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)開采，是實(shí)現(xiàn)淺埋資源綠色開采的方向。[1,2]由于聯(lián)采過程中會(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)開采方法之間協(xié)調(diào)開采，是露井聯(lián)采研究的主要課題。

露天與井工開采的相互影響主要表現(xiàn)在兩種開采模式交界處兩種開采方式的相互影響以及由此帶來的露天礦邊坡及邊坡下井工礦大巷穩(wěn)定問題。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)采問題的關(guān)鍵。

1 工作面推進(jìn)方向開切眼側(cè)邊界參數(shù)的確定

(1)工作面推進(jìn)方向開切眼側(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)，在工作面開切眼與邊坡交界側(cè)的主要問題是，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)合開采導(dǎo)致露天邊坡嚴(yán)重破壞。為了確定合理的工作面開切眼位置，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)，工作面開采的破壞區(qū)域與邊坡的破壞區(qū)域發(fā)生溝通。開切眼上覆巖土體從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)也表明開切眼位置是上部邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。[9]

(3)開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)開采塌陷區(qū)周圍邊坡的巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果。開切眼上覆巖土體從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)合開采礦井開切眼側(cè)的邊界參數(shù)，可通過合理的井工工作面開切眼位置確定。為了防止由于采空區(qū)垮落破壞而發(fā)生滑坡，應(yīng)保證開切眼上覆巖土體的安全高度，即邊界參數(shù)應(yīng)以井工開采工作面與邊坡臺(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)合開采中，通過此方法確定了應(yīng)保證井工礦開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#井工作面的開采以及上部露天礦開采導(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，通過分析關(guān)鍵層的變形和受力來確定，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 工作面開采方向邊界參數(shù)的確定

(1)工作面開采方向上邊界特點(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，可以采用先開采遠(yuǎn)離邊坡的工作面，后開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，采用改變工作面開采順序與不改變工作面開采順序兩種方案，對(duì)井下開采對(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

改變工作面開采順序與不改變開采順序兩種方案，都開采第一個(gè)工作面到165m時(shí)邊坡破壞情況。改變開采順序后，井下礦初次開采導(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采順序開采要小。

(3)兩種方案分別開采第二個(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)于工作面開采方向與露天邊坡平行側(cè)的邊界，可以通過改變工作面開采順序的方法進(jìn)行優(yōu)化。為了防止由于井下工作面開采而使得邊坡發(fā)生破壞，應(yīng)先開采遠(yuǎn)離邊坡的工作面，后開采靠近邊界的工作面。安家?guī)X2#井下礦在工作面開采過程中，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)合開采礦井工作面開切眼側(cè)的邊界參數(shù)，可以通過合理的井工工作面開切眼位置確定，開切眼位置應(yīng)以工作面開切眼與上部邊坡臺(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，通過分析關(guān)鍵層的變形和受力來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采順序的方法，先開采遠(yuǎn)離邊坡工作面，后開采靠近邊界工作面。

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

[2] 繆協(xié)興,錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現(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. 井工開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的有限元分析[J].中國礦業(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)采下井工開采順序的優(yōu)化分析[J].中國礦業(yè),2007.16(10):63-65.