端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法

合理地设计端帮充填开采下支撑煤柱参数是端帮开采工艺推广应用的前提。对端帮充填开采前后煤柱受力变化进行了分析,阐明了充填体提高煤柱强度的机理。根据有效区域理论计算了煤柱上方载荷,推导了基于土压力公式的煤柱侧向约束力,结合CIMFR煤柱强度经验公式和Mohr-Coulomb强度准则获得了充填条件下煤柱强度,提出了兼顾煤柱安全系数的非均布载荷下端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法。基于端帮充填开采支撑煤柱参数计算方法,考虑端帮充填开采三角载荷作用,提出了对采硐分段充填的方法,并且给出了不同条块充填高度的计算方法。考虑充填环节与端帮采煤时间的协调性,在一步式开采不合理的情况下,设计了两步式充填开采顺序、三步式充填开采顺序。以某露天矿为工程背景,设计了端帮充填开采支撑煤柱参数,较非充填开采单个煤柱宽度减小3.5 m,资源回收率由33.7%提升至68.4%,在分段充填条件下,单个采硐充填材料用量减少2053.6 m^(3)。提出了端帮充填开采条件下支撑煤柱设计方法,对推动露天煤矿端帮充填开采具有科学意义。

基于内排空间利用最大化的露天煤矿排土线布置方法

快速释放与充分利用内排空间是露天矿实现安全、降本、高效、绿色开采的重要途径。为解决横采内排开采程序的排土线布置难题,强化内排,对内排土场基底倾角、采场工作线布置等相关因素与排土线布置关系展开研究。兼顾水平、倾斜煤层露天煤矿,应用3Dmine软件,构建了内排空间利用最大化的采场工作帮、内排土场、端帮和基底的空间几何模型;在建立内排空间利用最大化的工程条件基础上,推导了露天煤矿排土线布置的数学表达式,理论上揭示了采场工作线布置及边坡角、内排土场边坡角、基底倾角对排土线布置的影响规律,将此方法运用于某露天煤矿。研究结果表明:横采内排开采程序实现内排空间利用最大化的充要条件为:基底倾角α小于内排土场边坡角βp;内排土场工作线布置方向θp与基底倾角α、采场工作帮边坡角βc呈负相关,与内排土场边坡角βp、采场工作线布置方向θc呈正相关;某露天煤矿横采区2023年计划采场工作线方向θc=90°,内排土场工作线布置方向θp=46.3°才能实现内排空间利用最大化。成果可用于优化排土工作线布置,弥补常用方法设计排土线布置试绘工作量大的不足。

软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应

留设支档煤柱是提高软弱基底内排土场稳定性的重要手段之一。为了解决软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数设计难题,实现矿山安全生产和经济效益兼顾,对软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应及形态设计方法进行研究。在构建软弱基底内排土场支挡煤柱力学模型的基础上,进行三维受力状态分析,将支挡煤柱视为在内排土场静止土压力及底界面剪切力双重作用下的固定梁,以摩尔-库伦准则作为失稳判据,推导获得了煤柱三维支挡效应的表达式;基于对煤柱三维支挡效应的力学成因类型及影响因素的认识,提出了煤柱支挡效应的二维等效方法,推导了底界面等效黏聚力c_d与等效内摩擦角φ_d的表达式,从理论上揭示了支挡煤柱形态参数对支挡效应的影响。将该方法在胜利东二露天煤矿内排土场支档煤柱设计中进行了应用,并采用数值模拟方法进行验证。研究结果表明:煤柱底界面的等效黏聚力c_d及等效内摩擦系数tan φ_d与其顶宽a、下底角β,ω均呈正相关反比例函数关系,与高度H呈正相关倒差函数关系,与长度d呈负相关反比例函数关系;胜利东二露天煤矿内排土场边坡稳定系数F_s随支档煤柱顶宽a增加而增加,与煤柱高度H呈线性递增关系;煤柱的最佳尺寸为高度H=28 m,顶宽a=43 m,与传统的二维分析结果相比,可多才出原煤75 600 m^3,经济效益显著。成果可用于优化设计软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数,弥补采用传统方法设计造成的煤炭损失过大的不足,实现经济效益最大化。

软弱基底排土场堆载过程中稳定性数值模拟

针对软弱基底排土场普遍存在稳定性差的问题,在分析了排土场失稳的主要影响因素以及常见的5种失稳模式的基础上,结合胜利东二露天煤矿南排土场南帮边坡工程地质实际,基于强度折减理论,运用大型岩土数值模拟软件FLAC3D对排土场逐水平堆载过程中基底与边坡岩体变形破坏规律及稳定性进行了数值模拟分析,确定了南排土场南帮边坡的破坏模式以及最终排弃高度。结果表明:胜利东二露天矿南排土场边坡变形破坏主要受排弃物料重力影响,随着排弃高度的增加,基底内部第四系弱层最大位移呈线性增加,弱层以下岩土体变形量较小,其滑坡模式为沿基底内部弱层发生的剪切圆弧滑动,可在原设计基础之上继续排弃一个排土台阶高度,提高了排土场的空间利用率,并为类似排土场边坡设计提供借鉴。

