露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律研究.pdf

第3 6 卷第4 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 6N o ．4 2 0 0 7 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y J u l y2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 4 0 4 8 2 - 0 5 露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律研究 蓝航，李凤明，姚建国 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 摘要为研究露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律，结合平朔安家岭露天矿南排土场边坡的实 例，采用F L A C 3 D 程序进行了数值模拟计算．采用该程序内嵌F I S H 语言生成了台阶状边坡地表 的移动和变形等值线，并分析了边坡受力特点及其稳定性．结果表明露天煤矿台阶状边坡体的 采动沉陷规律表现出很明显的“台阶”分布特点；台阶状边坡地表的移动范围比平地地表要小，但 变形却更剧烈，且在各台阶平面处形成变形集中；台阶状边坡地表的水平变形仍然呈现出采空区 中间受压，两端受拉的特点；台阶状边坡在地下开采扰动下的稳定性应考虑采空区的时空效应． 关键词露天煤矿；排土场边坡；采动沉陷；F L A C 3 D ；稳定性 中图分类号T D8 2 4 ．7文献标识码A R e s e a r c ho nS u r f a c eS u b s i d e n c eo f D u m pS l o p eI n d u c e db yM i n i n gi nO p e nC o l l i e r y L A NH a n g ，L IF e n g m i n g ，Y A 0J i a n g u o M i n i n gR e s e a r C hB r a n c h ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ee x a m p l eo fs o u t hd u m ps l o p eo fA n i i a l i n go p e nc o l l i e r yi nP i n g s h u o ，t h e r u l eo fs u r f a c es u b s i d e n c ew a ss t u d i e du s i n gF L A C 3 D ．T h es u r f a c em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o ni s o l i n e so fb e n c h s h a p es l o p ew e r eo b t a i n e dw i t hi n n e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g e F I S Ho fF L A C 3 D ． a n ds t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo ft h es l o p ew e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a td i s t i n c t “b e n c h ”d i s t r i b u t i o nr u l et a k e so nf o rt h es u b s i d e n c ea n dd i s t o r t i o no fb e n c h s h a p es l o p e s u r f a c e ；t h em o v e m e n tr a n g eo fb e n c h s h a p es l o p es u r f a c ei ss m a l l e rb u ti t sd i s t o r t i o ni sl a r g e r t h a nt h o s eo ff l a ts u r f a c ea n dc o n c e n t r a t e dd i s t o r t i o no c c u r sa te v e r yb e n c hp l a n ；t h es u r f a c e h o r i z o n t a ld i s t o r t i o no fb e n c h s h a p es l o p ei ss t i l lp r e s s e di ng o bc e n t r ea n dt e n s i o n e di nb o t h s i d e so fg o b ；s p a c e t i m ee