（采矿工程专业论文）露天地下联合开采采动损害规律研究.pdf

摘要 在露天与地下复合开采的矿山中，伴随着采矿的进行，会引起一系列的采 动损害问题，包括露天矿边坡失稳和矿区地表沉陷等。两种采动影响在边坡岩 体内的相互叠加机制和相互扰动机理异常复杂，水平和垂直方向上的重复采动 会使情况变的更糟。如果没有一个有关该问题的科学合理的评价来为具体生产 作业做指导，整个生产系统会受到严重的干扰作用。那么提出一种实用性强并 且能够对这种复合影响进行定量或者定性评价的方法就显的尤为必要，针对这 一问题，本文重点研究了以下几个问题： ( 1 ) 矿区地质概况与露天地下联合开采灾害现状研究。 ( 2 ) 结合平朔矿区现场声波测试评价岩体质量。 ( 3 ) 边坡下采煤对露天矿边坡稳定性影响规律研究。 ( 4 ) 平朔矿区采煤引起的地表沉陷规律研究。 ( 5 ) 重复采动引起的沉陷规律研究。 论文在总结原有露天地下联合开采方面研究成果的基础上，结合平朔矿区 露井联合开采现状，通过现场勘探、理论分析和数值模拟等手段系统研究了平 朔矿区地质概况、采动损害现状、岩体力学性质评价、地下采动引起的边坡稳 定性发展规律、重复采动沉陷规律等问题，并取得如下成果： ( 1 ) 分析了矿区地质概况、矿区地质构造与水文地质状况、平朔矿区采动损害现 状，对采煤引起的损害进行归类研究，提出了对边坡不同位置分别研究其稳 定性，最终确定整体稳定性。 ( 2 ) 运用声波测试手段评价岩体完整性，并且总结分析多家科研院所针对该区域 所做的岩石力学试验成果。 ( 3 ) 总结分析采区覆岩变形破坏机理研究与地表沉陷预计方法，选用典型曲线法 对地表沉降进行预计，对比分析平缓地表和边坡地表沉降曲线的差异性。 ( 4 ) 结合平朔矿区采煤现状，应用数值模拟理论，提出了露天地下联合采区数值 模拟计算模型与计算规则。 ( 5 ) 理论分析结合数值计算，研究出了边坡下采矿对边坡稳定性影响的基本规 律。 ( 6 ) 系统研究了平朔矿区垂向、横向重复采动引起的上覆岩层受力变形规律。 研究表明：地下采区位于边坡下部不同位置时，边坡整体稳定性是不同的； 边坡地表和平缓地表沉降曲线具有很大的差异性；地下采区重复采动会加剧地 表塌陷。 关键词：联合开采；边坡稳定性；重复采动；数值模拟 a b s t r a c t s o m em i n e su s et h eo p e np i ta n du n d e r g r o u n dm i n i n g ，a l o n gw i t l lt h ep r o d u c e p r o c e s s ，i tc a l lb r i n gal a r g eo fd a m a g e ，i n c l u d i n gt h ei n s t a b i l i t yo fs l o p ea n ds u b s i d e n c e o fc o a l f i e l de t c t h es u p e r i m p o s i t i o nm e c h a n i s ma n dm u t u a li n t e r f e r e n c em e c h a n i s mo f t w om i n i n ga c t i v i t i e si n t h es l o p er o c km a s sa r ev e r yc o m p l i c a t e du n d e rt h ei n f l u e n c e s o fs i m u l t a n e o u s o p e n p i t a n du n d e r g r o u n dm i n i n g w h e nr e p e a t e dc o a l - m i n i n gi n v e r t i c a la n dh o r i z o n t a l ，t h es i t u a t i o nb e c o m em u c hw o r s e i ft h e r ei sl a c ko fas c i e n c e a n dr e a s o n a b l ea s s e s st ot h i sp r o b l e m ，t h ew h o l ep r o d u c ts y s t e mw i l lb ea f f e c t e d s e r i o u s l y s oi ti so fv i t a ls i g n i f i c a n c et of i n dap r a c t i c a lm e t h o dt oq u a n t i t a t i v e l y e v a l u a t et h i sc o m p o s i t ea f f e c t i o n a i ma tt h i sm a t t e r , t h ea r t i c l es t u d i e df o l l o w i n g a s p e c t so fq u e s t i o n sw i t he m p h a s i