露天-井下聯(lián)合開(kāi)采礦井邊界參數(shù)確定及優(yōu)化

侯躍華，朱建明，吳劍平

(北京航空航天大學(xué)土木工程系，北京 100191)

露井聯(lián)采技術(shù)能夠充分發(fā)揮露天和井工開(kāi)采優(yōu)勢(shì)，提高資源采出率，同時(shí)將對(duì)環(huán)境的破壞減少到最低，實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采，是實(shí)現(xiàn)淺埋資源綠色開(kāi)采的方向。[1,2]由于聯(lián)采過(guò)程中會(huì)造成露天與井工的相互干擾和影響,[3-8]如何有效地發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將相互影響降到最低，實(shí)現(xiàn)露天和井工兩個(gè)開(kāi)采方法之間協(xié)調(diào)開(kāi)采，是露井聯(lián)采研究的主要課題。

露天與井工開(kāi)采的相互影響主要表現(xiàn)在兩種開(kāi)采模式交界處兩種開(kāi)采方式的相互影響以及由此帶來(lái)的露天礦邊坡及邊坡下井工礦大巷穩(wěn)定問(wèn)題。因此，合理的確定露井聯(lián)采礦井邊界參數(shù)成為解決露井聯(lián)采問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 工作面推進(jìn)方向開(kāi)切眼側(cè)邊界參數(shù)的確定

(1)工作面推進(jìn)方向開(kāi)切眼側(cè)邊界特點(diǎn)

當(dāng)露天邊坡與井工工作面推進(jìn)方向垂直或斜交時(shí)，在工作面開(kāi)切眼與邊坡交界側(cè)的主要問(wèn)題是，如何保證上部露天邊坡的穩(wěn)定。由于露天邊幫的位置確定后較難變更，因此合理的工作面開(kāi)切眼位置，成為保證聯(lián)采礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

平朔礦區(qū)安太堡露天礦南幫與安家?guī)X2#井工礦北部相接，安家?guī)X2#號(hào)井工礦工作面從南往北推進(jìn)，推進(jìn)方向與安太堡露天礦南幫邊坡基本呈90°相交，聯(lián)合開(kāi)采導(dǎo)致露天邊坡嚴(yán)重破壞。為了確定合理的工作面開(kāi)切眼位置，采用數(shù)值模擬以及塑性極限分析的方法，對(duì)安家?guī)X2#井工礦工作面開(kāi)切眼處不同上覆巖土體厚度時(shí)邊坡的破壞情況進(jìn)行了分析。

(2)開(kāi)切眼處不同上覆巖土體厚度邊坡破壞的相似模擬分析

采用數(shù)值分析軟件FLAC2D模擬開(kāi)切眼上覆巖土體變化前后的邊坡整體破壞情況。當(dāng)上覆巖土體高度為86m時(shí)(初始方案)，工作面開(kāi)采的破壞區(qū)域與邊坡的破壞區(qū)域發(fā)生溝通。開(kāi)切眼上覆巖土體從86m增加到105m(改進(jìn)方案)后，其上部邊坡平臺(tái)的破壞情況有了明顯的改善，工作面的破壞區(qū)域未與邊坡的破壞區(qū)域溝通。說(shuō)明增加上覆巖土體厚度對(duì)于穩(wěn)定邊坡上部處于井工塌陷范圍內(nèi)的平臺(tái)起到了很好的作用。物理相似模擬研究試驗(yàn)也表明開(kāi)切眼位置是上部邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。[9]

(3)開(kāi)切眼處不同上覆巖土體厚度邊坡破壞塑性極限分析

表1為采用塑性極限理論的上限法對(duì)開(kāi)采塌陷區(qū)周圍邊坡的巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果。開(kāi)切眼上覆巖土體從86m增加到105m后，邊坡的滑動(dòng)和沉陷情況都比較好，改進(jìn)后的邊坡滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)都大于5，塌陷區(qū)巖體的沉陷穩(wěn)定系數(shù)大于10，邊坡穩(wěn)定性都有不同程度的提高。

