露天井工联合开采矿区综采工作面与边坡的时空关系分析

露天井工联合开采煤矿“三带”确定~

“三带”确定，以安家岭露天矿为例，并结合该矿具体地质条件，对井工开采工作面与边坡的时空关系确定、对该矿开采方式所形成的边坡岩移规律及合理停采线确定等方面进行研究。
井工二号矿开采对露天边坡影响，主要是确定近距离煤层开采时的上“三带”，尤其确定组合煤层裂隙带高度;建立露天井工联合开采模型，如图5-23所示。目的:确定9号煤停采线。计算参数:4号煤均厚11m，9号煤均厚12m，层间距35m，岩移角59°;具体计算结果:
(1)单一煤层开采时
4号煤:冒落带高度mz4=(2～3)·h=22～33m;
裂隙带高度mLX4=(4～6)·h=44～66m;
9号煤:冒落带高度mz9=(2～3)·h=44～66m;
裂隙带高度mLX9=(4～6)·h=48～72m

图5-23 露天井工联合开采模型


图5-24 近距离组合煤层开采裂隙带

(2)近距离组合煤层开采时
根据矿山压力与岩层控制理论，当层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度，上下煤层的垮落带高度重合。
上煤层的裂隙带高度按该层的厚度计算，下煤层裂隙带最大高度按综合开采厚度计算，取其中标高最大值作为两层煤的断裂带最大高度。
所以，4号煤和9号煤同时开采时冒落带高度:Mz=mz4+mz9=46～69m
4号煤和9号煤同时开采时裂隙带高度:mLX4=(4～6)·h=44～66m

煤矿露天井工联合开采理论与实践

取最大值为44～66m，即为4号煤和9号煤同时开采时裂隙带高度。
总体井工开采上覆岩层破坏影响取最大值为135m。

8.2.1.1 影响安全的危险因素排查
露天井工联合开采的宗旨是有效利用露天开采和井工开采的优势互补作用，同时将双方的耦合影响降到最低程度。在联采过程中其相互影响主要表现在三方面:一是井工开采导致其影响域内的边坡岩体弱化，同时活化边坡系统内部软弱结构面，使得受露天开挖卸荷作用而发生应力状态调整的边坡系统再次受到扰动，易导致边坡失稳灾害的发生。二是露天矿开挖的卸荷作用同样会对井工开采产生影响，特别是露天矿爆破等动荷载的反复加载，致使岩体发生松动，甚至导致巷道围岩失稳。三是由于二者影响域的重合，其采动效应相互叠加、耦合、放大，从而导致灾害的发生。
根据这三方面的内容，可以分析已存在的或将会产生的影响安全的危险因素。针对这些危险因素开展勘查、试验、危险性分析，为下一步监测预警及治理提供依据。
中国国际咨询公司曾对平朔安家岭露井之间岩体(边坡)稳定性技术进行过技术咨询研究。采用现场调查分析露天井工联合开采对露天矿边坡与周边构筑物安全的影响。采用选择与确定典型剖面的方法排查危险性。
也可以采用以上排查方法，首先排查危险因素，其后确定典型剖面开展工作。
(1)典型剖面选择原则
1)通过现场踏勘、调查、分析研究，选择现状边坡中动态稳定性较差有代表性的剖面;
2)分析判断上窑外排土场与露天不采区井工开采及采煤沉陷影响可能最大的露天矿边坡中的有代表性的剖面;
3)井工开采及采煤沉陷可能影响和危及地面重要构筑物安全的对应剖面;
4)井工开采与露天开采复合作用下对边坡稳定性最不利的有代表性的剖面。
(2)根据以上原则选定的典型剖面
1)上窑外排土场西南部典型剖面(3-3’剖面)
该剖面位于上窑外排土场西南部，走向NE60°，虽距井采第一采区有一定距离，但环形路轨位于坡脚，西南部坡下有火药库，最大排高150m，坡脚14°，基底土层20m，倾角达8°～10°左右。该剖面区的边坡稳定直接关系到环线与火药库的安全。
2)上窑外排土场西南部典型剖面(4-4’剖面)
该剖面位于上窑外排土场西南部，C-C’剖面东南侧，走向NE60°，受上窑井采区井工开采沉陷影响，环形线路位于坡脚，高压架线沿坡下而过。基底土层厚5m，顺倾，倾角5°左右。
在上窑外排西南部选定2个剖面的主要原因是，边坡为顺倾，坡底附近有地面重要建筑物，排土场下有井工开采，井采地面沉陷后可能危及排土场边坡的稳定。
3)上窑外排土场东西区皮带运输线间边坡典型剖面(C-C’剖面)
该剖面位于上窑外排土场东区排土场之间的运输线路间边坡的典型剖面，两侧有上窑井采区，东侧有西界井采区，走向SW78°。西排排高104m，坡角16°，基底土厚23m，反倾，倾角2°左右;东排排高67m，坡角12°，基底土层顺倾。该剖面区的边坡稳定对运输通道的安全与露天矿正常剥离、运输生产至关重要。
4)露天井工联合开采南端帮上窑排土场典型剖面(F-F’剖面)
该剖面包括南端帮坑下边坡与上窑西排土场(下部为井采第一采区)边坡，是露天井工联合开采，井采和露采复合作用影响最大的、总体坡高最高的一个典型剖面。4号煤底板以上距地表坡高220m，其中南端帮坑下边坡高度130m，坡角29°，岩层反倾，倾角2°左右;西排土场坡高90m，坡角20°，土层厚18m;上窑井采区4#煤层埋深105～165m，宽240m。剖面南部又有高压架线、皮带廊道与铁路运输线。因此该剖面是露天井工联合开采对露采影响最大、露采井采复合作用下边坡稳定性最受影响、又有地面重要构筑物的一个重要的有代表性的典型剖面。
5)露天井工联合开采北端帮露天不采区典型剖面(E-E’剖面)
该剖面为露天不采区井工开采区南侧的露天矿矿坑北端帮边坡剖面，走向NE0°，9#煤底板距地面高差180m，坡角29°，土层厚41m，岩层顺倾，倾角5°左右。井采主副斜井临近北端帮;北端帮岩层顺倾，黄土层中黏土层与4#煤顶板的风氧化层为二个弱层，1300平盘、1360和1375平盘在2002年相继出现裂缝;端帮进行过平硐采煤;总体边坡角31°，局部边坡最大坡角40°以上。因此比较起来是一个露天井工联合开采复合作用影响下边坡稳定性最差的剖面之一。

