哈尔乌素露天煤矿非工作帮稳定时效性研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 哈尔乌素露天煤矿非工作帮稳定时 效性研究 英文题目英文题目 Research on the timeliness of non- Working-slope in Haerwusu Open Pit Mine 学位类学位类别别工学硕士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名 付学礼学号学号2014023239 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教指导教师师韩万东职称职称教授 协助指导教协助指导教师师职称职称 2017 年 6 月 4 日 分类号分类号TD804TD804密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 对于大型近水平露天煤矿而言，实现内排后采场的非工作帮主要是指端帮。由 于在开采过程中工作帮和内排土场边坡不断地推进，采场端帮处在一个从形成到掩 埋的动态交替过程，端帮边坡主要经历了形成、暂时存在和被掩埋三个阶段。而传 统的露天矿边坡设计一般是采用岩石瞬时强度参数进行的静态、永久性设计，没有 考虑端帮的时效性，造成大量的端帮压煤。因此，可通过研究端帮的动态发展过程， 将边坡从永久性过渡到时效性，为实现提高端帮边坡角、回收端帮压煤提供理论支 持。 论文以现有的时效边坡研究成果为基础，结合哈尔乌素露天煤矿生产现状和边 坡现状，确定端帮的动态发展过程，并把时间因素加入到边坡的稳定性分析中，从 空间、时间角度对边坡时效性进行研究。在空间方面，根据端帮的空间位置以及内 在构成，将实现内排后的露天煤矿端帮简化为两端固定的组合梁模型，由于在自重 的作用下端帮出现一定的下沉，故可按照梁的相关知识分析端帮内岩层的力学特点。 通过分析滑坡破坏的形式以及岩层力学特点，以摩尔-库伦准则为破坏依据，可得出 端帮边坡内岩层的最大暴露长度，进一步可确定整个端帮的合理暴露长度。在时间 方面，由于边坡形成后主要经历蠕动变形期和临滑破坏期两个阶段，所以论文通过 三轴蠕变实验以及数值模拟技术，分析蠕变过程中岩石在各阶段的变形以及相应的 强度特点，得出当岩石所受载荷大于其长期强度时，岩石的强度会随着作用时间逐 渐降低，且强度下降速率以及总量与蠕变时间、轴向应力成正比关系、与围压成反 比关系，最终通过数据拟合得出了矿区内泥岩、粗砂岩的强度弱化规律。 最后，在露天煤矿端帮上选取完整剖面，按照岩石强度弱化规律，利用 FLAC 3D 分析不同暴露时间节点的端帮稳定性，得出“时间-边坡角-稳定系数”三者的变化 关系。然后根据“边坡暴露时间”小于“边坡稳定存在时间”的原则以及内排压帮 对端帮稳定性的影响， 可得出在稳定的前提下， 哈尔乌素露天煤矿南端帮可以从 38 加陡至 42，北端帮可以从 37加陡至 39。 关键词关键词露天矿；端帮；岩石蠕变；时效性 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract For large-scale open pit coal mine,the non-working-slope in stope mainly refers to the end-slope after the achievement of internal dumping.Because of working slope and slope in the inner dumping site constantly advancing, the end-slope of the stope is located in a dynamic alternating process of excavation to burial in the mining process,at the same time the end-slope is a dynamic development process from the ation to the temporary to the buried.However, the traditional open pit slope is a static and permanent design based on the instantaneous strength parameters of rock without considering the timeliness of the end-slope and resulting in a large number of coal at the end-slope.Therefore,The transition from permanent to timeliness by studying the dynamic process of the end-slope can provide theoretical support for improving the slope angle of the end-slope and recovering the coal at the end-slope. thesis is based on the existing research results of aging slope and combine with the Haerwusu open-pit coal mine production situation and current situation of slope to determine the dynamic development process of the end-slope and the time factor is added to the slope stability analysis.The slope timeliness is researched from space and time perspective.In space, according to the space position and the internal structure of the slope, the end-slope of the open pit coal mine can be simplified as a composite beam model with two ends fixed.Due to the role of self weight at the end-slope of the emergence of a certain sink, it can be in accordance with the relevant knowledge of the beam to analysis the rock mechanics characteristics of end-slope.Based on the analysis of the of landslide failure and the mechanical characteristics of rock strata and the Mohr-Coulomn criterion is used as the failure criterion,we can get the maximum exposure length of the rock strata in the end-slope and determine the entire end-slope reasonable length of exposure.In the aspect of time, the slope is mainly ed by two stages the creep deation and the temporaryfailure.Sothisthesisanalysedtherockcreepdeationandthe corresponding characteristics of strength in the process in each stage through the analysis 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III of three axis creep test and numerical simulation technology and concluded that when the load of rock is greater than its long-term strength,the strength of rock will decrease gradually with the