f f e c ts h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tf o rt h es t a b i l i t yo fb e n c h s h a p e s l o p ei n f l u e n c e db yu n d e r g r o u n dm i n i n g ． K e yw o r d s o p e nc o l l i e r y ；d u m ps l o p e ；s u b s i d e n c ei n d u c e db ym i n i n g ；F L A C ⋯；s t a b i l i t y 露天煤矿的开采由于受到自然条件以及经济 技术条件等因素限制，有时会逐步由露天向地下开 采过渡，或者因某些原因而采取露天与井工联合开 采 简称为露井联采 的方式[ 1 ] ．在露井联采条件 下，井工开采造成上覆岩层的移动和破坏必然会对 露天矿边坡以及排土场上各种工程设施产生影响， 甚至会诱发边坡滑动，威胁地表各种构筑物的安 全．露天煤矿边坡一般呈台阶状，对其采动沉陷规 律的研究还不多见，掌握这类形状地表的采动沉陷 规律对于露井联采条件下露天煤矿边坡稳定性的 研究具有重要意义．文献[ 2 3 ] 对根据开采沉陷理 论用简单条分法推导出了地下与露天综合开采影 收稿日期2 0 0 6 1 2 一0 7 基金项目科研院所社会公益研究专项项目 2 0 0 4 D I B 3 J 0 8 8 作者简介蓝航 1 9 7 8 一 ，男，湖北省利川I 市人，博士研究生，从事开采沉陷、岩石力学和计算机在矿业中的应用研究 E - m a i l h l a n 5 2 7 1 6 3 ．C 0 1 T I T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 1 3 5 万方数据 第4 期 蓝航露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律研究4 8 3 响下边坡稳定性计算的理论公式；文献E 4 ] 针对地 下与露天联合开采岩体移动分析问题，利用模糊数 学理论，建立了开采岩体移动分析和边坡稳定性分 析的模糊数学模型；与这种台阶状边坡体的地下采 动问题类似的还有山区自然坡体的地下采动问题． 文献[ 5 ] 提出了以随机介质理论为基础的山区地表 采动影响函数叠加预计方法． 开采沉陷预计为地面建筑物保护和采动损害 评估提供了必要的依据．目前国内使用较广泛的沉 陷预计主要是根据地表移动观测资料计算参数或 根据类似条件选取参数的概率积分法及修正方 法[ 6 。] ．但迄今为止对于露天煤矿边坡台阶状地表 的移动观测资料几乎还没有，因此采用该方法时计 算参数的选取存在较大的困难．另外，不同的地表 形状 如台阶状地表、山区地表和平地地表 也应有 不同的沉陷规律，但这在很多概率积分程序中都难 以反映．岩土体的采动沉陷规律应该与岩土体本身 的力学性质和地表地形紧密相关． 采用数值模拟研究采动沉陷规律，能充分考虑 这些因素，反应岩土体采动沉陷的实质．F L A C 3 D 应 用有限差分方法建立了单元应力应变和结点位移 等计算方程，具有占用内存小、精度高和运算快的 优点．本文以其为工具，建立安家岭露天煤矿边坡 台阶状地表采动沉陷计算模型，并采用F L A C 3 D 内 嵌F I S H 语言编写地表移动计算模块，得到其采动 沉陷规律，并在此基础上分析地下开采对边坡稳定 性的影响． 设有露天矿的生产炸药库，因此该排土场在地下开 采扰动下的稳定性就直接关系到炸药库的安全． 9 0 0 0 工作面长度2 4 0m ，走向长度2 ．1 3 2k m ，设计 推进长度1 ．3 0 2k m ，底板倾角2 。～5 。，平均煤层厚 度1 3 ．2m ．采用综采放顶煤开采，一次采全高．9 8 煤以上4 8 煤首采面4 1 0 1 工作面的回采已经结束． 9 0 0 0 ，4 1 0 1 工作面与其上的排土场边坡及炸药库 位置关系如图1 ． 图19 0 0 0 ，4 1 0 1 工作面、地面边坡及炸药库位置 F i g ．1 P l a c e so f9 0 0 0 ，4 1 0 1m i n i n g { a c e s ，s u r f a c es l o p e s a n de x p l o s i v ew a r e h o u s e s 南排土场边坡地层自上而下为排土场、第四 系、第三系、煤系地层．排土场主要由露天剥离出的 黄土和碎石组成，并经过碾压，有一定强度．第四系 地层主要为黄土层，厚度为1 3 ～1 9m ．第三系主要 为棕一深红色黏土和亚黏土互层．煤系地层中岩性 均较坚固，胶结致密，除页岩外，普氏硬度系数均在 4 以上．边坡岩层赋存平缓，48 煤之顶板为灰白色 中粗砂岩，局部为含砾砂岩，岩石坚硬，胶结致密． 98 煤顶板为砂质泥岩，局部为泥岩和炭质泥岩． 1 工程背景 2 模型建立 平朔安家岭露天煤矿已由单一的露天开采变 为露井联采方式．安家岭井工矿18 井98 煤层埋深 1 5 0 ～2 0 0m ，9 0 0 0 首采面位于上窑区南排土场下， 边坡体与开采推进方向斜交．