图8-14 露天井工联合开采位置及典型剖面位置

6)露天不采区斜井井口位置边坡典型剖面(X-X’剖面、Y-Y’剖面)
露天不采区斜井井口区边坡虽然不高，但所处位置重要，即是人员、材料物资进出斜井的通道，边坡下方又有重要的工业设施与建筑，因此它的稳定直接影响人员设备及重要设施的安全。是露天不采区井工开采安全必须分析和考虑治理的一个重要剖面。
根据以上典型剖面开展具体的勘察、试验、分析、监测、预警、安全防治控制技术研究。
8.2.1.2 勘察
针对影响露天井工联合开采安全的危险性因素的勘察目的，主要是查清危险因素区域(或选定的典型剖面区)的工程地质、水文地质条件，方法也是采用露天开采与井工开采区勘察方法，需要注意的就是考虑二者叠加域岩体变化规律。重点加强对露井复合影响造成的工程地质条件、水文地质条件、特点进行勘察。
以露天煤矿边坡工程地质勘察为例:
(1)边坡工程地质勘察内容
1)组成边坡的岩体岩性、产状、构造、新构造运动、区域地质特性、岩层风化程度、水文地质特征;
2)矿区水文、气象、地震资料、开采中爆破等采矿工程活动情况;
3)边坡稳定性、边坡变形与滑坡调查及分析;
4)岩体结构类型和工程地质分区。具体内容包括:
① 边坡岩层的岩石名称、颜色、矿物组成、结构特征，岩层的产状、含水状态，软弱层(面)的赋存状态、分布规律、接触关系及接触面的特征;
② 与边坡稳定性有关的地质构造，包括断层的性质、产状、破碎带宽度及破碎程度、断层面的特征、充填物，断层与地下水的关系;裂隙的性质、产状、发育程度，裂隙带的宽度及充填物;褶曲的形态、类型、产状、特征;
③ 松散及风化岩石的岩性、风化程度及其与坚硬岩石的接触关系、接触面的特征;
④ 含水层的岩性、厚度，裂隙或岩溶发育状态及特征;出水点的位置、流量变化、水质、水源及补给途径;
⑤ 地下水对边坡稳定的影响程度。
(2)边坡工程地质勘察按步骤:
1)收集现场相关资料，包括现场该边坡地质、水文、气候等资料，确定边坡的岩体结构、组成及赋存形态;
2)收集该边坡之前做过的相关勘探报告、钻孔资料、地质剖面图、位移监测资料等;
3)结合上述资料确定边坡剖面线的位置，并在边坡剖面线上确定能代表边坡岩体性质的钻孔位置;
4)露天矿边坡钻探应严格按照《岩土工程勘察规范》GB50021[38]中有关技术要求执行;
5)边坡工程地质勘察资料整理分析评价，编制露天矿边坡工程地质勘察报告。
(3)对井采影响下的边坡工程地质水文地质条件特点变化与趋势进行。
8.2.1.3 试验
试验目的是测定危险影响区或典型剖面岩土体的物理力学性质，包括产生影响前及与露天井工联合开采相互影响下两种情况的岩土体物理力学性质、变化规律、发展趋势。方法也是采用露天开采与井工开采岩土体物理力学性质试验方法，增加的就是露天井工联合开采影响下的岩体物理力学性质变化规律，发展趋势。
以露天开采边坡岩土物理力学性质试验为例。