s ： ( 1 ) s t u d yo nt h eg e o l o g yc i r c u m s t a n c e sa n dt h ek i n d so fh a z a r d sc a u s e db yc o a l m i n i n g ( 2 ) u s e dt h es o n i cw a v et e s tm e t h o dt oa s s e s st h ei n t e g r i t yo ft h er o c kb o d y ( 3 ) s t u d yt h eb a s i cl a w so ff a i l u r ew h e nm i n i n gu n d e rs l o p e ( 4 ) s t u d yo nt h el a w so fs u r f a c es u b s i d e n c e ( 5 ) l a w so fs u b s i d e n c ew h e nr e p e a t e dc o a l - m i n i n g t h ep a p e rs u m m a r i z e df o r m e ra c h i e v e m e n t so nt h es t u d yo ft h eo p e n - p i tw i t h u n d e r - g r o u n dm i n i n gs u b s i d e n c e t h r o u g ht h ee x p l o r a t i o no ft h es c e n e 、t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lm e t h o dt oc o n s i d e r e dt h em i n i n gr e a l i t yi np i n gs h u oc o a l f i e l d 、 s t u d i e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fd i g g i n g s 、m i n i n gd a m a g er e a l i t y 、e v a l u a t i n gm e c h a n i c s p r o p e r t y o fr o c ke n g i n e e r i n g 、d e v e l o p i n gl a w so ft h es l o p es t a b i l i t yd u e t ot h eu n d e r g r o u n dm i n i n g 、l a w so fr e p e a t e dc o a l - m i n i n go nt h eg r o u n ds u b s i d e n c ea tt h es a m e t i m e i to b t a i n e ds e v e r a la c h i e v e m e n t s 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h ek i n d so fh a z a r d sc a u s e db yc o a lm i n i n g , i n t r o d u c i n gt h eg e o l o g y c i r c u m s t a n c e s ，g e o l o g yt e c t o n i ca n dh y d r o l o g yc o n d i t i o no ft h em i n i n ga r e a s ， s t u d y i n gt h eh a z a r d sc a u s e db yc o a lm i n i n gb yc l a s s i f y i n g g i v i n gt h es u g g e s ts o fa n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo fs l o p eb yd i f f e r e n tz o n e s ，f i n a l l ym a k ec e r t a i nt h e w h o l es t a b i l i t y ( 2 ) u s e dt h es o n i cw a v et e s tm e t h o d t oa s s e s st h ei n t e g r i t yo ft h er o c kb o d y a l s os u m u pt h er e s e a r c hr e s u l t so nr o c km e c h a n i c a le x p e r i m e n tb ys o m ec o l l e g ea n d r e s e a r c hi n s t i t u t e ( 3 ) s u mu pt h ed e f o r m a t