Series No.424 October2011
金属矿山
METAL MINE
总第424期
2011年第10期
*国家自然科学基金项目（编号：11072016）。
冯锦艳（1978—），女，讲师，博士，100083北京市海淀区学院路37
号。
冯锦艳1朱建明2姚仰平1罗汀1
（1.北京航空航天大学交通科学与工程学院；2.北方工业大学建筑工程学院）
摘要采用相似材料模拟试验以及数值模拟计算研究了井工露天复合开采条件下边坡的稳定性。通过逐步分析单一井工开采、井工露天复合开采时围岩的破坏模式及变形规律，了解了井工露天复合开采对后期边坡开采的影响和不利条件，在此基础上分析了边坡开采的破坏模式以及破坏机理。计算结果表明设计边坡能够满足整体稳定要求，但上部平台需要加固处理，下部平台需要进行监测以防滑坡事故的发生。 关键词井工－露天联采相似材料试验数值计算破坏模式
Study on the Slope Stability under Combination of Open-pit with Underground Mining
Feng Jinyan1Zhu Jianming2Yao Yangping1Luo Ting1
（1.School of Traffic Science And Technology，Beihang University；
2．College of Architecture，North China University of Technology）
Abstract The similar material experiment and the numerical simulation calculation were adopted to analyze the slope stability in combining mining of open-pit with underground mining．The failure mode and the law of the rocks displacement are studied when mining in single underground mining and the combining mining of open-pit with underground mining．The effect of the open-pit and under
ground mining on the post slope mining and the adverse conditions are mastered．Based on this，the failure mode and the failure mechanics of slope mining are analyzed．The simulation result indicates that the de-signed slope can meet the requirement of slope stability on the whole，but the upper stages need to be reinforced and the lower stages need to be monitored to prevent from landslide．
Keywords Combination of open-pit and underground mining，Similar material experiment，Numerical simulation，Fail-ure mode过氧化氢溶液
某露天矿南帮主采煤层为4#和9#煤层，层间距平均40m，为2层煤复合开采。由于井工开采效率高，露天边坡后期将处于井工开采塌陷区范围内，构成了典型的露井复合开采模式。在此复杂的开采条件下，边坡的稳定性至关重要，本研究将在相似材料试验以及数值模拟计算的基础上分析露井复合开采条件下边坡的破坏机理及变形规律，评价边坡的稳定性。
1工程概况及建模
1.1工程概况
由于煤层埋藏较浅（埋深120m左右），且采用放顶煤开采，2层煤开采后上部岩土体的“三带”破坏十分严重。为了分析4#煤层和9#煤层开采后围岩的破坏情况，特通过多种研究手段进行分析比较。
4#煤层开采结束后进行9#煤层开采，4#煤层和9#煤层开切眼位置在垂直剖面上与标高+1390m 平台内侧相对应，如图1所示。煤层工作面长240m，均采用倾向长壁综采放顶煤开采，顶板管理为全部垮落法。4#煤层平均厚8m，9#煤层平均厚13m，煤层倾角平均5ʎ，地表为露天矿排土场。
1.2相似材料试验模型
相似材料试验在煤炭资源与安全开采国家重点实验室（徐州）进行，研究过程中工作面开采长度取240m。根据实验室的实际情况，选择2.5m长试验台进行试验，相似条件如下：①几何相似常数α