(1)边坡岩土物理力学性质试验内容
1)抗剪强度试验，包括岩样、原位岩体与散体岩土的直接剪切或三轴压缩抗剪强度试验。岩土样直剪采用直剪仪;岩土样小三轴抗剪采用三轴仪;原位岩体直剪试验采用原位岩体直剪试验系统;散体岩土大三轴试验采用大三轴仪试验系统;
2)岩土物理性质指标测定，包括密度、含水率、比重、界线含水量、压缩、固结、贯入等;
3)岩土试样抗压强度、点荷载强度、变形参数(弹性模量、泊松比等)测定;
4)软岩或泥化层流变试验，采用直剪流变仪测定长期强度及各种流变参数;
5)岩土不同含水量下的物理力学性质试验。
(2)边坡岩土物理力学试验方法
边坡岩土物理力学性质试验要以国家有关标准(如《土工试验方法标准》《工程岩体试验方法的标准》GB/T50123[41]、GB/T50266[40]等)、煤炭行业有关煤和岩石试验标准(MT)、水利水电行业有关岩石试验、土工试验的标准为主要遵循依据，并结合各露天矿边坡具体的特点确定试验项目、内容，并调整试验方法。
(3)岩体强度评价
岩体强度评价主要为确定边坡稳定分析采用的指标参数，结合以上试验成果，选用适宜的岩体强度评价理论、滑坡反分析成果及岩土性质类比成果等综合确定露井联采影响边坡各岩土体物理力学性质指标，特别是抗剪强度指标，为边坡稳定性分析选用。
(4)边坡模拟试验
宜根据露天矿边坡稳定分析与滑坡模式、破坏机理分析需要，依据边坡岩体实际赋存条件、地质剖面、岩土性质，采用底摩擦模型法或相似材料模型法进行边坡模拟试验，求得边坡变形破坏和滑坡模式。试验方法根据《露天煤矿边坡模拟试验方法》MT/T675进行。
(5)以上试验与评价内容应包括岩体在露天井工联合开采影响发生前与影响发生后两种情况下的岩土体物理力学性质，特别是性质的变化规律与发展趋势。
8.2.1.4 影响安全的危险因素分析
危险因素分析主要目的是分析露天井工联合开采影响安全的危险因素的类别、时空关系、影响大小、危害程度，提出监测预警与防治对策等初步建议。分析方法可采用以下两种方法:
(1)参照煤矿企业应急预案编制的指南与方法，针对危险性分析，进行情景模拟。通过调查、排查、分析危险因素的种类、范围(时空关系)、大小与危害程度，监测预警系统，采用技术与管理手段等防治对策以有效控制和减少事故发生的几率。在此基础上也可以同时编制露天井工联合开采影响安全危险因素的应急预案。
危险因素分析与相应应急预案应具有:针对性、可操作性、科学性、协调性、强制性与规范性。
(2)参照国土资源部对地质灾害防治勘查、设计与地质灾害危险性评估的方法按地质环境条件与影响因素引发地质灾害的危险性进行分析分类。如2.5.1中介绍的抚顺西露天矿，由于胜利矿井采对露采边坡影响的地质环境分类(沉陷滑移区)及相应的地质灾害危险区、及安全区。在分类基础上分析危险因素类别、范围、大小与危害，以提出初步的防治措施。

