露天-井下联合开采矿井边界参数确定及优化

侯跃华，朱建明，吴剑平

(北京航空航天大学土木工程系，北京 100191)

露井联采技术能够充分发挥露天和井工开采优势，提高资源采出率，同时将对环境的破坏减少到最低，实现资源与环境协调开采，是实现浅埋资源绿色开采的方向。[1,2]由于联采过程中会造成露天与井工的相互干扰和影响,[3-8]如何有效地发挥各自优势，同时将相互影响降到最低，实现露天和井工两个开采方法之间协调开采，是露井联采研究的主要课题。

露天与井工开采的相互影响主要表现在两种开采模式交界处两种开采方式的相互影响以及由此带来的露天矿边坡及边坡下井工矿大巷稳定问题。因此，合理的确定露井联采矿井边界参数成为解决露井联采问题的关键。

1 工作面推进方向开切眼侧边界参数的确定

(1)工作面推进方向开切眼侧边界特点

当露天边坡与井工工作面推进方向垂直或斜交时，在工作面开切眼与边坡交界侧的主要问题是，如何保证上部露天边坡的稳定。由于露天边帮的位置确定后较难变更，因此合理的工作面开切眼位置，成为保证联采矿井安全生产的关键。

平朔矿区安太堡露天矿南帮与安家岭2#井工矿北部相接，安家岭2#号井工矿工作面从南往北推进，推进方向与安太堡露天矿南帮边坡基本呈90°相交，联合开采导致露天边坡严重破坏。为了确定合理的工作面开切眼位置，采用数值模拟以及塑性极限分析的方法，对安家岭2#井工矿工作面开切眼处不同上覆岩土体厚度时边坡的破坏情况进行了分析。

(2)开切眼处不同上覆岩土体厚度边坡破坏的相似模拟分析

采用数值分析软件FLAC2D模拟开切眼上覆岩土体变化前后的边坡整体破坏情况。当上覆岩土体高度为86m时(初始方案)，工作面开采的破坏区域与边坡的破坏区域发生沟通。开切眼上覆岩土体从86m增加到105m(改进方案)后，其上部边坡平台的破坏情况有了明显的改善，工作面的破坏区域未与边坡的破坏区域沟通。说明增加上覆岩土体厚度对于稳定边坡上部处于井工塌陷范围内的平台起到了很好的作用。物理相似模拟研究试验也表明开切眼位置是上部边坡稳定的关键。[9]

(3)开切眼处不同上覆岩土体厚度边坡破坏塑性极限分析

表1为采用塑性极限理论的上限法对开采塌陷区周围边坡的岩体稳定性分析结果。开切眼上覆岩土体从86m增加到105m后，边坡的滑动和沉陷情况都比较好，改进后的边坡滑动稳定系数都大于5，塌陷区岩体的沉陷稳定系数大于10，边坡稳定性都有不同程度的提高。

表1 边坡稳定分析

上述分析可看出，露天-井下联合开采矿井开切眼侧的边界参数，可通过合理的井工工作面开切眼位置确定。为了防止由于采空区垮落破坏而发生滑坡，应保证开切眼上覆岩土体的安全高度，即边界参数应以井工开采工作面与边坡台阶的垂直安全距离为确定依据。在安太堡露天矿和安家岭2#井工矿的联合开采中，通过此方法确定了应保证井工矿开切眼位置上覆岩土体的厚度在105m以上，使露天矿边坡得到了很好的保护。

2 工作面推进方向停采线侧边界参数的确定

(1)工作面推进方向停采线侧边界特点

露天边坡与工作面推进方向垂直时，井工工作面停采线一侧的主要问题是，如何保证井工大巷及其上部边坡的稳定。大巷是井工开采的命脉，大巷发生失稳将迫使井工矿停产，因此维护井工矿大巷的稳定显得尤为重要,而合适的停采线位置是确保大巷稳定的关键。[10]露井联采下工作面停采线位置可以采用关键层理论计算确定。

关键层理论认为，采场上覆岩层中存在着厚度大、强度高、对采场矿压显现及上覆岩层的变形和破坏起主要控制作用的坚硬岩层，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。[11]露井联采下的关键层模型，将关键层看作弹性地基上的梁，利用组合梁原理计算关键层梁的上部荷载，通过对关键层梁应力和变形的计算，确定合理的停采线位置。

安家岭2#井下矿南部与安家岭露天矿北帮相接，井下工作面从南向北推进，工作面推进方向与安家岭北帮斜交。2#井工作面的开采以及上部露天矿开采导致边坡下大巷发生严重破坏。