action time.The rate of decline of the strength and the total amount is proportional to the creep time and axial stress, inversely proportional to the confining pressure.we can obtain the strength weakening rule of mudstone in mining area through the data fitting. Finally, according to the law of rock strength weakening and selecting the whole slope in the end-slope of open pit coal mine,the relationship between the three factors of time slope angle and safety factor is obtained by using FLAC 3D to analyze the stability of different time nodes.Then, according to the principle that the slope exposure time is less than the time of the slope stability and the influence of the internal drainage pressure on the stability of the end-slope,the southern end-slope can be added from 38 to 42 and the northern end-slope can be added from37 to 39 in the present situation. KeyKey WordsWordsSurface mine；End-slope；Rock creep；Timeliness 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要...............................................................................................................................I Abstract.............................................................................................................................II 1 绪论...................................................................................................................................1 1.1 选题背景...............................................................................................................1 1.2 选题意义...............................................................................................................2 1.3 国内外应用及研究现状概述...............................................................................3 1.3.1 国外应用及研究现状...............................................................................3 1.3.2 国内应用及研究现状...............................................................................4 1.4 研究内容及方法....................................................................................................5 1.4.1 研究内容...................................................................................................5 1.4.2 研究方法...................................................................................................6 1.5 创新点....................................................................................................................7 1.6 技术路线................................................................................................................8 2 端帮边坡发展过程中的时空特点...................................................................................9 2.1 端帮发展的动态模型...........................................................................................9 2.2 端帮边坡的空间特点.........................................................................................10 2.2.1 暴露面积的确定以及影响.....................................................................10 2.2.2 端帮合理暴露长度.................................................................................10 2.3 端帮边坡的时间特点.........................................................................................16 2.3.1 暴露时间的确定以及影响.....................................................................16 2.3.2 时效边坡的时间判别准则.....................................................................17 3 软岩压缩蠕变特性研究.................................................................................................18 3.1 边坡地应力特点.................................................................................................18 3.1.1 露天煤矿常见地应力种类.....................................................................18 3.1.2 地应力卸载机理.....................................................................................19 3.1.3 边坡角对应力卸荷的影响.....................................................................21 3.2 