根据理论分析结果，结合露天井工联合开采矿区如安家岭矿综采工作面与边坡的时空关系、井工二号矿开采方式所形成的边坡岩移规律、井工二号矿合理停采线确定等方面进行稳定性分析。

本次分析范围见图7-2，在29210、29211和29209工作面各选取一个剖面进行稳定计算。在总结以往地质调查、岩土力学试验资料的基础上，进行滑坡破坏模式分析、边坡稳定性计算与评价等工作，对露天矿北帮受2号井影响区域边坡进行了系统地稳定性验算，从而有效的掌握露天井工联合开采对边坡的稳定性影响，并就2号井最终停采线提出合理性建议。

图7-2 研究区域及剖面位置

图7-3 停采线最终位置图

(1)井工二号矿停采线方案确定

边坡稳定性分析方案:9#煤未开采、9#煤开采到初始停采线、保护运输平盘、裂隙带上限停采线、9#煤开采到设计停采线。

在保证露天矿边坡和井工矿安全生产的前提下，为尽可能多地开采煤炭资源，本次研究对2号井工矿29210(剖面1)和29211(剖面2)两个工作面最终停采线位置进行最终确定，并对露天矿边坡的稳定性影响进行分析与评价。

1)29210工作面稳定性评价

最终停采线按照设计停采线退后30m计算，同时对原设计停采线及其开采方向退后50m两种情况进行计算，并分析其采沉影响范围。各位置稳定计算结果见图7-4至图7-7，从图7-7可知内排跟进至设计位置且在设计停采线开采方向退后30m的情况下，29210采区的整体边坡稳定性达到1.207，可满足安全储备系数1.2的要求。考虑到内排的跟进速度，该区域边坡属于临时边坡，基本可以保证一年以后29210工作面位置内排可跟进至设计位置，故在内排未跟进之前，停采线开采方向退后30m时(稳定系数为1.153)，基本可满足要求。

图7-4 原设计停采线稳定计算结果

图7-5 原设计停采线退后30m稳定计算结果

图7-6 原设计停采线退后50m稳定计算结果

图7-7 原设计停采线退后30m且内排跟进后稳定分析结果

图7-8与图7-9为原设计停采线及其退后30m时采沉影响范围，从图中不难看出，采用原设计停采线时，1330平盘及以上平盘均属于采沉影响范围，坡体将可能产生裂隙及变形;而将原设计停采线退后30m，采沉影响范围可调整至1360平盘及以上平盘。两种情况下主要沉降平盘为1405平盘及以上平盘。

图7-8 原设计停采线采沉影响范围

图7-9 原设计停采线退后30m时采沉影响范围

故按设计停采线退后30m确定的最终停采线，基本能够保证井工矿和露天矿的安全生产需求。

2)29211工作面

稳定性评价最终停采线按照设计停采线开采方向退后15m计算，同时对原设计停采线及其退后30m两种情况也进行计算，并分析其采沉影响范围。最终调整后停采线位置图见图7-3。由图7-13可知，内排跟进至设计位置且在设计停采线开采方向退后15m的情况下，29211采区的整体边坡稳定性达到1.238，能满足安全储备系数1.2的要求。考虑到内排的跟进速度，该区域边坡属于临时边坡，基本可以保证一年以后29210工作面位置内排可跟进至设计位置，故在内排未跟进之前，停采线开采方向退后15m时(稳定系数为1.159)，基本可满足要求。

图7-10 原设计停采线稳定计算结果

图7-11 原设计停采线退后15m稳定计算结果

图7-12 原设计停采线退后30m稳定计算结果

原设计停采线采沉影响范围为1330平盘及其以上平盘，原设计停采线退后15m采沉影响范围为1360平盘及以上平盘，见图7-13及图7-15。两种情况主要沉陷平盘表现为1405平盘及以上平盘。

