端帮采煤对露天矿边坡稳定性影响研究.pdf

分类号 T U 4 3 U D C6 2 4 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 端帮采煤对露天矿边坡稳定性 影响研究 S t u d yo nI n n u e n c eo fO p e n - p i tM i n eS l o p eS t a b i l i t y b yE n d s l o p eM i n i n g 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 董彗 j eJ ‘ 殷志祥教授 全日制专业硕士 建筑与土木工程 岩土稳定性 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解运宝王程撞丕太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽主工程整丕太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文a 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名二奠盏一一 导师签名麈趟一 功眦 年6 月{ ‘日≯f p 年参月，6 日 致谢 时光飞逝，转眼两年的研究生生活即将结束。在整个研究生的学习期间，无论从学 习还是生活上，都充实了自我。在人生的旅途中，描绘了绚丽的一笔。在即将离开母校， 踏上新的征途之际，向母校，向各位老师及身边帮助我的最亲爱的伙伴表达最真挚的谢 意。 感谢我的导师殷志祥老师，殷老师认真的工作态度，严谨治学的精神都深深感染着 我。在学习上，殷老师不厌其烦地教导我们，在生活上，对我们也是无微不至的关怀。 殷老师博学笃行的人格魅力，成为我之后学习工作的指明灯，指引我不断努力，不断向 前。在此，向殷老师致以最真挚的谢意和敬意。 感谢建工学院各位老师，感谢他们在我的学习、生活和工作中给予的帮助和指导。 感谢我们辽宁工大建工学院的所有专业课老师的支持和帮助。是他们的付出，让我不断 的成长。 还要感谢高哲、赵思达、郝建军、邢磊、陈玲等各位学长学姐在我的研究过程中给 予我支持和帮助。从建模、数据处理到最后的总结上，他们都对我的咨询耐心的解答， 并帮我想一些没有想到的问题，感谢他们的帮助。 同样感谢侯立阳、秦海鹏的鼓励和支持，感谢在博导室一起学习的兄弟姐妹们，一 起学习的过程中，正是有了你们的帮助和支持，我才能克服困难，不断进步，我们像亲 人一样的相处，我很怀念我们在一起的时光。 感谢我的父母对我的关爱，在十多年的求学路上对我的支持，你们是我前行的动力， 给了我拼搏的勇气。 最后感谢答辩组的各位老师，为我提出了诸多的宝贵意见，指出不足之处，使我的 论文更加完善。 祝我的老师，同学、亲人、朋友身体健康，生活愉快 摘要 露天矿边坡稳定与否是确保露天矿端帮开采的重要影响因素，因此它是一个重要的 研究问题。弄清端帮开采所引起的边坡变形和应力重分布机理，确保边坡稳定安全，是 S H M 端帮采煤技术可应用于露天矿端帮压煤开采的关键问题。本文主要考虑端帮开采时 边坡角的改变、煤柱留设尺寸以及地下水对边坡稳定性的影响。 本文以某露天矿边坡压煤为实际工程背景，根据露天矿的实际土体岩性和开采情况， 在有限差分法原理的基础上，应用F L A C 3 D 软件建立边坡压煤模型，进行数值模拟分析。 运用该模型，首先进行端帮开采边坡压煤的稳定性研究，以开采前后和边坡角的改变做 对比，分析了最大不平衡力收敛情况和监测点位移情况；其次，对于厚煤层开挖情况下 分层开采做研究，分析了开采不同层数时候监测点位移变化规律和安全系数变化；接着 分析了煤柱留设尺寸的影响，包括煤柱的高、宽和间距，对比了不同煤柱留设尺寸下边 坡监测点的位移变化规律；最后模拟了地下水渗流作用情况下，边坡位移情况和剪应变 增量的变化，得出水对边坡稳定性的影响。 通过数值模拟分析表明对于边坡压煤的端帮开采，开采后和开采前相比较，边坡 稳定系数明显减小，且最大不平衡力的收敛时间步增大一倍；在端帮开采的过程中，随 着边坡角增大，稳定系数逐渐减小；对于厚煤层端帮压煤开采情况，在采深相同的情况 下，随着开采层数的增加，边坡监测点位移增大，稳定系数减小；同一采深下，煤柱高 度越高、宽度越小、间距越大，边坡监测点位移越大，稳定系数越小。在考虑地下水渗 流情况下，边坡监测点位移增大，且剪应变分布整个坡面，最大值出现在坡脚处。本文 为弄清S H M 开采端帮压煤所引起露天矿边坡变形机理，防止滑坡灾害产生，确定开采流 程和重要参数尺寸设定提供依据。 