泥岩三轴压缩蠕变试验.....................................................................................23 3.2.1 实验方法及步骤.....................................................................................23 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.2.2 泥岩蠕变实验结果分析..........................................................................25 3.3 粗砂岩三轴压缩蠕变试验.................................................................................26 3.3.1 实验方法及步骤.....................................................................................26 3.3.2 粗砂岩蠕变实验结果分析.....................................................................27 3.4 蠕变本构模型及参数反演.................................................................................28 3.4.1 常见本构模型..........................................................................................28 3.4.2 本构模型选取..........................................................................................29 3.4.3 模型参数反演级调整..............................................................................30 3.4.4 三轴压缩蠕变试验模拟.........................................................................34 4 软岩强度的时效弱化规律研究.....................................................................................37 4.1 岩石蠕变过程中强度分析..................................................................................37 4.2 岩石强度时效性确定方法..................................................................................38 4.2.1 岩石长期强度以及确定方法.................................................................39 4.2.2 等时应力-应变曲线法确定岩石时效强度...........................................39 4.2.3 岩石时效强度影响因素.........................................................................42 4.3 岩石时效强度弱化规律研究..............................................................................43 4.3.1 岩石时效强度具体弱化规律..................................................................43 4.3.2 岩石强度参数弱化规律.........................................................................47 5 哈尔乌素露天煤矿边坡时效性研究.............................................................................51 5.1 哈尔乌素矿区概况..............................................................................................51 5.1.1 地理位置..................................................................................................51 5.1.2 地形地貌..................................................................................................52 5.1.3 气候条件..................................................................................................52 5.2 工程地质条件......................................................................................................53 5.2.1 地层岩性..................................................................................................53 5.2.2 地质构造..................................................................................................53 5.3 露天矿现状..........................................................................................................54 5.3.1 露天矿生产现状......................................................................................54 5.3.2 露天矿边坡现状......................................................................................55 5.4 边坡时效性研究..................................................................................................57 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 5.4.1 南端帮边坡时效性研究..........................................................................57 5.4.2 北端帮边坡时效性研究..........................................................................60 5.4.3 内排压帮高度对边坡的影响..................................................................63 结论.............................................................................................................................66 参考文献.............................................................................................................................68 在学研究成果.....................................................................................................................72 致谢.............................................................................................................................73 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 露天开采是采矿技术的基本方法之一，因其生产能力大、资源回收率高、劳动 生产安全、机械化程度高等特点被广泛应用于国内外的煤炭资源开采中。