露天矿顺倾软弱基底内排土场边坡空间形态优化

针对顺倾软弱基底内排土场边坡的空间形态问题,以白音华三号露天矿为工程背景,基于刚体极限平衡与三维数值模拟的手段,分析了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响。研究结果表明:白音华三号露天矿内排土场边坡滑坡机理为基底弱层在排弃物料自身重力作用下产生塑性屈服,与排弃物料内部产生的滑面贯通,形成以剪切圆弧为侧界面、基底弱层为底界面的切层-顺层滑动;内排土场边坡参数为内排推进距离1 000 m,内排角度14°,平盘宽度67 m时满足安全要求;顺倾软弱基底内排土场边坡随着内排边坡角的减小及推进距离的增加,内排土场边坡稳定性近线性增加,且内排边坡角对边坡稳定性的影响较显著,据此可确定顺倾软弱基底内排土场边坡的空间形态。

含顺倾弱层边坡三维稳定性计算方法研究

为了解决含顺倾弱层边坡弱层暴露长度的计算难题,综合考虑岩体赋存特征与滑体三维空间形态,构建含顺倾弱层边坡三维滑体的简化力学模型,分析滑体边界上的力学条件,基于极限平衡理论,推导获得确定弱层暴露长度的含顺倾弱层边坡三维稳定性计算方法。将该方法应用于白音华一号露天煤矿,并采用基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)进行模拟验证。研究结果表明:白音华一号露天煤矿非工作帮边坡稳定系数Fs与弱层暴露长度L负相关,临界暴露长度约为500 m,允许暴露长度约为300 m;通过该方法确定的弱层暴露长度与模拟结果有显著的一致性。

露天煤矿边坡相对稳定性判据研究与应用

针对软岩露天矿边坡滑坡数量多、规模大、难于防治的问题,以白音华1号露天矿东南帮顺倾软岩边坡为工程背景,基于极限平衡理论,确定边坡滑体几何形态,通过滑坡变形反分析获取弱层指标参数;采用FLAC3D数值模拟,揭示边坡岩土体应力-应变演化规律及破坏机制,提出边坡相对稳定性判据,进而确定合理的横采内排追踪距离与降深位置。结果表明：该矿东南帮边坡稳定性随留煤柱宽度的增加逐渐增大,随追踪距离的增加逐渐降低;当留煤柱宽度大于或等于180 m,追踪距离在50-300 m范围内时,东南帮可以安全降深;留煤柱宽度取180 m,追踪距离取50 m,可实现资源采出最大化。

复合煤层露天矿软岩边坡参数逐阶段优化方法研究

为解决复合煤层露天矿软岩边坡形态参数优化这一难题,从对影响边坡稳定性关键因素的分析出发,采用刚体极限平衡理论和FLAC3D数值模拟软件相结合的方法,结合露天矿采场自上而下逐水平形成的特点,提出了一种顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法,将该方法应用于白音华一号露天矿北帮边坡,分4个阶段优化设计了该矿北帮复合煤层软岩露天矿边坡空间形态。研究结果表明:白音华一号露天矿北帮边坡滑坡模式以剪切圆弧为侧界面,以煤层顶、底板弱层为底界面的切层-顺层滑动;经逐阶段优化后,1煤的底板弱层以上台阶边坡角为12°,边坡平台宽为25 m;2煤的顶板弱层以上台阶边坡角为22°,边坡平盘宽为30 m;3-1煤的底板弱层以上台阶边坡角为15°,边坡平盘宽为54 m;3-2煤的底板弱层以上台阶边坡角为14°,边坡平盘宽为25 m;北帮最终设计边坡角由原设计13°提高至15°,多采煤量为443万t,多剥离岩量167万m3;经优化设计确定的复合煤层软岩露天矿边坡形态参数,可弥补采用传统方法设计造成的边坡角偏小的不足,实现经济效益最大化。

