井工开采影响下的露天矿边坡沉陷规律研究

许多露天煤矿通过井工开采回收了边坡下的煤炭资源,但也不同程度地加剧了露天矿边坡的失稳和沉陷问题。其引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的物理、力学变化过程,本文以安家岭露天煤矿及其一号井工矿作为研究背景,首先分析了该矿山采空区的塌陷现状、特点、成因机制以及对露天煤矿生产带来的影响;并应用概率积分法与FLAC数值模拟方法对采空区塌陷进行模拟和预测分析,研究了露井共采作用下边坡变形及破坏机理,揭示了井工采动影响下,露天矿台阶式边坡特有的变形形态、应力分布特征、形成机理与采动沉陷规律。本文研究结论对于同类露井共采的矿山有着重要的借鉴意义。     

基于CDEM露天煤矿顺倾软岩边坡三维稳定性分析

为解决露天煤矿顺倾层状软岩边坡稳定性这一技术难题,基于连续介质离散元数值模拟方法,从理论上探讨了降深与清帮至不同位置对顺倾软岩边坡稳定性的影响。结合白音华一号矿南帮工程实例,针对各煤层降深及清帮方案,基于CDEM数值算法对边坡稳定性进行计算,对比分析了坡体位移、应力分布及演化特征,进而阐明多个弱层对复合边坡产生的叠加效应,以及清帮减载对边坡稳定性的影响。结果表明,白音华一号矿首采区南帮边坡变形不会对南排土场稳定性造成影响,揭露多个弱层对边坡变形与稳定性下降有一定的叠加效应,清帮不能显著提高边坡稳定性,但可减小作用在弱层上的法向应力和剪切应力,进而减缓滑坡发生的过程,提高边坡动态发展过程中的安全性。     

露天矿含斜交断层顺倾层状边坡稳定性三维数值模拟

为揭示露天矿含斜交断层顺倾层状边坡的变形破坏规律及其力学成因机制、明确断层对边坡变形与稳定性的影响,以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程背景,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,对含斜交断层顺倾层状边坡稳定性进行了三维数值模拟。结果表明:元宝山露天矿东帮边坡的滑坡模式为以4#弱层为底界面、以断层面与椭球面相交形成的不规则曲面为侧界面的切层-顺层滑动;边坡整体稳定性较好,其滑坡的力学成因机制类型为推动式;多个顺倾弱层对边坡变形具有叠加效应,而斜交断层的切割会一定程度上削弱弱层对边坡变形的控制作用。     

露井联采逆倾边坡稳定性数值模拟

为最大限度回收资源,倾斜矿体开发时常采用露天与井工联合开采方式,形成露井联采逆倾边坡,由于受到双重采动效应影响,其变形破坏机理及稳定性问题变得极为复杂,是采矿工程领域研究的难题之一。以平庄西露天矿顶帮边坡为研究对象,同时考虑拉伸和剪切两种破坏判据,应用RFPA强度折减法对露井联采逆倾边坡岩移规律及稳定性进行了数值模拟。通过对比分析单一露天开采和露井联采条件下边坡岩体变形破坏规律、位移演化规律及应力分布特征的差异,揭示了地下开采对露天矿逆倾边坡岩移规律及稳定性的影响和原因。结果表明:单一露天开采时边坡发生滑移型破坏,而露井联采条件下边坡发生滑移-塌陷复合型破坏;受两种采动效应叠加的影响,地下采空区上方岩体以下沉为主,同时上山一侧岩体向露天采空区方向发生明显位移;受地下采动影响时,逆倾边坡稳定性下降,其根本原因是坡体内剪应力的大范围叠加升高,造成上部一定范围的岩体在边坡发生滑移前就遭到破坏,从而加剧了滑坡的发展。     

露天转地下开采对复合边坡稳定性影响的评价

露天矿深部资源开采因受到剥采比等因素的制约需要转为井工矿开采;从采掘空间位置分布关系来看,边坡体位于地下采动影响域内,由此造成了两种采动效应的相互作用,并构成复合叠加效应,使得边坡稳定性受到严重影响,一旦产生滑坡将严重影响周边环境的安全或诱发次生灾害。以某矿的开采工程实践为背景,针对地下开采作用下山体与露天边坡的稳定性进行了研究,系统分析了露天坡和山峰外侧边坡的稳定性,并对滑坡可能产生的后果及其次生灾害进行了分析,从而为矿山安全生产和防控提供了决策依据     

基于有限元强度折减法的露天磷矿高边坡稳定性分析

针对尖山磷矿开采实际情况,利用ANSYS有限元分析软件建立了考虑重力载荷作用的高边坡体稳定性分析数值模型,运用强度折减法折减边坡岩体的黏聚力和内摩擦角,根据计算结果分析尖山磷矿东采区高边坡在重力作用下的稳定情况。结果表明:当折减系数由1.33增加到1.34时,高边坡体的位移、塑性应变发生突变,通过边坡失稳的主要判据判定目前尖山磷矿东采区高边坡的安全系数为1.33,边坡稳定。     

