露天煤矿三维边坡开挖变形控制对策及工程应用.pdf

河北科技师范学院学报 第22卷第3期，2008年9月 JournalofHebeiNormalUniversityofScience＆TechnologyV01．22N0．3September2008 露天煤矿三维边坡开挖变形控制对策及工程应用 孟凡杰 ，李 勇 (1河北省地勘局 秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛，066000；2河北科技师范学院土木建筑系) 摘要：以安太堡露天矿西端帮 73200地质剖面为工程背景，构建三维长直边坡地质模型和数值模型，应用 FLAC如对边坡工程在分步开挖过程中表现出来的三维变形效应进行了研究，发现随着边坡开挖长度的不同， 边坡向临空侧的最大位移呈现出显著的非线性变形响应特征，即在非线性变形曲线中出现一个重要特征点 和由该点可以界定的两个差异明显的变形阶段。基于上述研究和对西端帮进行时空步序控制开采技术的优 化分析，采用缩短采煤长度 ，分段开挖，跟进回填 ，反压护坡，监测反馈，再进行回采的开采模式，不仅缩短了西 端帮的暴露时间，而且充分利用边坡开挖的三维变形效应和边坡岩体强度不断衰减的时间效应，达到了改善 边坡受力状态、控制边坡变形、提高开挖边坡稳定程度的效果。 关键词 ：露天煤矿；边坡工程，数值模拟；三维变形效应 ；工程对策 中图分类号：TD824．7 t 文献标志码 ：A 文章编号：1672—7983(2oo8)03-0068-05 随着我国经济建设的快速发展，能源消费迅速增长。与井工采煤相比，露天煤矿具有投资省、成本 低、浪费少、效率高等优点，因而近年来露天采矿的规模和速度得到了迅速的扩张和发展 “。伴随而 来的是采场滑坡及地表塌陷等地质灾害事故频繁发生，不仅扰乱了矿山正常的生产秩序，致使国家的经 济财产蒙受了巨大损失，而且对作业人员的生命安全也构成了严重的威胁 。因此，露天煤矿采场的 边坡设计优化问题和采掘边坡的稳定安全问题越发引起了人们的关注和重视。安太堡露天煤矿是改革 开放后我国第一批重点建设的中美合作项 目。美国Chen＆Associates公司是国际上具有国际先进技术 水平的设计公司，直接参与了安太堡露天矿的边坡设计。随着工程实践的发展发现，如按美国陈氏公司 边坡设计施工，安太堡西端帮(到界边坡角为3O。)压煤近300万吨，不仅造成过多的表土剥离和大量的 边坡压煤，使生产成本大幅增加，而且造成大量煤炭资源的浪费。因此 ，在分步开挖过程中，对露天矿边 坡工程的非线性变形响应特征进行研究，确定合理的边坡角，保障露天边坡的稳定，是安太堡露天矿安 全生产的前提条件。 1 工程概况 安太堡露天煤矿位于山西省北部、大同市西南约145km处，交通便利。2O世纪80年代初，随着我 国对外开放经济政策的实施，中国煤炭开发总公司与美国西方石油公司签署了合作开发安太堡露天煤 矿的协议。安太堡煤矿成为了我国煤炭企业最早引进外资、引进先进技术、引进先进设备与先进管理模 式建立起来的，以高技术、高效率、高效益为特点的年产 1500万t的特大型现代化露天煤矿。 安太堡矿区为典型的黄土丘陵地貌，海拔高度为 1190～1470m。矿区地层可以分为3个表土层 和5个沉积岩组，主要可采煤层4煤、9煤和11煤皆分布于太原组中。 太原组上覆岩层的石盒子组和山西组地层基本缺失，太原组的下伏地层有本溪组和朔县组，如图1 综合地层柱状图所示l8J。 安太堡露天矿位于二铺背斜区域，矿区发育有褶皱、断层、节理以及环形陷落构造等。 2 露天边坡开挖三维变形效应研究 2．1 计算模型 以安太堡露天矿 73200地质剖面为工程背景(图2)，研究在一定坡高和边坡角下、在分步开挖过程 收稿 日期：2008-05-09；修改稿收到 日期 ：2008-08—12 3期 孟凡杰等 露天煤矿三维边坡开挖变形控制对策及工程应用 69 中，随边坡长度的变化而显现出来的三维变形效应，构建如下的三维计算模型。计算范围长 ×宽 ×高= 554mx500m×300rfl，共划分52250个单元，57120个节点 (图3)。模型四个侧面限制水平移动，底面 固定。材料强度计算采用莫尔一库仑屈服准则。根据现场取样和岩石力学试验结果，并考虑到岩石的尺 度效应，计算采用的岩