关键词端帮采煤；稳定性；影响因素；S H M 端帮采煤技术； F L A C 3 D 数值模拟 A b s 七r a c t I no r d e rt ou s i n gS H Me n d - s l o p em i n i n gt e c h n 0 1 0 9 yt os t e e pe n d - s l o p em i n i n g ， k n o w i n gt h em e c h a n i s mo fs l o p ed e f o r m a t i o n a n ds t r e s sr e d i s t r i b u t i o nc a u s e d b y m u h i s e a m sm i n i n ga n de n s u r et h ee n d - s l o p es t a b i l i t ya n ds a f e t yi st h ek e yq u e s t i o n ． T h em a i nc o n s i d e r a t i o no ft h i sp a p e ri st h ei n f l u e n c eo ns l o p es t a b i l i t y ，s u c ha st h e c h a n g i n go fs l o p ea n g l e ，s i z e so fc o a lp i l l a ra n dg r o u n d w a t e r ． T h i sp a p e ri si na ne n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do fa no p e n - p i tm i n e ，a c c o r d i n gt ot h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h er o c km a s sa n dm i n i n gs i t u a t i o n ，e s t a b l i s h i n g s l o p em o d e lb yF L A C 3 Db a s e do nn n i t ed i f f e r e n c ep r i n c i p l et on u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．B y t h i sn l o d e l ，f i r s t ，s t u d yo nt h es l o p es t a b i l “yo fp r e s s e dc o a lo fs l o p ew i t hs t e e p e n d s l o p em i n i n g ，c o m p a r e dw i t hc h a n g eo fb e f b r ea n da R e rm i n i n ga n dt h ec h a n g i n go f s l o p ea n 9 1 e ，a n a l y z et h ec o n v e r g e n c eo fm a x i m u mu n b a l a n c e df o r c ea n dd i s p l a c e m e n to f m o n i t o r i n gp o i n t s ．N e x t ，s t u d yo nm u l t i s e a m sm i n i n go ft h i c kc o a ls e a m ，a n a l y z et h e v a r i a t i o nl a wo fm o n i t o r i n gp o i n td i s p l a c e m e n ta n dt h ec h a n g eo fs a f e t yf a c t o r ．N e x t ， a n a l y z et h ei n n u e n c eo ft h ec o a lp i l l a r s ’s i z e ，i n c l u d i n gh e i g h t ，w i d t ha n ds p a c i n go f c o a lp i l l a r s ，c o m p a r e dw i t ht h ed i s p l a c e m e n tV a r i a t i o nl a wo fm o n i t o r i n gp o i n t sw i t ht h e d i f 诧r e n tc o a lp i l l a r s ’s i z e ．A tl a s t ，t h ee f 绝c to fg r o u n d w a t e rs e e p a g eh a sb e e ns i m u l a t e d ， a n a l y z et h ed i s p l a c e m e n to fm o n i t o r i n gp o i n t sa n dt h ec h a n g eo fs h e a rs t r a i ni n c r e m e n t ， c o n c l u s i o nt h a te f 艳c to fw a t e ro ns l o p es t a b i l i t y ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i ss h o wt h a t f o r ”e s s e dc o a lw i t hs t e e pe n d - s l o p e m i n i n g ，c o m p a r