该排土场边坡西南部 排土场边坡模型尺寸为10 0 0m 6 4 0m 3 3 6m ．共划分4 46 8 0 个单元，5 40 7 9 个节点，分4 级台阶 标高为13 3 5 ，13 5 5 ，1 3 7 5 ，1 3 9 5 ，14 3 5 ， 模型网格划分及坐标系如图2 ． 图2 炸药库边坡三维计算模型 F i g ．2 3 Dm o d e lo fe x p l o s i v ew a r e h o u s es l o p e 模型4 个侧面边界限制z ，Y2 个方向的水平 移动，底部固定，模型上表面为自由边界．材料破坏 符合M o h r C o u l o m b 强度准则．模型分3 步开挖， 每步开挖3 0 0m ．由于F L A C 3 D 属于连续介质模型， 对采空区冒落的模拟还有缺陷，在模拟时，对采空 区进行了弹性充填处理作为对采空区冒落矸石对 万方数据 中国矿业大学学报第3 6 卷 顶板支撑作用的近似，冒落矸石的弹性模量取未破倍考虑‘8 ’9 ] ．岩、土体物理力学参数见表1 ． 坏状态下煤岩块弹性模量的1 ／l o ，而泊松比按1 ．3 表1岩土体物理力学参数取值 T a b l e1 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 fr o c ka n ds o i l 岩性容重／ k g m - 3 体积模量／G P a剪切模量／G P a抗拉强度／K P a黏接力／M P a内摩擦角／ 。 排土场 黄土 砂岩 4 煤 砂岩 9 8 煤 砂岩 0 ．0 5 5 0 ．0 5 3 1 ．5 0 0 0 ．3 6 0 1 ．2 0 0 0 ．4 4 0 2 ．7 0 0 1 1 1 6 0 1 0 0 1 5 0 1 0 0 3 0 0 0 ．0 1 9 0 ．0 5 0 1 ．2 0 0 0 ．5 0 0 1 ．2 0 0 0 ．6 0 0 1 ．5 0 0 3 模型计算 3 ．1模型地表的重组 对于地表沉陷计算来说，最终是要对地表层的 单元进行计算，因此需要根据地表层单元的地址来 控制，F L A C 中的地址可以根据I D 号来获得．如图 2 a ，地表岩层包括排土场模型 2 层 和排土场边坡 模型 共8 层 ．但在计算开采沉陷时，需要用到的 地表单元只有边坡下的排土场模型的上层单元和 排土场边坡模型的表层单元。这些表层单元的I D 号不是连续的，为便于编程计算，需要对表层单元 进行重新编号，但F L A C 并不具有按用户自定义 方式编号的功能．这里采用了直接获得地址的特殊 函数g e t m e m 以 、m e m a d ’，通过构建一个类 似数据结构中的链表将不连续的I D 号首尾相连来 实现．尽管这些表层单元的I D 号不连续，但由于它 们在生成的时候仍然遵循按先后顺序排序，因此其 I D 号在表层的分布还是有一定规律可循，如沿z 方向按1 递增，在Y 方向按某个等差序列递增．按 这些规律找到地表层的所有单元将它们重组．图 2 b 为将排土场和排土场边坡的最表层重新组合并 命名为“地表”．在进行沉陷计算时，程序将直接对 “地表”各单元的地址进行操作，不再使用I D 号． 3 ．2 计算分析 完成以上前处理过程后进行开挖计算．计算结 束后，对位移结果文件进行后处理，F I S H 程序根 据文献[ 1 0 ] 中的移动盆地主断面内的地表移动和 变形分析公式编写，限于篇幅，不再赘述．计算得到 如图3 ～4 的移动及变形等值线．图中不规则多边 形为边坡下的炸药库轮廓，各图的横、纵坐标值为 模型的长、宽值 单位m ，粗虚线为采空区边界． 图3地表移动等值线 F i g ．3 I s o l i n e so fs u r f a c ed i s p l a c e m e n t 由图3 可以看到，露天煤矿台阶状边坡下的移 动下沉规律与平地或山坡体完全不同，表现出了随 台阶分布而变化的特点．图中4 级台阶分别位于z 方向的一5 9 0 ，一5 2 0 ，一4 5 0 和一4 0 0m 处，水平移 动和下沉等值线在这些地方沿着开采走向方向集 中分布．图3 a 说明z 负向 向着坡体临空面 的水 平移动值远大于z 正向，这说明坡体地表不但有向 着采空区的移动，而且还有边坡体自身向临空面的 * F I S HI NF L A C ”．I t a s c aC o n s u l t i n gG r o u p ，I n c 。2 0 0 4 滑移，边坡体地表下的煤层开挖加剧了边坡体自身 的滑移．z 正向水平移动值在各级台阶平面达到最 大值，z 负向水平移动值在最上一级台阶临空面处 达到最大值．图3 b 说明Y 负向水平移动值也在各 级台阶平面达到最大值，Y 正向水平移动值在最上 一级台阶临空面处达到最大值．图3 a 和图3 b 均说 明最大水平移动值出现在最上一级台阶临空面处， 而且从图中还可看出，最上一级台阶的移动范围要 万方数据 第4 期 蓝航露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律研究4 8 5 比其下各级台阶的移动范围大，这说明台阶坡体的 移动范围要比平地的移动范围小．