i o na n dm e c h a n i c st h e o r yo fo v e l b u r d e nr o c k ；a l s oi n t r o d u c et h e s u b s i d e n c ef o r e c a s tm e t h o d ，u s i n gt y p ec u r v em e t h o dt of o r e c a s tt h es u r f a c e s u b s i d e n c e ，t oe v a l u a t et h ed i f f e r e n ts u b s i d e n c ec u r v eo fs l o p ea n df l a ts u r f a c e ( 4 ) o nc o n s i d e ro fp r e s e n ts u b s i d e n c es i t u a t i o nc a u s e db yc o a lm i n i n g ，u t i l i z i n g n u m e r i c a li m i t a t i o nm e t h o d ，g i v i n gt h em o d e la n dr e g u l a t i o no ft h ei r m t a t i o n c a l c u l a t i o n ( 5 ) a n a l y s i st ot h et h e o r yc o m b i n e dw i n ln u m e r i c a li m i t a t i o nm e t h o d ，s t u d i e dt h e b a s i cl a w so ff a i l u r ew h e nm i n i n gu n d e rs l o p e ( 6 ) s t u d i e dt h eb a s i cl a w so fd e f o r m a t i o na n dm e c h a n i c sw h e nr e p e a t e dc o a l - m i n i n g i nv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e d ：t h es l o p es t a b i l i t yi sd i f f e r e n tw h e nu n d e r g r o u n dm i n i n gz o n e s s i t u a t e dv a r i e sl o c a t i o n ；i ti sd i f f e r e n tf o rs u b s i d e n c ec u r v eo fs l o p ea n df i a ts u r f a c e ； r e p e a t e dc o a l - m i n i n gc o u l dp r i c ku pt h es u r f a c es u b s i d e n c e k e y w o r d s - c o m b i n i n go p e n - p i tm i n i n gw i t l lu n d e r g r o u n dm i n i n g ；s l o p es t a b i l i t y ； r e p e a t e dc o a l - m i n i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生躲傻殳翩签引、剃盘日期翊训9 武汉理工大学硕士学位论文 1 绪论 在世界范围的工业化与现代化进程中，适于露天开采的矿山已逐年减少， 露天矿转入地下开采，进一步转入深部开采，已成为采矿业发展的趋势之一。 在1 9 7 0 年1 9 9 0 年间，西方国家的矿山总数从1 0 2 0 座增加到1 2 0 0 座，增加了 1 7 6 而露天转地下的矿山从4 8 座增加到9 8 座，增长了1 0 4 ，有色金属矿山 更是增长了1 3 1 7 。我国的一些重点煤矿随着浅部资源的减少，也在逐渐转入 地下开采，如抚顺矿务局胜利矿和山西平朔矿区。 各个国家对露天转地下开采需求的迫切程度是不同的。拥有大量优良矿产 资源的国家如美国、加拿大、澳大利亚、巴西、南非等，露天转地下开采的矿 山只占3 5 ；而资源有限的国家如法国、芬兰、希腊、土耳其等，则达3 3 5 0 。露天开采时期的大规模开挖，在露天坑周围岩体己形成较大的应力扰动， 以压应力释放为主，局部地段产生应力集中；在此基础上进行地下开采，将形成 更为复杂的次生应力场，引起围岩的进一步变形和破坏，甚至出现象白银有色 金属公司露天转地下时的边坡滑落失稳、斜坡道变形、井下巷道破坏等地压灾 害。对于一些储量丰富的大型煤矿，如何能尽可能多地回收有限的煤炭资源是 关系到国家的资源战略储备问题，对于一些边坡下压煤的矿山，边坡下多布置 一个采煤工作面便可回收数万吨煤炭资源。但工作面布置的与露天矿边坡越近， 对露天边坡所造成的安全隐患越大，这是一个相互制约的矛盾。