表1 邊坡穩(wěn)定分析

上述分析可看出，露天-井下聯(lián)合開(kāi)采礦井開(kāi)切眼側(cè)的邊界參數(shù)，可通過(guò)合理的井工工作面開(kāi)切眼位置確定。為了防止由于采空區(qū)垮落破壞而發(fā)生滑坡，應(yīng)保證開(kāi)切眼上覆巖土體的安全高度，即邊界參數(shù)應(yīng)以井工開(kāi)采工作面與邊坡臺(tái)階的垂直安全距離為確定依據(jù)。在安太堡露天礦和安家?guī)X2#井工礦的聯(lián)合開(kāi)采中，通過(guò)此方法確定了應(yīng)保證井工礦開(kāi)切眼位置上覆巖土體的厚度在105m以上，使露天礦邊坡得到了很好的保護(hù)。

2 工作面推進(jìn)方向停采線側(cè)邊界參數(shù)的確定

(1)工作面推進(jìn)方向停采線側(cè)邊界特點(diǎn)

露天邊坡與工作面推進(jìn)方向垂直時(shí)，井工工作面停采線一側(cè)的主要問(wèn)題是，如何保證井工大巷及其上部邊坡的穩(wěn)定。大巷是井工開(kāi)采的命脈，大巷發(fā)生失穩(wěn)將迫使井工礦停產(chǎn)，因此維護(hù)井工礦大巷的穩(wěn)定顯得尤為重要,而合適的停采線位置是確保大巷穩(wěn)定的關(guān)鍵。[10]露井聯(lián)采下工作面停采線位置可以采用關(guān)鍵層理論計(jì)算確定。

關(guān)鍵層理論認(rèn)為，采場(chǎng)上覆巖層中存在著厚度大、強(qiáng)度高、對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)及上覆巖層的變形和破壞起主要控制作用的堅(jiān)硬巖層，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)。[11]露井聯(lián)采下的關(guān)鍵層模型，將關(guān)鍵層看作彈性地基上的梁，利用組合梁原理計(jì)算關(guān)鍵層梁的上部荷載，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵層梁應(yīng)力和變形的計(jì)算，確定合理的停采線位置。

安家?guī)X2#井下礦南部與安家?guī)X露天礦北幫相接，井下工作面從南向北推進(jìn)，工作面推進(jìn)方向與安家?guī)X北幫斜交。2#井工作面的開(kāi)采以及上部露天礦開(kāi)采導(dǎo)致邊坡下大巷發(fā)生嚴(yán)重破壞。

(2)關(guān)鍵層理論分析聯(lián)采工作面停采線位置

為了確定合理的工作面停采線位置，利用關(guān)鍵層理論及數(shù)值模擬，對(duì)工作面合理的停采線位置進(jìn)行了分析。

圖1為利用關(guān)鍵層理論分析2#井工礦工作面推進(jìn)到不同長(zhǎng)度時(shí)關(guān)鍵層的應(yīng)力分布圖。當(dāng)工作面推進(jìn)到距輔運(yùn)大巷78m時(shí)，距離輔運(yùn)大巷上部右側(cè)6m處的關(guān)鍵層梁將會(huì)斷裂，斷裂后的關(guān)鍵層巖塊回轉(zhuǎn)下沉，造成對(duì)下部巖層和煤柱的側(cè)向擠壓，使煤柱產(chǎn)生水平方向的變形。

圖1 推進(jìn)過(guò)程中梁截面應(yīng)力分布

當(dāng)工作面推進(jìn)到距輔運(yùn)大巷78m后，左側(cè)20m處支承壓力及支承壓力與原巖應(yīng)力的比值(應(yīng)力集中系數(shù))明顯增加，且增加速率在此處明顯變大。由于輔運(yùn)大巷左側(cè)煤柱的垂直應(yīng)力是關(guān)鍵層梁的支撐壓力與煤柱上部巖層自重的疊加，因此相應(yīng)的煤柱應(yīng)力也會(huì)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