e dw i t hb e f o r ea n da 最e rm i n i n g ，t h es l o p eS t a b i l i t y f a c t o rr e d u c e d s i g n m c a n t l y ，t h ec o n v e 唱e n c et i m es t e p o fm a x i m u mu n b a l a n c e df o r c ei so n et i m e h i g h e rt h a nb e f o r e ；s l o p es t a b i l i t yf a c t o rd e c r e a s e sw i t ht h es l o p ea n 9 1 ei sg r e a t e rd u r i n g t h e s t e e pe n d s l o p em i n i n g ．F o rp r e s s e d c o a lo ft h i c kc o a l ，a tt h es a m ed e p t h ， d i s p l a c e m e n to fm o n i t o r i n gp o i n t si n c r e a s e sa n ds l o p es t a b i l i t yf a c t o rd e c r e a s e sw i t ht h e e x c a v a t i n g1 a y e rn u m b e ri n c r e a s e s ．A tt h es a m ed e p t h ，d i s p l a c e m e n to fm o n i t o r i n g p o i n t si n c r e a s e sa n ds l o p es t a b i l i t yf a c t o rd e c r e a s e sw i t hh e i g h to fap i l l a ri n c r e a s e s ， w i d t ho ft h ep i l l a rd e c r e a s e so rs p a c i n gb e t w e e np i l l a r si n c r e a s e s ．C o n s i d e r i n g g r o u n d w a t e rs e e p a g e ，d i s p l a c e m e n t o fm o n i t o r i n g p o i n t si n c r e a s e s ， s h e a rs t r a i n i n c r e m e n td i s t r i b u t e sa tt h ew h o l es l o p e ．T h em a x i m u mo c c u r sa tt h eb o t t o mo fs l o p e ． T h ep a p e ri sf o rg e t t i n gt ok n o wt h ed e f o r m a t i o nr a t i o n a l eo fs u r f a c em i n es l o p ec a u s e d I I b ye x t r e m e l yt h i c kc o a ls e a mm i n i n gw i t hS H Mt e c h n o l o g y ，p r e V e n t i n gl a n d s l i d e ， d e t e r m i n i n gt h em i n i n gp r o c e s sa n dV a l u e so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r s ． K e yW o r d s S t e e pe n d s l o p em i n i n g ；s t a b i l i t y ； i n n u e n c ef a c t o r ；S H Mh i g h w a l l m i n i n gt e c h n o l O g y ； F L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 一工I I 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3煤层开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．1露天矿端帮开采的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．2s H M 技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4国内外边坡稳定性的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．5 研究存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．