同时，大规模 的重复采动也会加剧露井联合开采所带来的一系列边坡失稳和地表破坏。因此， 对于一些正在或者将要进入露井联合开采的矿山而言，研究露井联合开采所带 来的一系列采动损害规律显得尤为必要，在保证安全的前提下，尽量多的回收 资源将会带来巨大的经济效益和社会效益。 1 1 国内外地表沉陷研究现状 从地下开采到地表沉陷是覆岩中应力场、位移场复杂变化的过程。在这个 过程中，开采空间是导因，覆岩破坏是过程，地表沉陷则为最终结果。采动引 起的覆岩破坏及地表沉陷规律一直受到研究者们的高度重视。其研究成果大致 可概括为如下几个方面m 1 ：人们对于任何事物运动规律的研究往往是始于对其表 象( 现象) 的研究，然后透过现象去研究本质。对矿区采动覆岩破坏规律的研究 武汉理工大学硕士学位论文 也是如此，始于对地表沉陷规律的研究。地下煤炭采出以后，经过覆岩的变形、 下沉、破坏、垮落等一系列力学变化过程，最终导致地表形成低凹的塌陷盆地。 为研究地表的塌陷规律与形态，人们在塌陷区内设置大量用以观测的标记一“测 点”。随着回采工作的推进，定期对测点的高程及水平位移进行观测，获得大量 的观测资料。然后，利用最小二乘法等数学手段对其进行回归分析，从而获得 能描述地表下沉形态的数学表达形式。如典型曲线法、剖面函数法中所反映的 地表下沉形态等。随着科学研究的深入，研究者们发现，地表塌陷盆地的形态 与某种数学函数形态( 如概率分布函数等) 非常相似，故而提出了随机介质理论。 以波兰学者克诺特、李特维尼申和我国学者刘宝琛为最具代表性，认为采空区 上方的覆岩就象关闭漏斗中的砂粒，每漏出一粒砂子后，就会引起地表相应的 沉陷，亦即单元开采势必引起地表的相应下沉。基于这种思路，在地表沉陷规 律研究领域形成了著名的方法一影响函数法，或称为概率积分法，一直延用至 今，用以对地表移动和变形的预侧。然而，这种方法只研究了“因 与“果” 的定量关系，并未考虑中间过程，影响函数中所用系数均不能从机理上描述岩 体特性，因而，对覆岩岩体的变形、破坏过程无法考证。可见，这种方法仍有 待进一步深入研究。 对地表沉陷规律研究，除上述建立在大量观测资料基础上的数学描述外， 一类方法则是利用几何理论的研究。几何理论创始于上世纪二十年代。这一理 论用几何方法划分开采影响带，即从几何学角度出发研究地表移动规律。1 9 5 0 年以来，这个理论由布得雷克教授加以发展和完善。由于用高斯曲线作为开采 的连续影响曲线而使几何理论更加严密和符合实际。几何理论的最终表达式与 随机介质理论的公式是一致的，由于都利用了概率积分函数计算，统称概率积 分法。几何理论在我国和世界许多国家得到了广泛的应用旺列。 欧洲国家广泛采用典型曲线法来研究地表沉陷w 1 ，它是将同类型地质采煤 条件地表下沉盆地的移动和变形分布用无因次曲线或表格表示。这种方法要求 对应于类型相同的地质采煤条件，绘制出相应的典型曲线，使用起来比较简便。 这种方法在我国抚顺等矿区得到使用。在国外，俄罗斯和英国应用较普遍。19 7 5 年英国煤炭管理局出版的下沉工程师手册所介绍的计算方法就属于典型曲 线法。 各种数值算法为应用弹性理论和电子计算机研究地表移动规律提供了有效 的工具。虽然这一方法目前尚未达到能够精确计算移动和变形的程度，但在定 2 武汉理工大学硕士学位论文 性的研究工作中却是一种非常有效的方法。可以设想随着岩层与地表移动理论 的不断完善，大规模应用电子计算机将成为研究各种复杂问题最有效的手段。 1 2 边坡稳定性研究现状 不同的边坡工程通常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分 析方法又各具特点，有一定的适用条件。因而，如何根据具体的边坡工程地质 条件，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。 从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程是边坡稳定性分析 方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老的方法不断得 到改进，且逐步由定性向半定量、定量的方向发展。边坡稳定性评价方法大致 可以分为两大类巧酗，即定性分析方法和定量分析方法。此外，近年来，人们在 前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论等，逐渐发展起来 一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程 地质分析法、灰色系统理论分析法等，暂且称之为非确定性分析方法。 定性分析方法主要是通过工程地质勘察订1 ，对影响边坡稳定性的主要因素、 可能的变形破坏方式、失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其 演化史进行分析，从而给出被评价边坡稳定性状况及其可能发展趋势的定性的 说明和注解。优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的 稳定状况及其发展趋势做出评价。