(3)工作面停采線位置的數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值分析軟件FLAC3D模擬工作面開(kāi)采，得到工作面停采線與輔運(yùn)大巷之間煤柱最大主應(yīng)力分布。煤柱最大主應(yīng)力峰值在坐標(biāo)Y=880處，即距輔運(yùn)大巷81.7m處煤柱起了主要支撐作用。FLAC2D模擬工作面開(kāi)采得到4煤輔運(yùn)大巷塑性區(qū)范圍曲線，當(dāng)4煤停采線位置與輔運(yùn)大巷距離80m左右時(shí)，巷道塑性區(qū)的范圍急劇增加，表現(xiàn)出失穩(wěn)特征。數(shù)值模擬結(jié)果與利用關(guān)鍵層模型計(jì)算所得結(jié)果基本一致。

通過(guò)上述分析可看出，工作面停采線一側(cè)邊界參數(shù)的確定，需確定合理的井工工作面停采線位置。停采線位置可采用露井聯(lián)采下關(guān)鍵層的分析方法，通過(guò)分析關(guān)鍵層的變形和受力來(lái)確定，以保證井工大巷的穩(wěn)定。安家?guī)X露天礦和安家?guī)X2#井下礦的聯(lián)合開(kāi)采中，使用上述方法確定了停采線位置距離輔運(yùn)大巷78m，使井下礦大巷得到了很好保護(hù)，同時(shí)露天礦邊坡并未出現(xiàn)明顯破壞。

3 工作面開(kāi)采方向邊界參數(shù)的確定

(1)工作面開(kāi)采方向上邊界特點(diǎn)

對(duì)于露天邊坡與工作面推進(jìn)方向平行的露井聯(lián)采礦井邊界問(wèn)題，合理安排初始工作面位置，是保證邊坡穩(wěn)定切實(shí)有效的方法。這種情況下，可以采用先開(kāi)采遠(yuǎn)離邊坡的工作面，后開(kāi)采接近邊坡工作面的“跳采”模式。[12]

安家?guī)X2#井工礦西北部與安太堡露天礦東南幫邊坡交接(圖2)。井下礦開(kāi)采導(dǎo)致上部安太堡露天礦邊坡發(fā)生坍塌滑坡現(xiàn)象。利用數(shù)值分析軟件FLAC3D對(duì)這種特殊露井邊界條件下，采用改變工作面開(kāi)采順序與不改變工作面開(kāi)采順序兩種方案，對(duì)井下開(kāi)采對(duì)露天邊坡的影響進(jìn)行了分析。

圖2 2#井工礦與安太堡露天礦東南幫位置關(guān)系

(2)兩種方案分別開(kāi)采第一個(gè)工作面到165m時(shí)，上部邊坡塑性區(qū)分布

改變工作面開(kāi)采順序與不改變開(kāi)采順序兩種方案，都開(kāi)采第一個(gè)工作面到165m時(shí)邊坡破壞情況。改變開(kāi)采順序后，井下礦初次開(kāi)采導(dǎo)致的邊坡破壞范圍明顯變小，邊坡下部平臺(tái)的穩(wěn)定性較改變前有了明顯改變，井下對(duì)露天邊坡的影響相比正常開(kāi)采順序開(kāi)采要小。

(3)兩種方案分別開(kāi)采第二個(gè)工作面到175m時(shí)，上部邊坡塑性區(qū)分布

兩種開(kāi)采方案中，井下礦第二個(gè)工作面都推進(jìn)到175m時(shí)邊坡破壞情況。改變開(kāi)采順序后，雖然第二個(gè)工作面靠近露天礦邊坡，但邊坡下部平臺(tái)的穩(wěn)定性仍然比不改變開(kāi)采順序要好，同時(shí)邊坡的破壞范圍相對(duì)不改變順序時(shí)要小，破壞區(qū)域也并未連通。