6本文主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2S H M 端帮采煤技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 S H M 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2S H M 端帮采煤机的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3S H M 端帮采煤的典型方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4S H M 端帮采煤技术的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．1S H M 端帮采煤机的优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．2对比总结S H M 端帮采煤机的技术特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．5S H M 端帮采煤技术的应用前景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3露天矿边坡稳定性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1边坡稳定分析概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．2边坡稳定性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 ．1 随机概率分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 3 ．2 ．2 极限平衡法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．2 ．3 数值分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 ．4物理模型实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 I V 3 ．3三维快速拉格朗日法的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 ．1混合离散法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 ．2 有限差分法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．3节点运动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．3 ．4增量形式的本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．5 时间倒数的有限差分近似⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3 ．6 阻尼力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4端帮采煤边坡模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．1F L A C 3 D 的应用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．2F L A C 3 D 分析计算步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．3本构模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．3 ．1本构模型的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．3 ．2计算参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．4 计算范围选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 5S H M 端帮开采参数对边坡稳定性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 5 ．1 边坡稳定影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 5 ．1 ．1滑坡类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 5 ．1 ．2 边坡稳定影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 5 ．2F L A C 3 D 数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．2 ．1变量选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．2 ．2边坡角对稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 ．2 ．3开挖层数对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2 ．4煤柱留设对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3边坡稳定性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6地下水渗流对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．1渗流对边坡稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．2渗流基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．2 ．1达西定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．2 ．2 渗流连续方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 6 ．3F L A C 3 D 数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 6 ．3 ．1 计算模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 6 ．3 ．2水对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 6 ．3边坡稳定影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景 露天开采技术以其基建时间短、单位矿石的基建投资较低、劳动生产率高、开采成 本低、开采强度高、生产规模大等优点，得到了广泛的应用【l 】。 随着露天开采技术的发展，适于露天开采的范围越来越扩大，可用于开采低品位矿 床和某些地下开采过的残矿等。露天开采境界内的资源回采率为9 5 ％左右，但如果把周 边大于经济合理剥采比的资源量和露天边坡下压占的资源计算在内，露天煤矿的资源回 采率仅在7 5 ％以下。例如新疆大南湖北露天矿，勘探区矿权范围内共有1 0 98 3 5 万吨可采 地质煤，露天开采境界内有8 23 7 4 ．1 8 万吨可采地质煤，边坡下面的压煤量为2 09 8 0 ．1 7 万吨，露天矿在矿区内的资源回采率为7 5 ％，有1 9 ．1 ％的煤被露天边坡所压占，6 ．4 ％的 资源为露天矿周边的残煤未能回采。阜新某矿在勘探范围内有46 7 1 ．4 万吨页岩油矿，露 天矿地表境界垂直范围内资源储量为46 6 4 ．8 7 万吨，边帮下压占资源量12 8 5 ．5 万吨，露 天境界内有2 1 ．6 ％的页岩油矿被边坡压占，整个矿区的露天开采资源回收率只有6 4 ．4 ％。 特别是在适合于内排的缓倾斜或近水平煤层的露天矿，露天生产和内部排土同时进行， 端帮存在时间短，边坡高度逐渐变低直至消失，如果不及时采出边坡下压占的资源，很 可能永久性的损失，造成资源的巨大浪费【2 】。而我国厚煤层的储量占4 5 ％以上的比例【3 1 ， 露天开采后压在边坡的煤无法进行回收，对于特厚煤层若发生边坡压煤现象，会造成更 多的浪费。 图1 ．1新疆大南湖北露天矿 F i g ．1 ．1 N o r t ho f b i gs o u t h1 a k e i nX i l l ji a n gO p e n - p i tm i n e 图1 ．2阜新某露天煤矿 F i g ．1 ．2 A nO p e n - p i tm i n e I nF u x i n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 现有的端帮采煤工艺已经进行了很多的研究，但仍然存在着端帮资源回采率低，影 响边坡稳定性的问题需要进一步解决。我国拥有数量众多的露天煤矿端帮、边帮及露头 煤，由于目前开采技术条件限制，这些煤层大部分不得不被放弃，或因采区出现采剥比 大、煤层变薄的情况，露采成本大，影响经济效益【2 】。开采活动的进行使边坡原有的岩体 结构遭到破坏，边坡滑坡造成的的工程灾害越来越多，如边坡丧失稳定性出现滑坡等。 如图1 ．3 图1 ．3 边坡滑坡 F i g ．1 ．3S l o p el a n d s l i d e b S } n 订 S u p e 哟rH 逸h w a UM i I l e r s 端帮采煤技术作为一项新兴的开采技术，可以理解 为在露天地面用井工无人工作面 巷柱式 方法开采山坡露头煤、露天端帮煤的一种残 煤资源回收采煤方法，该技术在国外已有较长时间的应用，多用于端帮压薄煤层的开采【4 】。 因此，端帮采煤技术作为一个新的开采手段，应进行大力的推广和应用。