种开采方式的优势将露井联采分为 2 类其一 为露天开采浅埋煤层，剥采比较小，发挥了露天矿 采出率高的优点，井工开采深部煤层，避免了露天 矿开采深部煤层剥采比经济不合理的缺点；其二为 井工开采露天矿开采境界内，矿坑周围边坡下的压 滞残煤，虽仍需留设煤柱，但能消除部分边坡压煤 约束， 增加资源回收量[5-7]。 露井联采模式下，露天矿边坡受到露天和井工 叠加采动影响， 其稳定性下降， 威胁矿山安全生产， 为此相关学者进行了研究[7-17]， 这些研究较为全面的 分析了露井联采条件下，端帮下煤层采用井工开采 时开切眼的合理位置，端帮边坡的渐进破坏过程及 破坏机理，且考虑爆破和充填开采工艺对边坡稳定 性的影响，但所研究的煤层模型大多是水平赋存状 态，考虑煤层产状对端帮边坡的稳定性影响的成果 较少，缺乏露井联采应用于缓倾斜露天矿的研究。 为此利用数值模拟方法分析井工开采不同倾角煤层 对边坡稳定性的影响，揭示出露井联采下煤层产状 对边坡稳定性影响规律，为缓倾斜露天矿应用露井 联合开采模式提供理论指导。 1露井联采概况 安家岭露天煤矿采用露井联采的生产方式， 井 工开采矿坑北端帮边坡下的压滞残煤，工作面终采 线位于边坡下的煤层中，且边坡煤层产状为近水 平，开采过程中煤层产状始终保持不变。边坡下煤 层的产状不仅与煤层天然赋存有关还受露天开采工 艺的改变而改变。露天开采水平煤层时，无论工作 帮沿走向或是倾向推进，端帮边坡下煤层均为水平 赋存状态，且开采过程中煤层的赋存位置不发生变 化， 端帮稳定性波动小； 露天开采倾斜煤层时， 一般 从煤层露头处开始掘沟，沿倾向推进并逐渐降深， 这时两侧端帮下煤层相对于端帮边坡的每个坡面来 说是水平赋存状态，但随着工作面的向前推进， 煤 层的赋存位置不断降低；当工作面推进距离满足一 定条件后， 开始转向， 转向后沿走向推进， 留出内排 空间，实现内排，这时煤层露头处端帮下的煤层为 顺倾赋存状态，另一侧端帮下的煤层为逆倾赋存状 态，开采过程中煤层的赋存位置不发生变化。综上 所述， 露井联采下边坡煤层产状可分为水平、 顺倾、 逆倾 3 种类型， 且露天开采倾斜煤层时， 边坡煤层产 状会随着工作面推进方向的改变而发生变化。 2露井联下边坡岩层移动角和位移量分析理论 露天矿端帮边坡下采用自然垮落法回收煤炭资 源时， 采空区煤层顶板跨落， 上覆岩层发生不同程度 的沉降， 使边坡内部结构发生破坏， 其破坏程度主要 表现在顶板岩层的变形范围和变形位移 2 个方面， 变形范围和位移越大， 对边坡稳定性影响越大， 反之 影响越小。 1） 岩层移动角。岩层移动角受顶板岩性、 采厚、 采深和煤层倾角等因素的影响，当工作面长度一定 且上覆岩层厚度相同时， 岩层移动角越大， 顶板破坏 范围就越大。根据岩层移动角与煤层位置关系可分 为走向、 上山和下山岩层移动角。 2） 岩层位移量。岩层的位移是表征端帮采空区 上覆岩层破坏程度的物理量，根据发生位移的方向 分为水平位移量和垂直位移量。 上述理论分析可以得出， 在其他条件相同时， 岩 层走向移动角与煤层倾角无关；而上山移动角和下 山移动角会随煤层倾角的增大而减小；垂直位移会 随煤层倾角的增大而增大；水平位移随煤层倾角的 增大而减小。 3不同煤层产状条件下边坡稳定性模拟分析 3.1力学计算参数与模型 为了研究不同煤层产状条件下边坡稳定性规律， 建模过程参照安家岭露天矿真实开采条件。 该露天开 采范围内有 3 层可采煤层， 分别为 4 煤、 9 煤、 11 煤， 4 煤、 9 煤为主采煤层， 全部近水平赋存。露天煤矿在开 采过程中， 北帮边坡下采用井工开采回收 9 煤， 回采 工作面长度为 850 m，开切眼位置距露天矿边坡面 260 m。 