常用的方法主要有自然( 成因) 历史分析法、 工程类比法和图解法等n 们。 定量分析方法是以安全系数为基础嘲唧h 们，认为边坡所能承受的荷载值与 所受外力之比大于某个值为安全。严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到 完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。目前来说，常用的边坡 稳定性分析方法主要有极限平衡分析法和数值分析方法。 1 3 露井联合开采研究现状 对于露天与地下联合开采的问题，前苏联进行过系统的研究，主要是用传 统力学的方法研究开采的影响。前苏联解体之后，研究工作进展缓慢。1 9 9 0 年 武汉理工大学徐长佑教授出版露天转地下开采一书1 ，随后开展了“蒙阴 金刚石矿露天转地下开采研究”；2 0 0 2 年本文导师张世雄教授开展“大冶铁矿高 陡边坡深凹露天矿转地下开采技术研究 ，取得多项重要成果。同时，马鞍山矿 武汉理工大学硕士学位论文 山研究院系统研究了露天与地下联合开采的工艺技术，包括联合穿爆地下出矿 采矿工艺、露天漏斗法采矿工艺、地下穿爆露天出矿工艺等露天与地下联合开 采的关键技术，为国内露天转地下开采的矿山提供了理论与技术准备u 到。 另外，对于与此课题内容相近的研究一有关于地下煤层开采引起的山体滑 坡的研究较多。早在2 0 世纪8 0 年代初期，阳泉矿务局和山西矿业学院在阳 泉矿区地表移动观测资料综合分析总结报告中就提到了开采引起山区坡体滑 动问题，并对采动滑坡的两种形式进行了初步分析，一种为上坡方向采动引起 的“推动 式滑坡，另一种为下坡方向采动引起的“牵引 式滑坡。1 9 8 3 1 9 8 5 年，孙玉科和姚宝魁等分别对宜昌盐池河磷矿和包头石拐矿区长汉沟煤矿因地 下矿层开采引起的山崩和滑坡进行了分析，认为盐池河南岩大畈地区的山崩与 下方盐池河磷矿层的开采有关；长汉沟煤矿的煤层开采是白灰厂古滑坡的诱发 因素之一。 1 9 8 8 年科学出版让出版的中国典型滑坡一书中，古迅、于根和于远忠 分别对韩城电厂滑坡、阳泉矿区采动滑坡以及新滩链子崖地段斜坡变形等进行 了分析，认为这些地区的滑坡或坡体变形与地下煤层开采活动有关。 1 9 8 9 年田家琦和陈月华对阳泉赛鱼车站和韩城象山滑坡进行了分析，认为 这两处滑坡都是地下煤层开采引起的山体滑动。 1 9 8 9 - - - , 1 9 9 3 年田家琦和汤伏全在模拟实验和有限元分析的基础上，对采动 滑坡的成因、机理和坡体稳定性进行了分析。 1 9 9 8 年孙世国教授在地下与露天复合采动影响下边坡岩体稳定性评价方法 的研究论文中，考虑地下采动对露天矿边坡稳定性的影响，推导出了考虑地 下采动附加应力后的边坡稳定性计算公式u 引u 钔。 根据现有资料来看，国外对露天边坡研究较多但对地开采引起的滑坡研 究较少随着国内露天地下联合开采矿山的增多，有必要对此课题进行更为深入 的研究。 1 4 课题研究的目的和意义 本课题研究目的是揭示露天地下联合开采过程中产生的一系列采动损坏规 律。其中主要问题包括两个方面： ( 1 ) 地下开采对露天矿边坡稳定性的影响 ( 2 ) 地下重复采动对边坡及地表的强化破坏规律 通过对这两个问题的深入研究，确定地下开采对露天矿边坡及地表的影响 4 武汉理工大学硕士学位论文 方式和影响程度。进一步为矿山安全回采提供理论指导。 露天矿边坡稳定性问题一直是岩土边坡的一个重要研究内容。由于岩质边 坡表面倾斜，在自身重量及其它外力作用下，整个岩土结构都有从高处向低处 滑动的趋势，如果结构体内部某一面上的滑动力超过结构体抵抗滑动的能力， 就会发生滑坡。地下开采形成采空区，若围岩坚硬且空区的范围小，露天采场 离空区有足够的距离，尽管由于开采的影响使岩体的应力发生了变化，但岩体 仅发生微小的弹性变形，地表不出现可见的移动，或者只是局部空区顶板崩落 成拱，对露天作业一般无影响。当采空区面积很大，或围岩不够稳固，或采空 区存在时间很长，围岩及地表就有可能发生较大的移动和变形，在地面形成沉 降盆地。沉降盆地的形成会对露天边坡产生重要的影响。复合采动影响下岩体 变形与破坏机制更加复杂，变形范围和变形量远远超出原有的认识范畴。这主 要是由于对复合开挖体系来说，一种开挖作用不仅仅影响到其自身影响域内的 岩体应力场分布，同时对另一开挖体系中的平衡状态也起到了干扰和破坏作用， 所以变形机理更加复杂。变形范围、变形量之大及其持续时间之长与单一开挖 相比均有较大的差异。本文主要研究地下与露天联合开采时的煤矿边坡岩体变 形规律和移动机制，并结合数值模拟和矿山开采实践，研究和探讨地下与露天 联合开采影响下的矿山边坡的变形与破坏机制。 本文在对平朔煤炭工业公司安太堡露天矿不采区( 简称不采区) 工程地质 调查、岩石力学实验、声波测试、地表位移监测的基础上，获取大量的基本数 据，充分运用理论分析和f l a c 3 d 有限差分软件对露天矿边坡及采空区进行力学 和变形分析，研究不同位置采区的回采活动对露天边坡的稳定性影响规律和表 现形式。同时对多采区重复采动的相互影响规律做一专题性研究。最终可以确 定地下采动影响下的地表沉陷盆地范围，研究地下采动对露天矿边坡的影响范 围和程度，总结采动影响规律，为矿山采取安全防范措施提供依据。