水下开采覆岩破坏及导水特征研究

采用离散元程序对天祝煤矿多工作面水下开采后覆岩应力变化、地层移动破坏、导水裂隙带发育和演化随开采过程的规律进行研究,揭示了不同时期地表水系与地下开采间的相互影响。指出3229工作面开采时金沙河水沿裂隙道水带汇集与采区上方围岩,虽不会直接威胁采区生产安全,但随着采掘区向金沙河底靠近,潜在突水危险逐渐加剧,特别是对33201工作面的开采构成直接威胁,必须提前对金沙河水采取必要防渗措施以防止突水事故的发生。     

露天矿土-岩复合边坡形态优化设计

合理设计采场及排土场边坡角是优化露天开采境界、保证露天矿安全生产、提高露天矿经济效益的重要前提。针对土-岩复合边坡这一类复杂特殊的边坡,以宝日希勒露天煤矿二采区西帮边坡为工程背景,应用刚体极限平衡软件定量分析了二采区西帮采场边坡及内排土场边坡的潜在滑坡模式;优化设计了二采区西帮1-2煤底板以上内排边坡形态及1-2煤至3煤之间采场边坡形态;确定了二采区西帮采场与排土场之间的安全距离。采用有限差分数值模拟软件FLAC~(3D),基于强度折减理论,对土-岩复合边坡稳定性进行了数值模拟,揭示了二采区西帮土-岩复合边坡的变形破坏机理及其稳定性。结果表明:宝日希勒露天煤矿二采区西帮土-岩复合边坡滑移模式及稳定性主要受采场与排土场之间的安全距离和3煤顶底板弱层控制;边坡形态优化后1-2煤底板以上内排边坡角为12°,1-2煤至3煤之间采场边坡角为22°,采场与排土场之间的安全距离为120 m,土-岩复合边坡整体边坡角为13°。     

采动底板力学特征及其对回采巷道稳定性影响

应用理论分析、计算机模拟和现场实测,分析了采动底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响规律。研究表明:煤壁前方应力增高区附近底板压应力分布呈现"球根"状,随着埋深的增加,垂直应力先增加后减小,剪应力浅部采场边界高度集中,是引起层状底板剪切滑移的根本原因。张集矿1113(1)工作面回采过程,活化了已回采稳定的两工作面层间似连续-非连续-散体结构,导致非连续结构的剪切滑移失稳,和散体冲破相互咬合摩擦力的移动,引起了1113(1)工作面轨道巷广距离失稳。相邻采区开采顺序由上下煤层间隔同采调整为上下煤层顺序开采后,巷道表面位移显著降低,技术经济效益显著。研究成果可为煤层群开采采区设计、底板巷道稳定性控制提供理论基础。     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。     

露天转地下开采诱发环境破坏的动态预测

在矿产资源开发过程中,露天开采转为地下开采后,露天边坡受地下采动影响,由于两种采动影响部分重叠,造成两种采动效应相互作用,构成复合叠加效应,使得上覆岩体变形机制更加复杂、变形波及范围广。以北京某矿的开采工程实际为背景,研究了复杂的环境工程地质条件下露天转地下开采过程中地表变形的动态演变规律、滑移机制和破坏区的界定等内容,并得出了其开采过程中的动态破坏范围及其移动参数的演变特点,从而为矿山安全生产和安全防控提供了决策依据。     

变滑面顺层滑坡相似模拟试验装置研制与应用

为了揭示地下采矿诱发顺层岩质斜坡的变形失稳机制,自主研制变滑面顺层滑坡相似模拟试验装置,该试验装置用可变滑面间接模拟地下开采对斜坡的影响,可节省配制和装填基岩、矿层等滑动面以下岩层的相似材料用量,缩短模型堆建时间,减少工作量,能模拟不同滑动面形态、变形速度、挠曲程度、抗剪强度等条件下顺层斜坡的变形失稳。利用该试验装置,研究重复逆坡开采影响下顺层岩质斜坡的变形破裂响应特征,试验结果与现场实际斜坡的变形破坏滑坡过程相符,表明试验装置具有较好的可靠性。     

地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究

为揭示地下采空诱发顺层岩质斜坡变形失稳的机制,采用底摩擦模型模拟试验方法,以重庆市鸡尾山地质条件为试验对象,研究不同开采顺序(顺坡开采、逆坡开采)、煤柱留设(上下边界矿柱、区段或水平矿柱)情况下,地下采空区不同空间分布诱发其上覆岩层的变形破裂响应特征。结果表明:1)地下采空区分布不同,其上覆岩层变形破裂响应特征也不同;2)软弱夹层是顺层斜坡的潜在滑动面,同一矿山地质条件、不同采空区影响下的软弱夹层可分为凹形、凸形、S形、反S形4种类型;3)地下采矿形成采空区后,岩体破坏规模及程度主要受地质环境和开采方式的控制,地下采空影响下类似含软弱夹层缓倾斜顺层斜坡的变形机制为弯曲-断裂、滑移-拉裂。     