目前，在 我国年生产能力在一千万吨到三千万吨的特大型露天煤矿多达 30 余座，形成了多个 大规模露天矿群，其中主要包括中煤平朔集团的安太堡、安家岭和东露天矿三座 千万吨级大型矿山，总产能接近 1 亿吨；神华准能集团的黑岱沟、哈尔乌素露天煤 矿，总产能在 6000 万吨左右；以及胜利、霍林河、伊敏河等大型露煤矿等。最近几 年，露天煤矿呈现良好发展趋势，煤炭产量占全国煤炭总产量的份额逐年上升，在 未来的一段时间内，露天开采仍然处于举足轻重的位置。 “十三五”期间，能源规划的首要任务是化解严重过剩产能，其中在煤炭行业， 为了淘汰落后产能、优化资源利用需对传统的采矿技术进行革新。就目前的露天开 采技术而言，除了改进、完善工艺，提高生产效率之外，还应该立足于提高边坡角、 降低剥采比，来实现煤炭资源的回收和提高经济效益，靠帮开采技术在这种环境下 显得尤为重要。时效边坡作为靠帮开采技术的一种，相比于其它靠帮开采技术的主 要优点在于一是不需要引入新工艺。其它的靠帮开采技术，比如井工联采需要引 入地下采煤的工艺，而时效边坡只需原来的工艺即可实现，简化矿山开采程序。二 是减少生产投入。其它的技术需在原有的设备采购新的设备，比如割煤机、液压支 架等，而时效边坡在回收边帮压煤时只需原有的设备即可完成，减少矿山成本投入、 提高经济效益。 露天矿边坡形成后，主要经历前期的蠕动变化稳定期和临滑破坏期两个阶段， 如果能准确地确定这两个状态的数据变化规律，便能清晰的得出边坡稳定情况。而 传统露天煤矿边坡角设计是按整体端帮边坡进行设计，这种设计方法无法体现不同 岩层带来的差异以及边坡的时效性。且传统的露天矿边坡的分析方法都是静态的,如 瑞典条分法、Bishop 法等，都是没有考虑时间因素。时效边坡突破了传统边坡的概 念,将工程的时间性考虑其中,在传统的露天开采中将边坡设计的永久性过渡到时效 性,实现了理论上对工程边坡的跨越式的突破,同时在工程技术上,时效边坡的提出 为提高端帮的帮坡角,实现靠帮开采提供了理论支持。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 1.2 选题意义选题意义 近几年来，由于煤炭资源紧缺和价格的持续下跌以及为了相应国家政策和保持 良好的市场竞争力，对各大能源集团提出了资源回收率高、成本投入低的高要求。 针对该问题，需要突破以往的理念，寻求新的发展方向。作为一种露天矿设计分析 的新理念，时效边坡的主要目的之一是在端帮稳定的前提下加陡边帮角，回收边帮 压煤，最大限度地回收资源[1]。其主要依据有对于以汽车运输为主的水平或近水平 露天煤矿,实现内排后端帮边坡就会有一个从形成、暂时存在到被掩埋的动态变化过 程，由于边坡存在的时间有限，故在安全的情况下可适当的提高边坡角，进而产生 一定的经济效益[2]。 例如，神华准能哈尔乌素露天煤矿年生产能力在 3000 万吨，煤层厚度 33m，年 推进 400m，南、北端帮边坡角分别为 38、37，且都存在压煤，端帮高度 223m 左右。边坡角每提高 2时，矿山每年可多回收 48.2 万 3 m的煤，或者减少 172 万 3 m 的岩土剥离量。同时还可以减少土地破坏面积和外排土场土地占用面积，降低征地 投入。 露天开采过程中，随着不断进行地爆破、装运和排土作业，采场工作帮、内排 土场边坡、端帮等都处在不断的发展过程中，端帮的暴露时间有限。因此，在生产 的过程不止是空间位置的动态过程，也具有时间的维度。一般露天煤矿边坡采用静 态、均一、永久性设计，端帮边坡角较缓，当端帮设置运输平台时，边坡进一步变 缓，造成端帮大量压煤[3]。时效边坡从端帮的动态发展过程入手，将时间因素加入到 边坡稳定性的分析中，提出了“边坡暴露时间”和“边坡稳定存在时间”的概念， 前者是通过露天采场参数确定，而后者是由边坡的内在结构以及外在的干扰因素决 定的。通过俩个时间的对比可对端帮边坡进行合理的设计，最大限度的提高边坡角。 同时，时效边坡还注重边坡在空间上的发展，研究端帮边坡暴露长度对边坡稳定的 影响，提出不同地质段、不同边坡角的设想。 边坡内含软弱面的发育程度是其稳定与否的关键所在，常见的软弱面有边坡内 的裂隙以及岩石强度较低的软岩岩层等。传统的边坡稳定性分析只给出软弱面的破 坏形式，并没有指出弱化随时间的发展过程。大量事实表明，具有流变性岩石的强 度和裂隙尚未贯通处岩桥的承载力随时间的推移有明显的下降现象。因此，研究 岩石强度随时间的弱化规律是确定“边坡稳定存在时间”的必要手段，也是发展和 应用时效边坡的理论基础。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 代表一种新的露天矿边坡设计理念，时效边坡为露天煤矿边坡的设计与稳定性 分析提供广义的理论基础，是用动态的参数对露天煤矿边坡进行评价与设计。近年 我国开发建设的大型露天煤矿基本为近水平煤层，采用分区内排压帮的开采程序， 涉及到的非工作帮只有端帮，且矿山年产量和工作线推进强度大，使得端帮边坡暴 露面积和暴露时间大大减小。随着露天采矿设备和采矿技术的发展，露天矿的合理 开采深度在不断的增大，边坡的高度也随之增大。当边坡角提高时，不仅可以回收 边帮压煤，最大限度地回收资源；也可减少剥离量，降低成本投入。论文主要研究 边坡稳定与时间和边坡角的关系，采用理论分析、数值模拟和实验等手段探究含有 软岩岩层边坡的稳定性下降规律，进而确定边坡稳定存在时间。研究所得成果对今 后的边坡设计以及边坡安全分析具有指导意义。 1.3 国内外应用及研究现状概述国内外应用及研究现状概述 1.3.1 国外应用及研究现状国外应用及研究现状 早期的边坡稳定分析属于地质学研究的范畴，研究滑坡现象的主要方法是地质 分析法，并逐步形成了通过分析地质演变历史，以及追寻斜坡变化过程来对边坡进 行评价的“地质历史分析法”。20 世纪初期，随着西方发达国家工业革命的兴起， 出现了大规模的岩土开挖活动，并造成了大量的滑坡现象。在这之后，人们才把边 坡工程当作到基础工程之一，并且逐渐意识到必须把地质分析和力学机制分析集合 起来才能更好地确定边坡的稳定性。 在此期间， 出现的主要方法是极限平衡法[4]。 1916 年瑞典人彼德森提出的条分法最早地建立了边坡的力学模型。之后，Fellenius1936 年、Bishop1955 年、Morgenstern 和 Price1965 年，Jambu1973 年等诸多学者 对条分法进行了改进。其中 Bishop 将安全系数定义为滑裂面对滑体产生的抗滑力与 滑体产生的下滑力比值，使得物理意义更加明确。条分法因其简单而得到了广泛的 使用，同时也在不断的被完善，不但由原先的平面二维发展到空间三维，还在分析 中可以加入了爆破震动、地下水等因素进行综合分析[5]。 在近几十年里，一些学者在露天矿边坡稳定性分析、边坡设计，滑坡预测等方 面取得了长足进展。 E.Hoek 等提出露天矿上部境界平面曲率半径与坡高之间的关系， 为边坡几何形状设计提出指导[6]（1980）。Bye A.R.等人对南非 Sandsloot 露天矿边 坡的稳定性进行了分析并对边坡进行了设计[7]（2001）。Patnayak Sibabrata 等人采用 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 极限平衡法和数字法分析了一个铅锌露天矿边坡的稳定性[8]2002。Stacey T.R.等研 究了深凹露天矿边坡的稳定性[9]2003。Singh V.K.等人用工程地质方法优化深凹露 天矿边坡的设计[10]（2005） 。 Cravero M.等分析了石灰岩露天矿边坡稳定性[11]2007。 Moffitt K.M.等人对强风化岩石边坡的稳定性进行了分[12]2007。Rose N.D.等用反速 法预测露天矿岩石边坡的失稳[13]2007。但是，国外的学者并没有将时间因素考虑 到露天矿端帮稳定分析中，没有提出和露天矿有关的边坡时效性概念。 在国外，边坡的时效性早见于水利工程方面，用来研究坝体的变形，边坡的稳 定等问题。时效边坡的研究基于岩石强度