胜利东二露天矿南帮滑坡区压煤回采边坡稳定性研究

针对含有断层、软弱夹层的露天矿边帮压煤问题,从控制边坡稳定性的角度出发,结合胜利东二露天矿南帮边坡工程实际情况,运用极限平衡法、数值模拟等方法和手段,研究了不同煤柱留设长度边坡稳定性变化规律,确定了横采内排跟踪距离及横采工作帮坡角对南帮边坡稳定性的影响。研究结果表明、胜利东二露天矿南帮的滑坡模式为剪切圆弧-顺层滑移;当滑坡区F8断层上盘留有煤柱时边坡稳定性系数均小于1.0,且留设煤柱越长边坡稳定性越小;当清理F68断层上盘滑坡体小于100 m时南帮边坡稳定性有所提高,但变化较小;考虑到实际剥采工程发展过程中采运设备布置空间需要及安全问题,最终确定横采内排跟踪距离为10 m、横采工作帮留1个工作平盘。

含顺倾煤层软岩边坡滑动区稳定性分析与工程治理实践

针对顺倾煤层软岩边坡滑动现状,结合GPS监测数据,研究了其滑动机理与工程治理措施。结果表明,软岩边坡滑动机理为滑体前缘剪出,滑体后缘产生张拉裂隙,中部主滑段切断岩层沿弱层产生切层—顺层滑动。运用SLOPE/W软件及监测数据进行了滑动区边坡工程治理前、后的稳定性评价,评价结果表明:治理前其滑动区边坡稳定系数为0.976、0.996,监测位移逐渐增大,说明其处于不稳定状态;实施工程治理措施后,达到了安全储备系数1.2的要求,监测位移趋于近水平,说明工程治理措施选择方法恰当,可为其他顺倾煤层软岩边坡滑动变形及治理措施选择提供指导。

软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与控制

针对露天矿软弱倾斜基底排土场边坡变形失稳问题,以蒙东西二露天矿排土场边坡为工程背景,基于刚体极限平衡与三维数值模拟方法,揭示了不同基底倾角条件下排土场边坡稳定性变化规律,分析了软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理,并讨论了治理措施。研究表明:①排土场边坡稳定性与顺倾基底倾角呈负相关关系,与逆倾基底倾角呈正相关关系;②排土场边坡基底失稳过程可分为排土场沉降、局部剪切错动、局部剪切破坏、剪切裂缝扩展和贯通5个阶段;③排土场潜在滑坡模式是以排弃物料内部拉裂的圆弧形态为侧界面,以基底剪切滑移为底界面的切层—顺层滑动;④排土场边坡基底逆倾时的稳定性明显优于基底顺倾时的稳定性,极限平衡法分析结果与数值模拟研究结果具有良好的一致性,充分体现了软弱倾斜复合基底排土场的边坡失稳特征。在上述分析的基础上,进一步讨论了排土场边坡稳定性控制方案。针对顺倾基底明显不利于排土场稳定的问题,通过调整局部区段排土线的布置及发展方式和改变剥离物的排弃顺序有助于提高顺倾基底条件下排土场的稳定性。

边坡受爆破振动损伤及其稳定性分析

为研究露天矿山边坡爆破振动损伤规律,提高矿山边坡安全性,以内蒙古霍林河扎哈淖尔露天矿西帮为研究对象,在工程地质调查基础上,运用理论分析与数学计算相结合的方法,量化爆破荷载对边坡损伤程度,建立边坡爆破振动损伤函数关系式,计算边坡破坏时间,确定最危险区域;同时,运用FLAC3D有限元差分软件建立11个边坡地质模型,模拟分析边坡爆破振动损伤程度,并与理论分析结果进行对比。研究结果表明：边坡损伤程度与爆破距离成反比关系,随爆破作用次数增加,边坡损伤程度呈指数衰减,连续11次爆破后边坡发生破坏,最危险区域距离爆破起始位置150-200 m。

元宝山露天矿内排土场压脚挂帮并行建设方案

针对内排土场发展建设速度与收容量问题,以元宝山露天矿内排土场为工程背景,基于露天矿开拓开采设计理论和边坡稳定性分析理论相结合的方法,建立内排土场形态的动态控制思路及流程,分析元宝山露天煤矿内排土场边坡动态稳定性,优化设计内排土场发展过程中各工程位置的空间形态,提出一种有利于快速占据内排空间的内排土场压脚挂帮并行建设方案.研究结果表明:采场南帮到界边坡从局部到整体均能满足安全储备系数1.2的要求,可实行挂帮排土;南帮到界边坡挂帮排土至471水平,且平盘宽度为180 m时为挂帮内排的极限位置;内排土场压脚挂帮并行排土方案能够加快内排土场建设速度,且在排土初期时可排弃空间远远大于正常排土方案.