可以看出，對(duì)于工作面開(kāi)采方向與露天邊坡平行側(cè)的邊界，可以通過(guò)改變工作面開(kāi)采順序的方法進(jìn)行優(yōu)化。為了防止由于井下工作面開(kāi)采而使得邊坡發(fā)生破壞，應(yīng)先開(kāi)采遠(yuǎn)離邊坡的工作面，后開(kāi)采靠近邊界的工作面。安家?guī)X2#井下礦在工作面開(kāi)采過(guò)程中，采用上述“跳采”模式，使露天邊坡得到了很好的保護(hù)。

4 結(jié)論

露井聯(lián)采礦井邊界參數(shù)的合理確定，既可以充分發(fā)揮露天、井工兩者優(yōu)勢(shì)，又能減少露天與井工開(kāi)采的相互干擾，在保證安全的前提下采出盡可能多的資源。但對(duì)于不同的邊界特征需要采取不同的邊界參數(shù)優(yōu)化措施：

(1)露天-井工聯(lián)合開(kāi)采礦井工作面開(kāi)切眼側(cè)的邊界參數(shù)，可以通過(guò)合理的井工工作面開(kāi)切眼位置確定，開(kāi)切眼位置應(yīng)以工作面開(kāi)切眼與上部邊坡臺(tái)階的垂直安全距離為確定依據(jù)。

(2)工作面停采線側(cè)的邊界參數(shù)優(yōu)化，需要確定合理的井工工作面停采線位置。停采線位置可以采用露井聯(lián)采下關(guān)鍵層的分析方法，通過(guò)分析關(guān)鍵層的變形和受力來(lái)確定工作面停采線位置，保證大巷圍巖穩(wěn)定。

(3)對(duì)于工作面開(kāi)采方向與露天邊坡平行側(cè)的邊界條件，可以采用改變工作面開(kāi)采順序的方法，先開(kāi)采遠(yuǎn)離邊坡工作面，后開(kāi)采靠近邊界工作面。

[1] 劉愛(ài)蘭.淺埋資源綠色開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè).2009，18(7):62-66.

[2] 繆協(xié)興,錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開(kāi)采研究現(xiàn)狀與展望[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2009, 26 (1): 1-14.

[3] 韓 放,等.露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采巖體穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28 (6): 509-514.

[4] 白占平. 井工開(kāi)采對(duì)其上方邊坡巖體穩(wěn)定性影響的模擬試驗(yàn)研究[J].露天采礦, 1992,(1): 21-25.

[5] 白占平. 井工開(kāi)采對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的有限元分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1991,20(4): 81-96.

[6] 王家臣,譚文輝.邊坡漸進(jìn)破壞三維隨機(jī)分析[J].煤炭學(xué)報(bào), 1997, 22 (1): 27-31.

[7] 劉保寬,吳吉南,朱建明,等.露天邊坡下采區(qū)大巷圍巖穩(wěn)定性研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2008，17(8):59-62.

[8] 馬天輝,唐春安,楊天鴻，等.露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中頂柱穩(wěn)定性分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, (4):450-453.

[9] 吳劍平,朱建明,成新元.露井聯(lián)采下邊界參數(shù)優(yōu)化的相似模擬研究,中國(guó)礦業(yè)，2008，17(9):79-82.

[10] 劉保寬,吳吉南,朱建明,等.安家?guī)X二號(hào)井B402工作面終采線位置合理確定[J ].煤炭科學(xué)技術(shù), 2008, 36(12): 12-15.

[11] 錢鳴高.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[12] 劉憲權(quán),朱建明,陸 游.露井聯(lián)采下井工開(kāi)采順序的優(yōu)化分析[J].中國(guó)礦業(yè),2007.16(10):63-65.