针对不同煤层产状条件， 为了保证单一变量因 素， 将边坡上部排弃物和第四系保持原状， 调整下部 地层产状， 且保证回采工作面长度、 采高、 开切眼位置 与边坡面的距离相同。 根据该矿典型剖面建立二维模 型， 模型内结构由钻孔数据得出。利用数值模拟软件 GeoStudio 中的 SIGMA/W 模块和 SLOPE/W 模块进行 分析， 先将 SIGMA/W 模块作为父项， 采用有限元方法 分析边坡的应力分布状态，然后将 SLOPE/W 模块作 为子项， 根据父项的应力状态采用极限平衡法计算边 坡的稳定性。计算时模型底面约束竖向和法向位移， 模型两侧约束法相位移。模型尺寸示意图如图 1。 3.2水平煤层条件下边坡稳定性 煤层为水平赋存状态时，边坡体中高应力区主 282 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 要集中在工作面两侧的运输巷和回风巷附近，采空 区顶板自然垮落， 充填采空区， 应力得到释放， 逐渐 恢复原岩应力，这一特点与单一井工开采规律相 似。 由于工作面顶板为露天矿边坡， 所以其厚度是渐 变的，地应力大小存在差异。矿井开采深度达到 250 m， 高应力区影响范围有限， 高应力区与边坡最 危险滑动面不相交，即最危险滑面的产生与井工开 挖导致的应力重分布无关。 井工开采后采空区顶板跨落，由于开采深度较 浅，且工作面跨度较大，边坡顶部产生明显的下沉 现象，井工开采工作面推进后，后方采空区自然垮 落，对边坡整体的完整性影响较大，边坡顶部和坡 面的中上部产生明显位移，位移量由采空区中部向 两侧大巷逐渐递减，中部沉降量最大。采空区顶板 移动带与最危险滑面相交，即井工开挖使端帮边坡 的整体性遭到破坏，采空区上方影响范围内岩石破 碎， 强度下降， 主要表现在黏聚力 C 值的降低， 从而 使最危险滑面的抗滑力降低，稳定性系数减小。最 终由有限元和强度折减法耦合分析得出水平煤层条 件下边坡稳定性系数 Fs为 1.219。 3.3顺倾煤层条件下边坡稳定性 煤层为顺倾赋存状态时，边坡体中工作面两侧 的高应力区范围都升高。上山侧高应力区距离边坡 较远，对边坡稳定性影响较小，下山侧高应力区在 渐变过程中，与最危险滑面的位置关系处于相离状 态，即最危险滑面的产生与井工开挖导致的应力重 分布无关。 沉积岩地层中不同层位交界面位置岩性强度较 弱，当地层为顺倾赋存状态时，由于层间抗滑力的 较小， 端帮更容易发生卸荷变形， 向坡面移动， 这一 位移矢量可分为水平位移和垂直位移，同时井工开 挖引起边坡沉陷， 2 种开采模式的叠加扰动， 使边坡 整体破坏严重，这与理论分析中垂直位移会随煤层 倾角的增大而增大结果一致。随着倾角的增大， 下 山岩层移动角不断减小，此结果也印证了理论分析 中下山移动角会随煤层倾角的增大而减小的结论。 从整个位移分析可以得出，随着顺倾煤层倾角的增 大， 边坡岩体的破坏程度逐渐增大， 范围不断扩大， 使边坡强度降低。 由于边坡的整体遭到叠加扰动破坏，导致边坡 强度降低，同时顺倾结构面也降低了边坡体的抗滑 力， 通过折减法计算边坡强度， 稳定性系数减小。 3.4逆倾煤层条件下边坡稳定性 煤层为逆倾赋存状态时，边坡体中工作面两侧 的高应力区范围都升高。上山侧高应力区在渐变过 程中，与最危险滑面的位置关系由相离变为相交状 态，即井工开挖导致的应力重分布会影响最危险滑 面的产生位置与稳定性系数的得出。 边坡体内地层为逆倾赋存状态时，井采工作面 顶板岩层有沿煤层底板方向的运动趋势，这一趋势 与边坡临空面卸荷变形方向相反， 2 种位移相互抵 消， 有利于保持边坡的整体性， 这一结果与理论分析 中垂直位移会随煤层倾角的增大而增大结果一致。 