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 2 平朔矿区工程地质背景与采矿现状 平朔煤炭工业公司是我国从1 9 8 5 年开始建设的特大型现代化煤炭生产基地， 位于山西省朔州市，先后建成安太堡露天矿和安家岭露天矿。 为了提高煤炭产品的质量、降低生产成本、提高经济效益，平朔煤炭工业 公司决定改单一露天开采为露井联合开采，将安家岭露天矿的生产规模由 1 5 m f f a 降为l o m t a ，在安家岭露天矿矿坑南北两侧建设安家岭5 m f f a 矿井，称 为安家岭井工矿，开采安家岭露天矿西排土场下的上窑采区、七里河西边的太 西采区、露天坑北侧的安太堡露天矿不采区这3 个采区。 根据原国家发展计划委员会批准的建设方案和矿区开发的实际情况，安家 岭井工矿实际为一矿两井，包括上窑区和安太堡不采区两个区域，分别开拓。 2 0 0 3 年2 季度，两井先后开始建设。当前，已初步形成了生产能力，并开始了 试采。试采过程中，地下开采对地表的影响已显现出来，先后出现地表变形、 开裂和沉陷，它们可能影响露天矿的安全生产。特别是安太堡不采区的初始开 采区域，北面和西面都是露天矿的边坡，采动影响十分复杂， 2 2 矿山概况 2 2 1 井田位置、交通与储量 矿区位于山西省朔州市平鲁区，北到大同1 2 3 公里，南至太原2 2 6 公里， 矿井工业场地距朔州市城区1 7 公里，大( 同) 运( 城) 公路和北同蒲铁路通 过矿区南缘。井工矿井田位于安家岭露天矿的南北两侧，由安家岭露天矿北侧 的安太堡露天矿不采区、安家岭露天矿西排土场下的上窑采区、七里河西边的 太西采区组成。地理坐标为东经1 1 2 。3 37 1 1 2 。4 5 ，北纬3 9 。2 37 3 9 。 3 77 。井田面积2 0 6 2 k i n 2 ，地质储量7 6 0 0 4 m t ，工业储量6 8 9 4 5 m t ，可采储量 4 0 4 5 1 m t ，服务年限6 2 年，井田具有向周边扩大的条件。 安家岭露天矿和安太堡露天矿铁路专用线均接轨于北同蒲铁路的大新车 站，专用线长分别为9 公里和1 1 公里，矿井的交通运输条件十分便利，见图2 1 。 6 。“j 1 p ， o 一0 k 图2i 矿匡交恿位置图 2 22 气候条件与地形地貌 ( 1 ) 。l 候条件 本匣属中温带季协i 气候区域，为典型的人陆性季风气候。冬季严寒，夏季 凉爽，春季风人。年平均气温48 05 。c ，极端最低气温一3 24 。c ，极端最高 气温3 79 。c 。年平均降水量4 4 9 u l _ m ，最低1 9 56 m m ，最高7 5 74 r a m ，7 9 月 降水量占全年的7 5 。 ( 2 ) 地形地貌 本区为典型的黄土高原地貌，黄土广唧，沟墼纵横，地形支离破碎，水十 流失严重。地表标高1 1 8 0 1 5 1 l m ，一般在1 2 5 0 4 1 3 5 0 m 。 井田内的七旱河河谷为山间辑地，地表较低，向东西两侧地表增高，多以 冲沟、陡坎形成黄土梁峁地形，相对高差在i 0 0 3 0 0 i n 。 ( 3 ) 区内水系 区内主要河流有七里河、马关河、马营河。七罩河在矿区两侧，马关州在 矿区中部，马营河在矿区东边，均从西北流向东南，七里河与马关河穿越矿区t 存蜩州半原注入桑干河。 七早河发源于平鲁区井坪西南的窑了沟，全长3 7k m ，汇水曲积1 8 l k m 2 ， 武汉理工大学硕士学位论文 河床坡度3 ，原清水流量8 0 1 5 0 l s 。由于安太堡露天煤矿建设，1 9 8 4 年在七 里河上游细水村截流，使河水改道，经井坪向东北注入马营河。 马关河发源于平鲁区石井沟、张马营一带，全长约3 1 k m ，汇水面积1 5 1k m 2 ， 清水流量8 0 1 5 0l s ，最高洪峰流量8 0 2 3 m 3 s 。 ( 4 ) 地震 根据g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范，矿区抗震设防烈度为7 度，设计 基本地震加速度值为0 1 5 9 。 2 3 矿区地质概况 2 3 1 煤层地质条件概述 ( 1 ) 区域地质特征 平朔矿区位于宁武煤田北端，地表大都被新生界覆盖，仅沟谷中有零星石 炭二迭系地层出露，煤系地层为一套古老的变质岩系，在煤田东缘及东北缘有 寒武系和奥陶系地层出露，地层厚度2 6 0 0 - - 3 5 0 0 m 。煤田形态为南北走向的聚 煤盆地，石炭系、二迭系和三迭系地层沿煤盆地周围呈环状出露，局部有侏罗 系地层，地表广泛分布第三系和第四系。 ( 2 ) 地层特征 本井田地层由老至新为：奥陶系中统马家沟组灰岩；石炭系中统本溪组泥 岩、粉砂岩、上统太原组泥岩、灰岩、砾岩；二迭系下统山西组泥岩、砂砾岩， 下统下石盒子组泥岩，上统上石盒子组泥岩、粉砂岩；新生界上第三系上新统 保德组粘土和粉质粘土；新生界第四系下、中更新统午城组粘土，上更新统马 兰组粉土及粉质粘土，全新统冲洪积层粉土夹砂砾石层。 ( 3 ) 构造 区域构造 宁武煤田地处山西台背斜的北中部，属祁、吕、贺山字型东段外侧。