目前我国 应用S H M 技术开采露天矿边坡煤炭还没有大范围推广，为了提高煤炭开采率，避免资源 浪费，弄清S H M 技术开采边坡下煤层所引起边坡的应力场和位移场变化机理，保持边坡 稳定性，确定合理优化的S 蹦开采工艺参数，具有重要的学术和实践价值。 1 ．2研究意义 S 蹦端帮采煤技术是在边坡压煤的外部端帮以巷柱的形式进行开采，为了保证开采 巷道安全，在开采过程中，预留煤柱，同时支承了上部覆荷载。工作人员在巷道外部， 通过对机器的操作，完成采煤机的掘进工作。S H M 端帮采煤机是一套高产高效的采煤设 备，它的设计理念是安全、高效和环保，通过多次的技术考量，实习了无人自动化、信 息可控化、模块化等功能特性。在狭窄的台阶上，以及采过的采场和沟壑里，S H M 端帮 辽宁工程技术大学硕士学位论文 采煤机都能够很好的布置。在开采过场中，无需人员进入巷道内，工作人员不参加作业， 所以巷道不需要支护和通风。整个端帮开采过程都有工作人员在地面操作完成。该系统 具有多种功能，例如可只能识别煤层；定位精准，且精度高；白带的采运设备和铰接 推进臂可适应起伏的煤板变化。 S 蹦端帮露井联合[ 5 】采煤系统在对于煤层的端帮开采中具有的重要意义。对于端帮 采煤工艺，传统的巷柱是开采主要是炮采工艺，如今，己逐步发展到螺旋钻、端帮采煤 机等为主要开采设备的自动化生产工艺，尤其是端帮采煤机的发展，更成为开采端帮压 煤的首先。在美国自然保护区内，端帮采煤机成为开采浅煤层的首选。对于厚度在 O ．7 ～6 ．4 m 的煤层，端帮采煤工艺的回采率回采率能达至06 0 ％～7 5 ％，高于我国中小煤矿 的回采率，因此，将端帮采煤技术应用到露天矿边坡压煤开采中，可大幅度提高煤矿资 源的回采率。在我国，炮采和房柱式开采是主要的端帮采煤技术，工艺形式简单， 技术落后，生产率低。S H M 端帮采煤技术结合了传统端采工艺的技术优点，运用新技术， 采用模块化自动化设计，更容易操作，且具有日常维护简单、生产效率高等优点。开采 过程不破坏地表植被，保护地表环境，做到可持续发展，在此同时，获得巨大经济效益。 开采过程无人员进入巷道，这样安全性有了保障。所以，s H M 端帮采煤技术在我国定会 有广泛的应用前景。 用S H M 技术对于边坡下端帮压煤的开采，既要将压煤采出，又不能使边坡产生滑坡 灾害。所以弄清S H M 技术开采边坡压煤所引起边坡的应力场和位移场变化机理，保持边 坡稳定性，确定合理优化的S H M 开采工艺参数，具有重要的学术及应用价值。 1 ．3 煤层开采研究现状 1 ．3 ．1 露天矿端帮开采的研究现状 为了提高煤炭资源回收量，更多地采出露天矿端帮下的压煤，越来越多的学者对于 边坡压煤的开采问题做了研究。 孟庆武，舒继森，韩流对端帮开采的稳定性和经济效益做了分析研究，并提出了靠 帮开采编外稳定性分析的两种方法二维的有限差分 F L A C 2 D 和极限平衡分析 G E O S L O P E 程序。建立了由靠帮开采带来的经济效益研究模型和节约的二次剥离成本计 算模型。确立了大型水平露天煤矿靠帮开采在技术上的可行性，具有良好经济效益[ 6 】；徐 志远，才庆祥，尚涛对于端帮采煤的方法进行了一定的研究，发现了对于条件适宜的露 天矿，通过在一定时期暴漏的端帮煤层露头处挖掘巷道并建立工作面的方式回采境外的 煤，是可行的，端帮采煤工作面无论是采煤墙支撑简易放顶煤开采法还是锚网护顶煤墙 辽宁工程技术大学硕士学位论文 支撑台阶式开采法，都可以一次性开采厚度为1 0 m 左右的煤层。端帮采煤与露天矿生产 的关系至关重要，露天采排工程从时间和空间上直接影响着端帮采煤的年产量和采出率 [ 7 ] 。才庆祥、周伟等人做了近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究，证明了大型 近水平露天煤矿进行端帮靠帮开采技术上是可行的，且可以降低剥采比，提高煤炭资源回 收率和经济效益，同时研究成果为将此技术应用到实际中提供了理论依据和一般方法【s 】； 为了提高露天开采的煤炭资源回收率，掌握露天煤矿端帮残煤开采工程安排，刘勇，车 兆学等人对露天矿端帮采煤开采及边坡暴漏时间作了详细分析，结果表明，运用露天采 矿学院里分析压帮内排条件下露天矿端帮边坡暴漏时间与开采过程之间的时空关系，为 实现露天开采提供了理论依据[ 9 】；时效边坡是研究露天煤矿边坡的一种新的理念，王博文， 才庆祥，周伟等人对基于边坡时效性的露天煤矿端帮靠帮开采作了研究，通过比较不同 边坡角、不同断面形式的端帮边坡稳定性和实践来分析边坡时效性对露天煤矿靠帮开采 的影响。同时提出分段边坡设计的的手段，保证边坡稳定情况下，提高露天矿边坡角和 实施靠帮开采[ 10 ] ；对于露天矿靠帮开采端帮稳定性关键影响因素，彭洪阁等人提出了科 学观点当各地层力学性质不变时，边坡角逐渐增大，坡内部的最大剪应力迅速增大， 导致稳定系数迅速下降，当岩层与边坡角倾向相反时，对端帮边坡的稳定性有利，水位 上升时，稳定性系数下降，只有采取相应的措施们才能更好的保证端帮稳定，确保端帮 开采的安全性和回收率【1 1 1 。 1 ．3 ．2S H - 技术的研究现状 美国S u p e r i o rH i g h w a l lM i n e r s 简称S H M 公司于1 9 9 4 年正式推出用于开采露天矿 端帮及露头煤的联合采煤机，该设备在美国及俄罗斯等国已有5 0 多台投入生产。 