随着倾角的增大， 上山岩层移动角不断减小， 此结果 同样印证了理论分析中上山移动角会随煤层倾角的 增大而减小的结论。从整个位移分析可以得出， 随 着逆倾煤层倾角的增大，边坡岩体的破坏范围不断 扩大， 但破坏程度大小减弱。 煤层逆倾赋存时， 随着倾角的不断增大， 工作面 上山侧高应力区升高、 岩层破坏范围增大， 这都不利 于边坡的稳定，但破坏程度的减弱有利于边坡稳定 性， 通过折减法计算边坡强度， 得出随着倾角增加稳 定性系数提高，所以边坡破坏程度对稳定性计算起 决定性作用。 4结语 1） 利用井工开采模式回收露天矿端帮残煤过程 中， 煤层倾角越大， 工作面两侧高应力区影响范围越 大，当井工开采的煤层埋藏较深或合理控制开切眼 位置与边坡面的距离，可有效减小应力井采高应力 区对边坡稳定性的影响。 2） 端帮下煤层倾角越大， 井工开采后岩层移动 角越小， 即边坡的破坏范围越小， 但由于位移的矢量 叠加原因，煤层为顺倾赋存状态时的位移量大于水 平赋存状态， 而逆倾赋存状态时位移变化与之相反。 3） 受露天开采与井工开采的叠加扰动影响， 除 煤层赋存状态不同， 其他条件相同的情况下， 端帮下 煤层顺倾状态不利于边坡稳定，倾角越大稳定性系 图 1模型尺寸示意图 Fig.1Schematic diagram of model size 283 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 的断层岩爆失稳判据 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2004， 23 （4） 588-588. ［19］ 李树森， 任光明， 左三胜.层状结构岩体顺层斜坡失 稳机理的力学分析 ［J］ .地质灾害与环境保护， 1995 （2） 24-29. ［20］ 刘小丽， 周德培.用弹性板理论分析顺层岩质边坡的 失稳 ［J］ .岩土力学， 2002， 23 （2） 162-165. ［21］ 朱晗迓， 马美玲， 尚岳全.顺倾向层状岩质边坡溃屈 破坏分析 ［J］ .浙江大学学报 （工学版） ， 2004， 38 （9） 1144-1149. ［22］ 张东方.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋 势 ［J］ .企业改革与管理， 2015 （8） 202. ［23］ 杨杭.露天煤矿开采中高边坡的安全控制 ［J］ .黑龙江 科学， 2016， 7 （4） 26-27. ［24］ 梅金， 张志国， 张立鹏.高陡露天矿边坡稳定性评价 中若干问题的思考 ［J］ .勘察科学技术， 2018， 217 （04） 11-15. 作者简介 韩猛 （1983） ， 吉林德惠人， 硕士， 2012 年毕业于中国地质大学 （北京） ， 现任煤科集团沈阳研究院 有限公司露天安全研究分院副院长，从事露天煤矿边坡稳 定评价及边坡治理研究工作。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 李力欣） （上接第 280 页） 数越小，煤层逆倾状态有利于边坡稳定，倾角越大 稳定性系数越高。 参考文献 ［1］ 姬长生.我国露天煤矿开采工艺发展状况综述 ［J］ .采 矿与安全工程学报， 2008， 25 （3） 297-300. ［2］ 王纪山， 李克民.建设露井联合开采的平朔总体发展 新模式 ［J］ .露天采矿技术， 2007 （6） 78-80. ［3］ Che Z, Yang H. 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