平庄西露天矿露井联采高陡长大 边坡稳定性监测研究

为掌握平庄西露天矿露井联采顶帮边坡的岩移规律与稳定性状态,揭示地下开采对边坡稳定性的影响,基于对典型滑坡位移-时间特征的 认识,提出用位移历时曲线与位移加速度历时曲线形态判断边坡稳定性状态,并详细对比分析了布置在井工开采边界以及边坡走向与倾向方向 上各监测线的地表位移监测数据。结果表明,平庄西露天矿顶帮现状边坡整体处于稳定状态,II区凸边坡为相对不稳定区域;边坡岩移规律及 稳定性主要受断层、弱层、边坡平面形态、地下开采及其引起的断层活化等因素综合控制;地下开采对边坡稳定性影响范围的边界大约在边坡 表面出露标高+572m。     

露天矿山转地下开采隔离层安全厚度及采动稳定性研究*

为了合理确定隔离层厚度和保障矿山安全生产,以某铜矿露天转地下联合开采为工程背景,采用理论计算和FLAC3D数值模拟相结合的方法,探讨地下矿体回采过程对隔离层位移场、应力场的影响。研究结果表明:隔离层安全厚度的理论值为11.43～31.18 m,现有厚度为57 m,满足规范要求;地下矿体-100 m及-150 m中段回采引起的隔离层沉降主要发生在第一分层,最大值为21.7 mm;最大主应力表现为竖向压应力,其变化范围为7~10 MPa,最小主应力只出现在第一分层,为拉应力,其值最大为0.18 MPa,远小于岩体抗压、抗拉强度,隔离层整体上未发生破坏性的变形。研究结果可为类似条件矿山露天转地下联合开采预留隔离层设计及稳定性分析提供参考。     

基于弹性理论的软弱顺层岩质边坡受采动影响研究

在有软弱顺层边坡地形中进行采矿通常会引起边坡稳定性变化,因而研究此类边坡在受采动沉陷的影响在地质问题中是尤为重要的。首先利用关键层理论概念分析得到,在含有软弱结构层的岩质斜坡受到采动或开挖影响时,软弱结构层将和关键层同步变形而与上部岩质斜坡产生离层,形成悬臂结构。再根据弹性力学理论计算出岩质斜坡的极限悬臂长度以及断裂长度。最后利用实际矿山地质进行稳定性判断。结果表明,随着工作面的不断推进,采动影响下的离层距离变大,岩质坡体最大拉应力将沿着坡表面向前移动并且逐渐增高,最大拉应力点与发生离层点的距离X_(max)却急速减小,当离层距离达到l_(max)时,最大拉应力达将到坡体抗拉强度,岩质坡体断裂,此时岩体断裂长度达到l_(max)+X_(max);通过实际矿山工程算例得到,当坡顶上离层距离达到6.88 m时,若下方采空区继续推进增加,则上方坡体将产生断裂形成滑坡。     

Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure

Strata pressures are common potential troubles during coal mining, serious ones can cause great catastrophe. This paper presents a new comprehensive electromagnetic radiation (EMR) monitoring technique to monitor and predict these disasters. In this paper, we studied the relationship of EMR emitted by various, uniaxially loaded, coal rock samples (coal, rock, roof-coal-floor composite) in their whole deformation and failure processes to the applied loads, and found that EMR signal is linearly related to the applied loads, while the number of EMR pulses is a third power function of the applied loads. Therefore, EMR signal is capable of reflecting the stress (load) state, deformation and fracture strength, and internal stress state of coal rock mass. Based on the above, we proposed three methods for measuring rock pressure distribution, periodic pressure, and internal stress distribution of coal rock mass on working faces, and conducted field measurements and verifications. The results showed that (i) EMR has a certain correspondence to support resistance of working faces, and can reflect more accurately the face pressure distribution; (ii) in the mining impacted area located within 100 m in the front of working face, the stress distribution has unimodal and bimodal forms; (iii) EMR signal changes periodically with periodic pressure, and can be used to qualitatively observe and evaluate periodic pressure; (iv) tested with antenna in the borehole into coal rock mass, EMR signal can effectively reflect the internal stress distribution and shifting, which was verified by using traditional drilling cuttings method. In addition, EMR can also be used to check the effect of destress blasting as one of the emergency measures. In conclusion, the results are of practical significance for using EMR to monitor rock pressure and guiding safe underground mining.