图7-13 原设计停采线退后15m且内排跟进后稳定分析结果

图7-14 原设计停采线采沉影响范围

图7-15 原设计停采线退后15m时采沉影响范围

故按设计停采线退后15m确定的最终停采线，基本能够保证井工矿和露天矿的安全。

(2)井采与边坡稳定时空关系分析

基于有限元强度折减方法，研究井工开采推进距离对露天边坡稳定性变化时空规律，掌握边坡变形及安全系数变化规律，为露天边坡稳定性有效控制提供依据。

1)29211剖面井工开采对边坡稳定性影响

数值模拟选取29211剖面进行计算分析，建立的工程地质简化模型如图7-16，边坡稳定性验算所需要的岩土体物理力学强度指标通过对以往本地区所积累的相关资料进行收集、整理、分析确定。

由模拟曲线结果可知，在29211工作面距离停采线位置大于419m时，边坡稳定性系数保持在1.3左右;当工作面继续推进直至到设计停采线位置时，边坡稳定性系数急剧减小到1.1左右，边坡处于临界稳定状态，在此过程中应加强边坡变形监测。通过对工作面推进距离与边坡稳定性系数曲线拟合，得出拟合方程为:

图7-16 工程地质简化模型

图7-17

图7-17 29211工作面距坡脚距离与对应边坡安全系数的滑面

图7-18 工作面距坡脚263m(设计停采线)竖向位移云图

图7-19 29211工作面距坡脚距离与边坡安全系数曲线

y=a·e_bx (7-13)

其中:a=1.1747，b=-0.0002，满足指数函数。

图7-20 监测点位置示意图

表7-1 1360平盘监测点竖向位移 单位:m

由监测点位移曲线可知，随9号煤工作面推进，1360平盘竖向位移不断增加，监测点Node741竖向位移小于Node713，平盘监测点越靠近临空面竖向位移越大。

2)29210剖面井工开采对边坡稳定性影响

数值模拟选取29210剖面进行计算分析，建立的工程地质简化模型如图7-22，边坡稳定性验算所需要的岩土体物理力学强度指标通过对以往本地区所积累的相关资料进行收集、整理、分析确定。

图7-21 1360平盘监测点竖向位移

图7-22 工程地质简化模型

图7-23

图7-23 29210工作面距边坡距离与对应边坡安全系数的滑面图

图7-24 工作面距坡脚263m竖向应力云图

图7-25 29210工作面距坡脚距离与边坡安全系数曲线

由模拟曲线结果可知，在29210工作面距离坡脚位置大于363m时，边坡稳定性系数保持在1.2以上;当工作面继续推进直至到设计停采线位置时，边坡稳定性系数急剧减小到1.082，边坡处于临界稳定状态，若进行不放顶煤开采，边坡安全系数继续减小到1.034。通过对工作面推进距离与边坡稳定性系数曲线拟合，得出拟合方程为:

y=a·e_bx (7-14)

其中:a=1.0785，b=-0.0002，满足指数函数。

3)29209剖面井工开采对边坡稳定性影响

数值模拟选取29209剖面进行计算分析，建立的工程地质简化模型如图7-26，边坡稳定性验算所需要的岩土体物理力学强度指标通过对以往本地区所积累的相关资料进行收集、整理、分析确定。

图7-26 工程地质简化模型

图7-27

图7-27 29209工作面距坡脚距离与对应边坡安全系数的滑面

图7-28 工作面距坡脚355m(设计停采线)竖向应力云图

图7-29 29209工作面压脚后距坡脚距离与对应压脚后边坡安全系数的滑面

图7-30 工作面距坡脚355m(设计停采线)竖向应力云图

图7-31 压脚处理后29209工作面距坡脚距离与边坡安全系数曲线

由模拟曲线结果可知，在29209工作面距离坡脚位置506m时，边坡稳定性系数保持在1.116;若边坡不压脚，在工作面继续推进直至到设计停采线位置时，边坡稳定性系数急剧减小到0.946，边坡处于不稳定状态;若在距边坡坡脚456m压脚，边坡安全系数增加到1.34，工作面推进至设计停采线位置时，边坡稳定系数为1.225，若进行不放顶煤开采，边坡安全系数继续减小到1.172，边坡处于临界稳定状态。通过对工作面推进距离与边坡稳定性系数曲线拟合，得出边坡压脚后稳定系数曲线拟合方程为:

y=a·e_bx (7-15)

其中:a=1.1717，b=-0.0001，满足指数函数。

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