基于RFPA的露井协采边坡下井工开采方向优化设计

鞠兴军 张周爱 金 磊

(神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021025)



基于RFPA的露井协采边坡下井工开采方向优化设计

鞠兴军 张周爱 金 磊

(神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021025)

为了研究不同井工开采方向对露井协采边坡的影响规律，根据平朔矿区露井协采实例和岩土体力学参数建立数值计算模型，运用RFPA真实破裂过程模拟软件对平面条件下井工开采方向对露井协采边坡变形破坏机理进行了研究。结果表明，相对于向坡开采，背坡开采对露井协采边坡岩体扰动更加明显；井工开采对露井协采边坡的影响呈现出偏态性，开切眼侧边坡岩体受井采扰动更为严重。

露井协采 井采扰动 边坡变形破坏 偏态垮落

露天与井工协调开采(以下简称“露井协采”)在国内一些大型矿区如抚顺西露天矿、平朔矿区等应用多年，实现了优势互补，提高了煤炭资源回收率，带来了巨大的经济效益和社会效益。然而，露井协采方式必然会存在露天开采与井工开采的相互干扰，产生的岩层移动相互交叉，一定程度上加剧了露天矿边坡滑移的风险。因此，关于露井协采条件下边坡失稳机理的研究是一项重要课题。近年来，国内专家、学者以及生产单位对于露井协采边坡的变形破坏机理和时空优化方面进行了大量研究，取得了许多重要研究成果。但是，关于露井协采条件下井采方向对边坡变形破坏影响方面的研究较少，因此开展不同井采方向的边坡变形特征研究对于类似露井协采矿山具有一定借鉴意义。

1 工程概况

平朔矿区为了回收煤炭资源，在露天矿端帮下部建立了井工矿，使矿区开采模式由单一的露天开采转变为露井协采。该矿区煤层为近水平煤层，地层层理为明显的水平及缓波状。井工矿主采煤层为4#煤层和9#煤层，4#煤层平均厚度为10.5 m，9#煤层平均厚度为12.8 m。工作面采用综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板，4#煤层和9#煤层工作面近似南北方向并列布置，井工开采方向朝向边坡邻空面称为向坡开采，背向邻空面开采称为背坡开采，布置方式如图1所示。

图1 露井协采布置方式

2 RFPA计算模型及模拟方案

2.1 RFPA介绍

真实破裂过程分析(简称RFPA)是真实破裂过程分析方法的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论，该方法考虑了材料性质的非均质性和缺陷分布的随机性，并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中，对满足给定强度准则的单元进行破坏处理，从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。具有如下特点：

(1)将材料的非均质性参数引入到计算单元，宏观破坏看作是单元破坏的积累。

(2)认为单元性质是弹—脆性或弹—塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态分布、韦伯分布、均匀分布等。

(3)认为当单元应力达到破坏的准则时将发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非线性介质问题。

(4)认为岩石的损伤量、声发射与破坏单元数成正比。

2.2 模型建立

本文运用RFPA软件对平面条件下井采方向对露井协采边坡稳定的影响规律进行模拟，分析其各自的破坏特征差异性，以确定最佳的井工开采方向。计算选用的岩土力学参数如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

简化建立RFPA数值模型，试验模型沿水平方向取800 m，垂直方向取210 m，基元大小为2 m×2 m，总基元数为42000个。基元的参数如抗压强度、弹性模量等按Weibull函数随机分布，用来模拟岩石材料的非均质性和各向异性。模型边界条件为底部固定，顶部自由，左右两侧水平方向位移约束。在数值计算中，各岩层采用Mohr-Coulomb强度准则。为了简化计算，应用平面应变模型假设。

数值模拟试验实际井工开采中放顶煤一次采全高，开切眼位置位于模型右侧边界294 m处，分步开挖，每步开挖10 m，约等于每天的进尺，开挖30步。考虑到放顶煤开采的回采率，数值试验的井采高度为10 m。为真实模拟井工开采引起的岩层垮落，在不同岩层之间加入弱层进行区分。本次模拟分为两个方案：背坡开采和向坡开采方案。数值模型及位移监测点布置如图2所示。

图2 RFPA数值模拟模型

3 边坡岩体变形破坏规律对比分析

模型中3个位移监测点的位移监测数据统计如表2所示，可以看出在背坡开采条件下，1#和2#监测点(即+1375 m平盘以上)水平位移量和竖直位移量较大；而在向坡开采条件下，仅在1#监测点(即+1405 m平盘)出现较大位移量。说明背坡开采下的岩土体破坏范围更大，破坏程度更加明显。监测数据显示1#和2#监测点的水平位移量均为负值，说明背坡开采和向坡开采均导致+1375 m台阶及其上部岩土体向采空区侧垮落和倾倒。