l
=
200；②容重相似常数α
γ
=1.6；③应力相似常数α
σ=α
l
α
γ
=320。
本试验中所采用骨料为砂子，胶结材料为石灰、石膏，不同岩层间用云母粉分开。模型材料的配比以及各岩土层所需材料质量见表1。
·
57
·
图1
露井联采关系示意
表1
相似试验材料配比
岩层容重/（kN /m 3）
抗压
强度/MPa 厚度/m 材料质量/kg
砂子碳酸钙石膏水黄
土
1.96
1.01574.678.400.939.33风化砂岩
2.3030.01572.008.40
3.609.33砂岩 2.3850.73014
4.0012.012.018.67泥
岩
2.4934.01570.00
9.80
4.209.33粉砂岩 2.324
5.01563.0014.70
6.3012.0砂
岩
2.3830.038110.4012.88 5.5214.314#煤 1.4421.7839.82 1.49
3.48
4.98页
岩
2.4540.5157
3.50 5.25 5.259.33粉砂岩 2.6039.41572.007.20
4.809.33页
岩
2.5845.01042.009.80 4.208.009#煤 1.3320.51364.71 2.43 5.668.09砂
天津市针织运动衣厂
岩
2.38
73.5
20
89.60
8.96
13.4
12.44
为了分析井工开采对露天边坡的影响，在边坡平台附近设置了42个监测点观测水平和竖直位移，模型布置见图2
。
图2模型布置
试验中1次采全高，首先开采4#
煤，然后开采9#煤，向逆坡方向开采。试验过程每次开挖5cm ，
相当实际工程中开采10m ，近似1d 的进尺。
在宽度为35m 的运输平台上（标高+1405m 、+1375m 和+1345m ）施加荷载。荷载按照运输平台同时通过1辆满载车和1辆空载车的总体重计算得出，动载荷系数取1.2。
2
井工开采围岩稳定性分析
2.1
4#煤层开采围岩稳定性分析
4#煤开采过程中，顶板逐渐产生裂纹，顶板底部
发生下沉。推进50m 时，顶板发生冒落；推进130
m 时，位于4#
煤层上部70m 的位置出现岩体离层（图3）。当推进到240m 时，+1450m 平台整体以
及+1435m 平台内侧发生弯曲下沉（图4），说明4#
煤层开采将影响到边坡+1435m 平台以上的区域，试验结果与数值模拟结果基本吻合（图5）
。
4#煤上覆岩体中形成较大范围的贯通裂隙，工作面两侧均产生1条从开采边界直达离层面的裂
·
67·总第424期金属矿山2011年第10期
缝，左采空边界塌陷角约为49ʎ，右采空边界塌陷角约为55ʎ。
根据监测数据可以得知工作面上方覆岩位移曲
线基本以开采中心成对称分布，
在地表形成塌陷坑。当4#
煤层推进240m 时，
+1450m 平台上的监测点沉降达4.2m （图6），处于脱落状态，这是由于大裂
隙贯通所致，会对未来边坡开采的局部稳定性造成影响，需要进行治理。而+1435m 平台沉降量急剧减小，仅为79cm ，且+1435m 以下平台位移量都较小，说明边坡下部岩体的稳定性较好
。
图6
4#煤开采至240m 时+1450m 平台监测点沉降曲线
湖南工业大学学报2.2
9#煤层开采围岩稳定性分析
4#煤层开采结束后，根据实际情况开采9#巨大奇迹
煤层。
推进60m 时，
9#煤层顶板开始冒落；随着推进长度的增加，冒落范围逐渐扩大，且上部岩体开始出现离层。推进到130m 时，
9#煤层上部垮落区与4#煤层上部垮落区连通，且右采空边界塌陷角接近4#
煤开采时的右采空边界塌陷角，约为55ʎ；同时，采空边
界两侧都出现裂缝，
且岩体有向采空区倾斜的趋势（见图7）。9#煤层推进240m 时，采空区边界两侧
岩体明显向采空区倾斜、断裂。此时+1390m 以上平台处岩体破坏严重，
+1390m 以下平台处于较稳定状态。9#煤层左采空边界岩体塌陷角接近于4#
煤左采空边界岩体塌陷角，约为49ʎ，上下部垮落岩体逐渐形成一体（见图8，
图9）
。图7
9#煤推进130m 时岩体垮落示意
随着9#
煤层推进长度的增加，监测点的位移也逐渐增大，井工影响边坡岩体的范围从标高+1435m 台阶延伸到+1390m ，影响范围扩大
。
3露天边坡开采稳定性分析
试验表明在露天矿不采区进行放顶煤开采，由
于煤层埋藏浅、
煤层厚且为放顶煤开采，设计边坡平台破坏比较严重，边坡可能出现的破坏模式主要有
2种。3.1
平台沉降和滑移破坏
+1450m 和+1435m 平台处于采空边界塌陷
角范围内，平台垂直方向上充分垮落，使之成为极破
碎散体岩块，
平台明显失稳。井工开采弱化围岩强度，促使边坡岩体破碎，导致边坡岩体变形，诱使岩