由于开采技术条件的限制，露天煤矿端帮、边帮及露头煤大部分不得不被放弃，或 因采区采剥比大、煤层变薄，露采成本大而影响经济效益。应用先进的S H M 端帮采煤技 术，提高了煤炭资源回收率，更多地采出露天矿端帮下的压煤。近年来，此项技术在我 国也得到了广泛的关注和研究。孟建华、张兆琏赴美进行了现场考察【l2 1 ，详细介绍了此 技术在美国的应用情况，提出了S H M 开采技术对于薄煤层端帮开采的优越性，通过现场 考察S H M 端帮采煤机的适用条件，分析其在我国应用的可能性 孙进阐述S H M 端帮采煤技术的功能特点【1 3 】，S H M 端帮采煤技术的优缺点，并结合 我国露天煤矿端帮采煤技术的发展现状，分析S H M 端帮采煤技术在我国露天煤矿的应用 前景；刘文刚、王雷石和富强分析了S H M 端帮开采技术应用的评估内容、煤柱设计计算、 安全设计、回采率、灾害类型等关键问题圜，考虑了巷道群周边的应力分布产生应力叠加， 巷道上方覆岩的活动规律与单个巷道也有很大的差异，以及煤岩体的裂隙性、非均质和 辽宁工程技术大学硕士学位论文 不连续性，提出了“扩大压力拱”的概念，并通过计算有效的避免破坏的发生。进一步 阐述了S 删技术的应用情况。 在理论上，对于此项技术有了一定的研究，在实际上的应用很少，将其应用在厚煤 层的端帮开采在国内目前还鲜有研究。通过建模进行模拟分析的过程还为出现，而用理 论指导生产实践，保证安全生产，建模分析是一个必要的过程。 1 ．4 国内外边坡稳定性的研究现状 随着人类生产生活的发展，露天矿开采迅速扩大规模，高度、深度都在逐年增加， 露天开采遇到了更多的难题。为了解决这些困难，边坡稳定分析理论也随着研究的深入 而不断成熟。 边坡稳定性从很早以前就开始基于人类生产活动的进行研究。随着社会的发展，土 木工程的大力兴建，出现了有关边坡的各种事故。无论从经济还是人类身心上都造成了 极大的损失，从而人们把边坡稳定视为重要项目进行研究分析。大概有以下几个阶段 1 1 9 世纪末到2 0 世纪初期，欧美等资本主义国家大兴土木，出现了很多人工边坡， 随之而来的就是相应的地质灾害，如滑坡等，人们也由此开始关注边坡稳定的重要性， 以岩土力学为基础，应用极限平衡的概念，边坡所处的地质条件等环境因素，进行推导 分析[ 1 4 ”】，来研究边坡稳定。 2 2 0 世纪中期，我国学者主要以通过地质条件的描述来 分析评价边坡的稳定性，并对边坡进行类型划分。之后的工作实践中，学者们不断探索， 了解到失稳破坏不仅与地质条件有关，还有地质层的内部构造有关，并且分析出地质结 构为变形破坏的关键因素【l6 1 。 3 2 0 世纪后期，研究者们将对地质的分析和岩土力学的 分析结合在一起，从边坡失稳的实际事件中不断总结，认识到变形破坏过程的重要性， 提出了边坡破坏模式。之后，学者们对于影响边坡的因素，包括内部因素，外界因素等 进行了系统的研究，形成了完善的边坡稳定分析思路，和相应的计算方法【17 1 。 目前来看，边坡稳定的分析方法可分为两大类定性分析和定量分析。定性分析， 对可能的破坏情况和影响边坡稳定的因素进行分析，主要有工程类比法、图解法和随机 概率分析法等。定量分析法包括极限平衡法、数值分析法和物理模型法等。每个分析方 法都有其优缺点，根据不同的水文地质条件，和露天矿边坡特性，选择合适的分析方法， 才能更好的分析判断边坡的稳定性。 F L A C F a S tL a g r a l l g i a nm l a l l y s i so f C o n t m a 程序是美国I T A S C A 咨询公司推出的连 续介质力学分析软件。如今，已由二维计算程序发展成为三维计算程序。在边坡稳定分 析、矿山开采等工程中被广泛应用。随着煤炭行业的不断开发，越来越多的现实问题摆 在面前。无论是高陡边坡、地质软弱边坡、端帮开采边坡等各式各样的边坡，都要对边 辽宁工程技术大学硕士学位论文 坡稳定问题进行分析。只有这些边坡不失稳，对环境的影响和人们的生命财产安全的损 失才能降到最低。 1 ．5 研究存在的问题 对于边坡压煤的开采，有多种可选择方式。从端帮开采边坡下的压煤，无论从回收 率还是环境的保护上看，都具有良好的经济效益。目前对于端帮压煤开采的研究还存在 一定待解决的问题 1 将S } ⅡⅥ应用到端帮煤层开采，通过边坡是否稳定来判断其应用的合理性。对于 边坡稳定的影响因素，组成边坡岩层的物理力学性质是最根本的因素，其中对边坡稳定 影响较大的有岩层的重度、粘聚力和内摩擦角等。但是这些岩层的物理力学性质为端帮 边坡的固有属性，或称内部影响因素【1 7 1 ，无法改变。本文主要讨论的是边坡稳定的 外部影响因素。在这些影响边坡稳定的外部因素中，煤柱留设、开挖层数、边坡角等因 素的影响各有不同，而这些影响因素对于S H M 端帮开采的影响方式还没有实际的研究。 2 将S } ⅡⅥ应用到边坡压煤的开采研究中，理论公式较少，实验花费巨大且不可重 复，开挖过程中边坡的变化过程无法掌握，且目前国内对S H M 技术的应用较少，这样的 结果就导致缺少实际数据来证明理论数据的正确性。 3 S H M 端帮露井联合采煤系统适用于开采煤体支撑性好、顶底板稳定、煤层平坦、 起伏不超过5 。～1 2 0 ，厚度0