背坡开采下3#监测点监测数据显示水平位移量为正值，说明+1360 m平盘出现了朝向临空面的滑动。工作面背坡开采时边坡围岩的变形破坏特征如图3所示，分析原因可以得出，在背坡开采时，垮落岩体形成岩梁的铰接结构，产生朝向临空面的推力，由于4#煤层顶板为软弱夹层，因推力作用顶板上部岩层(+1320 m平盘与+1360 m平盘之间的岩土体)产生顺弱层向临空面方向的剪出位移，进而增加沿弱层滑坡的可能性。

表2 监测点位移监测数据

注：水平位移向临空面方向为正，竖直位移向下为正

图3 工作面背坡开采时边坡变形破坏特征

采用与背坡开采相同的地层条件和岩土物理力学参数，工作面推进方向改用向坡推进，对向坡开采下边坡围岩破坏情况进行分析，结果如图4所示。向坡开采时，+1375 m平盘上部岩体受扰动情况与背坡条件类似，但其下部岩体受扰动情况明显减少，4#煤层仅仅在坡面附近产生少量破坏。

由上述边坡岩体破坏特征和位移数据可以看出，在井采采空范围一定的条件下，井采工作面采用向坡开采或背坡开采对边坡岩体的扰动情况呈现出明显的偏态特征，主要表现为向坡开采和背坡开采条件下边坡岩体的变形破坏特征和应力分布特征存在明显差异，即在开切眼和停采线位置相同的情况下，与向坡开采相比，井采工作面背坡开采对上部边坡变形破坏影响范围明显较大，影响程度更加剧烈。

图4 工作面向坡开采时边坡变形破坏特征

4 现场应用分析

令向坡开采下工作面停采线侧的垮落角为α1，开切眼侧的垮落角为β1，背坡开采条件下工作面停采线侧的垮落角为α2，开切眼侧的垮落角为β2，则根据数值模拟和相似材料模拟试验结果表明，无论向坡开采还是背坡开采，工作面停采线侧的垮落角均小于开切眼侧的垮落角，两种开采条件下的停采线侧垮落角近似相等，开切眼侧亦同，即α1<β1，α2<β2，β1≈β2，α1≈α2，如图5(a)所示，在井采工作面开切眼或停采线位置相同的情况下，背坡开采下边坡岩体的受扰动范围明显大于向坡开采，因此，若在边坡岩体受扰动范围一定的条件下，向坡开采可多回收一部分煤柱，令L为向坡开采与背坡开采极限位置差，见图5(b)。

(1)

式中：L——向坡开采与背坡开采极限位置差，m；

H——煤层埋藏深度，m。

图5 井采工作面推进方向对边界参数的影响

以该露井协采矿区为研究对象，开切眼侧垮落角为64°，停采线侧垮落角为55°，煤层埋藏深度为150 m，通过计算得出L约等于31.9 m，所以与背坡开采相比，向坡开采可多回收煤柱长度L约为31.9 m。根据现场实际情况，9#煤层平均厚度为12.8 m，井采工作面长度为280 m，煤容重取1.4 t/m3，井采回采率取80%，则计算得出向坡开采可多采出煤炭约12.8万t，为矿方增加了巨大的经济效益。可见，在露井协采实际生产中，与背坡开采相比，向坡开采下可提高煤炭资源回收率，对于类似露井协采条件下井采工作面推进方向的选择，具有一定的工程实用价值和指导意义。

5 结论

(1)井工开采对露井协采边坡的影响呈现出明显偏态特征，与向坡开采相比，背坡开采对上部边坡变形破坏影响范围更大，影响程度更加剧烈。

(2)与背坡开采相比，向坡开采条件下井采工作面距离边坡临空面的极限距离更小，增加了煤炭资源的回收率，对于类似矿山具有一定的借鉴性和指导性。

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(责任编辑 郭东芝)

Optimization design of underground mining direction on coordinated open-pit with underground mining slope based on RFPA

Ju Xingjun, Zhang Zhouai, Jin Lei

(Shenhua Baorixile Energy Co., Ltd., Hulunbuir, Inner Mongolia 021025, China)

In order to study the influence of different underground mining directions on coordinated open-pit with underground mining slope, numerical calculation model was built according to the practice of coordinated open-pit with underground mining and mechanical parameters of rock and earth mass.By using real fracture process simulation software RFPA, the influence of underground mining direction on mechanism of deformation and failure of the mining slope was studied under flat simulation condition. The results showed that the disturbance to coordinated open-pit with underground mining slope rock produced by underground inverse-slope mining was more obvious than along-slope mining; the influence of underground mining on the slope presented skewness, that means the slope rock mass on the open-off cut side was disturbed more seriously.

coordinated open-pit with underground mining, underground mining disturbance, slope deformation and failure, skewness caving

鞠兴军，张周爱，金磊. 基于RFPA的露井协采边坡下井工开采方向优化设计[J]. 中国煤炭，2017,43(7)：73-76. Ju Xingjun, Zhang Zhouai, Jin Lei. Optimization design of underground mining direction on coordinated open-pit with underground mining slope based on RFPA[J]. China Coal, 2017, 43(7):73-76.

TD824.5

A

鞠兴军 (1976-)，男，山东平度人，硕士学历，高级工程师，主要从事露天开采、工程地质相关工作。