因受 复合作用，煤田南北长、东西窄，呈北东向斜展布于鄂尔多斯台地、吕梁地块、 五台地块及内蒙地轴之间，为一继承性上迭构造盆地。 井田地质构造 本井田位于平朔矿区西南部，处于二铺背斜和白家辛窑向斜之间，主要受 芦子沟背斜、二铺背斜、白家辛窑向斜控制和影响，区内地层产状平缓，倾角 一般在2 - - - , 5 。，局部达1 2 。左右。在井田内，露天不采区未发现断层。 ( 4 ) 煤层特征 武汉理工大学硕士学位论文 煤层 本区主要含煤地层为石炭系上统太原组，共含煤9 层，自上而下编号为：4 ( 4 1 ) 、4 2 、5 、6 、7 、9 、1 0 、l l 、1 2 号煤层，其中4 ( 4 一1 ) 、4 2 、9 、 1 1 号煤层发育普遍，层位稳定，分布面积大，为本区主要可采煤层，其余煤层 厚度小，仅零星分布，局部可采。 4 号煤层结构复杂，含夹矸2 7 层，煤层倾角2 9 。，平均倾角5 。；厚 度8 1 6 - - 1 4 1 5 m ，平均厚度1 2 2 4 m 。 9 号煤层为半亮一半暗型煤，油脂光泽，条带状结构，局部地段节理发育， 性脆，见黄铁矿结核；厚度无规律可循，9 号煤层顶部多与8 号煤层合并，底部 多与1 0 号煤层合并( 在本区1 0 号煤层平均厚度0 7 2 m ) ；结构复杂，含夹矸4 - - - 9 层，夹石厚0 0 4 o 3 5 m ，夹石岩性多为粉砂岩，局部有高岭石2 3 层。煤层倾 角2 - 7 。，平均倾角 5 。；厚度1 1 7 5 - 1 4 0 4 m ，平均厚度1 3 1 4 m 。 煤质 本区4 ( 4 1 ) 、4 2 、9 、1 1 号煤层主要为气煤，仅有个别块段为弱粘结煤、 长焰煤。 2 3 2 水文地质条件概述 井工井田属缓坡状丘陵区，地势西高东低，大面积黄土覆盖，植被稀少， 水土流失严重。井田内沟谷基本干涸无水，汇水面积不大。 4 号煤层的充水因素主要为k 3 砂岩含水层，9 、1 1 号煤层的直接充水因素 主要为太原组的砂岩裂隙含水层，井下涌水量多为4 0 - - - 5 0 m 3 h 。主要隔水层为 石炭系本溪组泥岩隔水层和二叠系石盒子组泥岩隔水层。 2 3 3 研究区地质勘查概述 武汉中汉岩土工程技术开发公司联合武汉理工大学于2 0 0 5 年7 月2 8 日 2 0 0 5 年1 2 月3 1 日开展的平朔煤炭工业公司不采区沉陷与边坡稳定监测及预 报研究采用工程地质钻探的方法完成了工作区岩土体工程地质勘查。根据钻 探现场编录结合工程地质测绘及以往勘查资料，总结安太堡露天矿东帮不采区 岩土层组划分如下： 填土层( q 4 2 删) 填土层主要为掘场排弃物，其成分与颜色较杂，主要由黄土状粉土、块状 砂岩、泥岩、泥质砂岩组成，钻探部位厚度0 , - , 1 6 9 m 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 粉土层( q 3 ) 由浅黄色、黄褐粉土组成，稍密，土质均匀，手握易碎，含云母，钻探部 位厚度5 0 7 m ，压缩模量1 3 2 1 9 1 8 m p a 。 粉质粘土( q 3 ) 主要由黄褐黄土状粉质粘土组成，钻孔z k 6 底部位褐红色粉质粘土，稍湿， 硬缩状态，夹少量姜石、砾石，有少量孔隙，钻探部位厚度0 - - 5 0 7 m ，压缩模量 1 7 6 1 m p a 。 砾砂岩( p ) 黄褐色砾砂岩，全风化强风化，上部较破碎，下部呈短柱状，成分以砾砂 为主，含粉土，钙质胶结。 砂岩( p ) 颜色较杂，主要为褐黄色、黄白色、灰白色，该层主要在z k 6 、z k 5 中揭 露，成分较复杂，主要为中粗砂岩、中细砂岩、粉细砂岩，局部夹灰黑色泥质 页岩、泥质粉砂岩，节理较发育。 2 3 4 矿区岩土体物理力学性质 平朔矿区是国家特大型露天煤矿建设项目，在矿山的建设和生产过程中， 许多大专院校、科研院所和地质勘察单位根据各自相关的项目，对矿区各类岩 土体的物理力学性质进行了实验研究，有大量的实验研究成果可供以后的研究 项目参考使用。本次收集、整理的与本项目研究相关的资料如下。 沈阳煤炭设计院2 0 0 3 年1 0 月提交的安家岭露天矿修改初步设计中采 用的采场及上窑排土场岩石力学指标见表2 1 和表2 2 。 表2 1安家岭露天矿采场岩土体力学指标参数表 岩土名称密度( t m 3 )内摩擦角( 。)凝聚力( k p a ) 备注 第四系 1 9 7 2 6 2 0 粗砂岩 2 5 32 5 52 8 0 中砂岩2 3 63 9 84 9 0 细砂岩2 4 8 3 3 76 0 0 砂质泥岩 2 5 23 23 3 0 煤 1 4 92 31 0 0 1 1 煤底板2 83 0 l o 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 安家岭露天矿上窑排场边坡稳定计算岩体强度参数表 岩土名称密度( t m 3 )内摩擦角( 。)凝聚力( k p a )备注 排弃物料 1 8 71 52 5 黄土粉状土1 5 5 1 9 32 5 黄土状粉质粘土 1 9 62 l5 0 红粘土21 8 6 0 基岩 2 23 23 0 0 西安煤矿设计院2 0 0 4 年2 月提交的安家岭井工矿初步设计采用的岩土 力学指标见表2 3 和表2 。