(2)关键层理论分析联采工作面停采线位置

为了确定合理的工作面停采线位置，利用关键层理论及数值模拟，对工作面合理的停采线位置进行了分析。

图1为利用关键层理论分析2#井工矿工作面推进到不同长度时关键层的应力分布图。当工作面推进到距辅运大巷78m时，距离辅运大巷上部右侧6m处的关键层梁将会断裂，断裂后的关键层岩块回转下沉，造成对下部岩层和煤柱的侧向挤压，使煤柱产生水平方向的变形。

图1 推进过程中梁截面应力分布

当工作面推进到距辅运大巷78m后，左侧20m处支承压力及支承压力与原岩应力的比值(应力集中系数)明显增加，且增加速率在此处明显变大。由于辅运大巷左侧煤柱的垂直应力是关键层梁的支撑压力与煤柱上部岩层自重的叠加，因此相应的煤柱应力也会呈现出相同的趋势。

(3)工作面停采线位置的数值模拟分析

采用数值分析软件FLAC3D模拟工作面开采，得到工作面停采线与辅运大巷之间煤柱最大主应力分布。煤柱最大主应力峰值在坐标Y=880处，即距辅运大巷81.7m处煤柱起了主要支撑作用。FLAC2D模拟工作面开采得到4煤辅运大巷塑性区范围曲线，当4煤停采线位置与辅运大巷距离80m左右时，巷道塑性区的范围急剧增加，表现出失稳特征。数值模拟结果与利用关键层模型计算所得结果基本一致。

通过上述分析可看出，工作面停采线一侧边界参数的确定，需确定合理的井工工作面停采线位置。停采线位置可采用露井联采下关键层的分析方法，通过分析关键层的变形和受力来确定，以保证井工大巷的稳定。安家岭露天矿和安家岭2#井下矿的联合开采中，使用上述方法确定了停采线位置距离辅运大巷78m，使井下矿大巷得到了很好保护，同时露天矿边坡并未出现明显破坏。

3 工作面开采方向边界参数的确定

(1)工作面开采方向上边界特点

对于露天边坡与工作面推进方向平行的露井联采矿井边界问题，合理安排初始工作面位置，是保证边坡稳定切实有效的方法。这种情况下，可以采用先开采远离边坡的工作面，后开采接近边坡工作面的“跳采”模式。[12]

安家岭2#井工矿西北部与安太堡露天矿东南帮边坡交接(图2)。井下矿开采导致上部安太堡露天矿边坡发生坍塌滑坡现象。利用数值分析软件FLAC3D对这种特殊露井边界条件下，采用改变工作面开采顺序与不改变工作面开采顺序两种方案，对井下开采对露天边坡的影响进行了分析。

图2 2#井工矿与安太堡露天矿东南帮位置关系

(2)两种方案分别开采第一个工作面到165m时，上部边坡塑性区分布

改变工作面开采顺序与不改变开采顺序两种方案，都开采第一个工作面到165m时边坡破坏情况。改变开采顺序后，井下矿初次开采导致的边坡破坏范围明显变小，边坡下部平台的稳定性较改变前有了明显改变，井下对露天边坡的影响相比正常开采顺序开采要小。

(3)两种方案分别开采第二个工作面到175m时，上部边坡塑性区分布

两种开采方案中，井下矿第二个工作面都推进到175m时边坡破坏情况。改变开采顺序后，虽然第二个工作面靠近露天矿边坡，但边坡下部平台的稳定性仍然比不改变开采顺序要好，同时边坡的破坏范围相对不改变顺序时要小，破坏区域也并未连通。

可以看出，对于工作面开采方向与露天边坡平行侧的边界，可以通过改变工作面开采顺序的方法进行优化。为了防止由于井下工作面开采而使得边坡发生破坏，应先开采远离边坡的工作面，后开采靠近边界的工作面。安家岭2#井下矿在工作面开采过程中，采用上述“跳采”模式，使露天边坡得到了很好的保护。

4 结论

露井联采矿井边界参数的合理确定，既可以充分发挥露天、井工两者优势，又能减少露天与井工开采的相互干扰，在保证安全的前提下采出尽可能多的资源。但对于不同的边界特征需要采取不同的边界参数优化措施：

(1)露天-井工联合开采矿井工作面开切眼侧的边界参数，可以通过合理的井工工作面开切眼位置确定，开切眼位置应以工作面开切眼与上部边坡台阶的垂直安全距离为确定依据。

(2)工作面停采线侧的边界参数优化，需要确定合理的井工工作面停采线位置。停采线位置可以采用露井联采下关键层的分析方法，通过分析关键层的变形和受力来确定工作面停采线位置，保证大巷围岩稳定。

(3)对于工作面开采方向与露天边坡平行侧的边界条件，可以采用改变工作面开采顺序的方法，先开采远离边坡工作面，后开采靠近边界工作面。

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