图3 c 还说明台 阶状边坡的地表下沉等值线分布不呈椭圆形，最大 下沉值出现在坡体最下一级台阶附近． 图4 地表变形等值线 F i g ．4 I s o l i n e so fs u r f a c ed i s t o r t i o n 图4 的变形等值线说明台阶状边坡的采动变 形值也呈现出随台阶分布而变化的特点．图4 a ，b 说明台阶处的倾斜变形呈现出很明显的区域分布 状况，以图4 b 说明台阶处和台阶顶部倾斜变形的 明显不同最为清楚台阶处的倾斜变形范围要小于 台阶顶部，台阶顶部的倾斜变形与平地倾斜变形无 异，但各台阶平面发生了变形集中，而且其最大倾 斜变形 2 2m m ／m 要大于台阶顶部的最大倾斜变 形值 一1 0r a m ／m ．图4 c ，d 说明地表水平变形值 在采空区中央为负，表明受压；采空区四周为正，表 明受拉，这2 点与平地的变形规律相同．但z 方向 各台阶变坡处的水平变形负值达到最大，最大值 一2 4m m ／m 比最上部台阶上方平面处的最大水 平变形值 1 2m m ／m 和最下部台阶下方平面的最 大水平变形值 1 4m m ／m 要大，说明台阶处的变 形比平地处的变形要剧烈．图4 d 说明Y 方向的水 平变形比z 方向的水平变形要小得多，这可以从y 方向为边坡非临空面方向得到解释． 单元体的变形直接影响到其破坏状态，由于排 土场边坡体主要为黄土、碎石等散体介质组成，尽 管经过碾压加固，但在地下开挖和边坡自身滑移的 扰动下很容易发生破坏，图5 为边坡体破坏场图． 图5 中呈现出很明显的采空区中间受压，两边受拉 破坏的特点． 图5边坡破坏场 F i g ．5P l a s t i c i t ya r e ao fs l o p e ”．当前时步；P ．以前时步 从图3 ，4 中炸药库的位置来看，炸药库部分处 于边坡地表的移动范围内，炸药库的边缘已处于变 形值的边界之内，这说明炸药库已经受到了地表移 动变形的影响，虽然其处于变形影响边缘，但由于 炸药库的重要性，应对其采取必要的措施如维修、 加固或重建．图5 还说明炸药库处于边坡下的拉破 坏区，因此其维修和加固应以抗拉为主． 为考察采动影响下边坡的稳定性，F L A C 3 D 可 以通过s o l v ef o s 命令来计算边坡的安全系数，但 这只适用于单元个数较少的情况，对于本文4 万多 个单元的情况，采用这种方法计算几乎不可能，这 里采用剪应变增量来分析[ 1 1 。．计算得到边坡剪应 变增量如图6 ，边坡的各级台阶均形成了较明显的 剪切条带，说明地下开采扰动对边坡稳定性产生了 不利影响，但剪应变增量值还很小 0 ．0 3 ～0 ．0 4 ， 考虑到图3 ，4 坡体表面的移动和变形值都比较小， 说明坡体的稳定性还较好，只需加强开采期间的监 测即可．由于地下煤层采出后引起的地表沉陷是一 个较为复杂的时间和空间过程．随着工作面的推 进，不同时间的回采工作面与地表点的相对位置不 同，开采对地表点的影响也不同[ 12 | ．即地表具有向 着采空区移动的特点．对于本文地表边坡体来说， 在开采初期，坡体向着采空区方向的移动与其自身 向临空面的移动方向相反，有利于坡体的稳定，随 着采空区的不断扩大，坡体向着采空区的移动也逐 渐变为与临空面方向相同，这时就十分不利于坡体 稳定．因此，对于露天煤矿边坡体在地下开采扰动 下的稳定性，应针对不同的时间以及不同的采空区 和坡体的相互位置关系采取不同的保护措施． 图6边坡剪应变增量云图 F i g ．6 S h e a rs t r a i ni n c r e m e n tn e p h o g r a mo fs l o p e 万方数据 4 8 6中国矿业大学学报第3 6 卷 由于本文根据安家岭南排土场边坡实际情况 进行模拟，未对不同的台阶参数和开挖方向进行研 究，因此本文所得出的结论是否对于所有受地下采 动影响的露天矿排土场边坡具有普遍性还有待深 入研究．通过目前对9 0 0 0 工作面上方排土场的地 表移动观测，发现排土场上出现了大量的张拉裂缝 和台阶状沉陷，地下开采的影响剧烈，这在数值模 拟中也得到了体现 局部下沉值达到3 ．81 T I ，局部 水平和倾斜变形达到1 0m m ／m 以上 ，分析原因， 主要是煤层埋藏浅和开采厚度大所致． 4 结论 1 台阶状边坡地表的移动和变形规律与平地 或山体地表有很大的不同，表现出了很明显的”台 阶”状分布特点； 2 台阶状边坡地表的水平移动在各级台阶平 面处达到最大值，整个地表的最大水平移动值出现 在最上一级台阶的平面； 3 台阶状边坡地表的地表下沉等值线不再呈 椭圆形，呈明显的”台阶”状分布，最大下沉值出现 在坡体最下一级台阶附近； 4 台阶状边坡地表的移动范围与平地地表移 动范围相比要小，但变形却较平地地表剧烈，并且 在各台阶平面处形成变形集中； 5 台阶状边坡地表的水平变形与平地或山体 地表相同，仍然呈现出采空区中央受压，两边受拉 的特点； 6 台阶状边坡在地下开采扰动下的坡体稳定 性分析应考虑采空区的时空效应，针对不同的开采 阶段以及不同的采空区和坡体的相互位置关系区 别对待． 参考文献 [ 4 3 E 5 ] [ 6 ] [ 7 ] I - 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