4 。 表2 3 安家岭井工矿初步设计上窑岩土外排土场稳定分析岩土力学参数表 名称单位指标备注 容重 k n m 32 0 6 凝聚力 k p a2 1 - 2 l 内摩擦角2 3 9 2 表2 4 安家岭并工矿初步设计端帮边坡岩土体物理力学参数表 容重( k n内摩擦角( 。)凝聚力( k p a ) 岩性 m 3 ) 最小最大平均最小最大平均 2 4 1 2 2 0 8 4 6 8 33 6 8 74 9 06 3 7 42 4 8 4 2 3 92 5 6 84 5 5 73 5 6 25 8 84 4 1 32 5 0 1 砂质泥岩泥岩1 5 34 3 5 2 2 5 7 31 4 7 l2 0 2 0 29 1 2 0 粉砂岩粘土泥岩 1 4 23 9 1 32 4 4 71 6 6 72 2 5 5 51 0 8 2 3 细砂岩2 4 32 0 5 54 0 3 5 2 5 8 81 4 9 13 0 3 0 31 1 2 1 9 中砂岩 2 4 31 5 - 34 3 2 22 7 7 87 8 52 9 1 2 61 2 8 5 3 粗砂岩 2 3 41 7 0 64 5 72 8 1 81 2 7 5 2 7 3 6 19 7 0 含砾粗砂岩2 3 41 9 0 21 8 9 8 2 9 8 8 4 1 1 9 1 4 7 1 07 9 2 4 煤1 6 21 9 7 l4 4 0 23 1 71 7 6 57 1 5 94 2 9 0 1 9 9 2 , - - - , 1 9 9 4 年，煤炭科学总院抚顺分院在安太堡露天矿南排土场滑坡分 析及西排土场稳定分析项目推荐的岩土体物理力学参数见表2 5 和表2 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 5安太堡露天矿南排土场岩土体物理力学参数表 岩石性弹模 粘聚力内摩擦抗压强度抗拉强度 序号泊松比 质( g p a )( 【p a ) 角( 。) ( m a )( n 口a ) l 基岩 2 0 0 0o 2 0 0 4 0 3 5o 1 0 0 0 l 2 砾岩2 00 3 00 0 7 2 2 4 o 1 5o 0 0 l 3 软弱层 70 4 5o 0 370 0 50 0 0 0 1 4 表土2 0o 3 50 0 2 52 40 0 5 50 0 0 0 l 5 排弃物 1 50 3 50 0 2 32 90 0 4 50 0 0 0 l 表2 6 安太堡露天矿西排土场和新排土场岩土体物理力学参数表 容重 西排新排 指标 ( k n 粘聚力摩擦角粘聚力摩擦角 备注 地层 m s )( i ( p a )( 。)( k p a )( 。) 排弃物料 1 8 71 92 41 92 4 粘土层2 0 25 52 45 52 4 粘土弱层3 073 0 7 基岩软弱层 3 071 8 81 0 8 7 基岩2 5 02 4 03 l2 4 0 3 l 2 0 0 4 年1 1 月，煤炭科学总院抚顺分院在安家岭外排土场重点部位稳定控 制监测工程研究项目推荐的岩土体物理力学参数见表2 7 。 表2 7安家岭外排土场岩土体物理力学参数推荐表 指标密度弹性模量抗剪强度指标 泊松比 地层 ( 舻m 3 ) ( g p a ) c ( k p a )中( 。) 排弃东排1 8 9 o 1 50 3 82 2 52 7 5 物料 西排 1 9 l0 1 8o 3 51 9 32 9 0 粉七 1 8 70 3 00 3 02 5 02 4 o 粉土弱层 1 8 2o 1 2o 3 2 1 8 51 3 1 粘土2 0 3 0 8 00 4 07 2 o2 0 5 1 8 51 3 1 粘土弱层 1 9 2o 0 70 4 3 1 2 5 8 8 风化基岩 2 2 02 0 0 2 21 5 43 5 0 为陈氏公司测试结果 2 0 0 4 年5 月，煤炭科学总院抚顺分院在安家岭露天矿北端帮边坡稳定性 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 评价项目推荐的岩土体物理力学参数见表2 8 。 表2 8 安家岭露天矿北端帮边坡岩土体物理力学参数推荐表 搿弹性 密度粘聚力摩擦角 粝模量泊松比备注 ( g c m 3 ) ( k p a )( 。) 嫩层 ( g p a ) 粉土1 8 7o 1 5o 3 02 52 4 0 粉粘土 1 9 8 o 2 50 3 56 3 52 1 5 粘土2 0 3o 3 00 4 07 21 3 1 综合成果 砂岩2 4 61 “3 7o 21 旬2 84 9 03 3 0 泥岩2 3 91 3 2 l0 2 5 旬5 03 2 92 7 0 风氧化煤1 4 6o 0 9o 3 691 0 1流变指标 4 i 煤1 4 93 8 2 l0 2 0 加3 02 1 02 6 5 综合成果 砂泥岩2 4 38 2 20 2 2 o 2 74 5 03 2 o 中国矿业大学在相关的研究项目中对安太堡露天矿西端帮基岩实验研究使 用的岩土体物理力学参数推荐表2 9 。 表