体强度进一步降低，是典型的沉降破坏。其中+1450m 平台沉降量最大。
表2给出了边坡监测点的沉降数据统计，从数据看出9#
煤开采对边坡平台沉降的影响远大于4
#
煤开采对沉降的影响，其原因可以归纳为：①9#
煤层较4#
煤层厚；②4#t68i
煤开采时采空区至地表岩层已弯曲下沉，但整个上覆岩体还比较密实，没有出现大的
裂缝；9#
煤开采时岩体进一步破碎，裂缝变宽，几乎
贯穿模型的上下部，因此引起的沉降要比4#
煤开采
时的沉降大。
表2
监测点沉降统计
监测点4#煤沉降量/cm 9#煤沉降量/cm 总沉降量
/cm
9#煤沉降
所占百分比
/%1号（+1450m ）
419.41635.671055.0860.259号（+1435m ）78.15599.17677.3288.4617号（+1420m ）46.89497.57544.4691.3825号（+1405m ）31.26283.95315.2190.0833号（+1390m ）31.2681.77113.0372.3441号（+1375m ）
7.82
23.45
31.27
74.99
·
77·冯锦艳等：井工露天复合开采边坡稳定性研究
2011年第10期
+1420m 、+1405m 以及+1390m 平台内侧处于采动影响边缘区，受到开采沉陷附加应力及边
坡沉陷侧向应力的影响，
围岩应力场重新分布，出现了向采空区的倾斜断裂，
此范围内平台的破坏模式兼顾了沉降和滑移破坏。随着时间的延长，边坡围岩逐渐压实，沉降破坏的可能性变小，转而为以平台滑移破坏为主。而标高+1390m 以下平台主要以滑移破坏为主。
边坡位移矢量方向可进一步说明边坡平台的2种破坏模式。井工露天复合开采改变了边坡的位移矢量方向，
+1390m 以上边坡位移矢量以向下为主（图10（a ）），平台主要发生沉降；标高+1390m 以下平台位移矢量方向主要为水平向外（图10（b ）），平台存在滑移的可能性
。
图10边坡位移矢量场
3.2潜在滑移面
受到底部煤柱的支撑+1390m 平台外侧及以下
平台处于采空区之外，其右侧岩体已经断裂，开采沉陷的附加应力及侧向应力消失，围岩受到扰动影响较小，相似模拟试验表明此处边坡处于较稳定状态。但
数值计算结果却展示了将在标高+1320m 平台处（4#煤层底板位置）出现潜在的滑移面（图11），贯通边坡和井工垮落区，
威胁到边坡的整体稳定性，需要密切注意，
并进行监测，防治突然滑坡事故的发生
。图11边坡围岩破坏场
4结论
（1）9#煤开采引起的沉降比4#煤开采引起的沉降大。
（2）受到井工露天复合开采扰动的影响，边坡+1390m 平台以上以沉降破坏为主，以下以滑移破坏为主，在边坡下部伴随有潜在的滑移面，威胁着边坡的稳定性。
（3）此设计边坡可以满足整体稳定性要求，但由于上部平台沉降过大，尤其是运输平台影响了正常使用，
因此+1390m 以上平台需进行加固处理，注意填埋裂缝，避免局部台阶滑移导致边坡整体失稳。（4）边坡下部由于存在潜在的滑移面，威胁着
边坡的整体稳定性，现场开采过程中应布置监测点，实时监测边坡的变形，预防滑坡事故发生。
参
考
文
献
［1］徐长佑．露天转地下开采［M ］．武汉：武汉工业大学出版社，
1990．
［2］孙世国．复合采动对边坡岩体变形与稳定性影响的研究［J ］．
岩石力学与工程学报，
1999，18（2）：239-240．［3］蔡美峰，冯锦艳，王金安．露天高陡边坡三维固流耦合稳定性
［J ］．北京科技大学学报．2006，28（1）：6-11.
［4］钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制［M ］
．北京：煤炭工业出版，
1984.［5］韩
放，谢
芳，王金安．露天转地下开采岩体稳定性三维数
值模拟［
J ］．北京科技大学学报，2006，28（6）：509-513.（收稿日期2011-07-22檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
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马钢南山矿尾矿砂资源综合再利用工程正式启动
马钢南山矿总尾矿库尾砂回采勘探取样试验工程正式启动。马钢南山矿总尾矿库建于上世纪60年
代，该库设计有效库容为8476万m 3
洪福子，截止目前已占用有效库容7423万m 3，现库存尾矿量约11730万t 。
根据历史资料测算，1966—1985年，库存尾矿的铁精矿品位在14%左右，最高达27%。目前，勘探已深入地下50m ，第一批样品已顺利取出，即将进入化验阶段，并进行尾矿砂选矿试验。
（冶金矿山动态）
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