露井联采含断层逆倾边坡岩移规律试验研究

针对内蒙平庄西露天矿露井联合开采条件下顶帮含断层逆倾边坡岩体变形破坏和稳定性问题,采用相似材料模型试验方法,研究了各个时期露井联采的覆岩及地表移动规律,圈定了地下开采形成的压缩、拉伸变形区以及塌陷范围,分析了地下开采对边坡变形的影响。试验结果表明,随着五家矿四井开采使得上覆岩层发生垮落和下沉变形,周期性形成"拱式"结构;地下回采过程中的顶板来压步距较大的原因是由于辉绿岩的存在。开切眼、工作面的充分采动角为76°和62°,对应边界角为60°和55°。F1断层与工作面垮落线相交形成的倒三角岩体沿断层面发生下滑,导致沉陷区下方岩体受到侧向挤压而发生破坏,同时加剧了+608 m以上岩体的变形,对边坡稳定性造成不利影响。研究结果对露天矿安全高效生产具有重要意义。

断层与弱层群作用下露天矿边坡最危险滑面确定

为研究断层与弱层群作用下露天矿边坡稳定性,基于刚体极限平衡法,提出边坡体内含断层与弱层群最危险滑面确定方法.给出最危险滑面确定步骤,并将该方法应用于元宝山露天煤矿二区东410集水坑工程,结合边坡体内断层与弱层群赋存位置与形态,考虑13种滑坡模式,应用研发的刚体极限平衡软件,确定该区段含断层与弱层群边坡的最危险滑面位置与形态,并应用FLAC^(3D)软件对提出方法的可靠性进行验证.研究结果表明:提出的含断层与弱层群边坡滑面确定方法与数值模拟结果较为接近;元宝山露天煤矿二区东410集水坑区段边坡的滑坡模式为圆弧-(4)号弱层所形成的组合滑动;滑面稳定系数为1.27,满足安全储备系数1.25的安全要求.

陆相断陷湖盆重力流湖底扇沉积与地震响应特征分析:以渤海湾盆地霸县凹陷古近系沙河街组为例

陆相断陷湖盆各构造演化阶段发育丰富的重力流湖底扇沉积。本次以渤海湾盆地霸县凹陷沙河街组为例,通过三维地震精细解释并结合钻井取心及岩/电特征分析,探讨陆相断陷湖盆重力流扇体成因类型和分布规律,总结沉积模式。研究表明,霸县凹陷古近系沙河街组发育滑塌型重力流湖底扇、洪水型重力流湖底扇、风暴重力流湖底扇3种成因类型和5种具体样式。根据重力流湖底扇体物源、搬运路径上底型结构和平面分布特征,可以划分为物源区—断裂陡坡带—湖底扇、(进积型)三角洲—坡折带—湖底扇、水下低凸起(滩坝)-湖底扇3种平面组合类型。并建立了断陷湖盆初始断裂期风暴重力流湖底扇、强烈断陷期洪水型湖底扇、稳定裂陷期洪水型湖底扇、断后回返期滑塌型湖底扇4种沉积模式。认为:断陷湖盆各构造演化阶段具有不同成因类型的重力流湖底扇,重力流湖底扇的触发机制主要与斜坡区三角洲失稳、阵发性的洪水及湖浪作用有关。重力流湖底扇的结构和空间分布受控于断层活动和古湖盆底型结构,扇体规模主要受控于触发机制。深湖—半深湖区形成的被暗色泥岩包裹的湖底扇体具有良好的生储盖配置,是油气勘探的甜点区。基于单井资料分析下的地震属性(切片)分析能够有效地指导薄层砂岩勘探。

元宝山露天矿合理工作线长度的研究

为了确定元宝山露天矿的合理工作线长度,采用理论分析方法进行了工作线长度设计,针对元宝山露天煤矿半连续工艺实际,考虑元宝山露天煤矿年生产能力由8.00 Mt/a核增至12.00 Mt/a的工程背景,进行了正常推进时期合理采煤工作线长度、正常推进时期合理剥离工作线长度和产能规模及技术可行确定合理工作线长度的计算,并最终确定了合理的工作线长度。研究结果表明:工作线长度410 m为最优工作线长度,可确保煤矿企业的设计生产的产量规模和控制较低的工程建设费用。

断陷盆地缓坡带河流沉积砂体定量表征及控制因素分析:以霸县凹陷文安斜坡东营组三段为例

断陷湖盆缓坡河流成因砂体是重要的油气储集单元。根据岩心观察、钻井岩/电特征并结合地震沉积学方法,分析断陷湖盆缓坡河流沉积体系和砂体时空分布特征,能为油气精细勘探提供可靠的依据。研究表明,霸县凹陷文安斜坡中部东营组三段周期性地发育4条呈NE-SW辫曲复合型河流沉积,由河道沉积、砂坝沉积和泛滥平原沉积3种亚相以及辫状河道、曲流河道、砂质河道砂坝、泥质河道砂坝、决口扇和泛滥平原泥6种微相构成。河流展布方向与正北夹角(α)为40°~65°,河道视宽度(l)为1.47~2.64 km,主河道的视宽度(w)为0.03~0.58 km,河道带测量厚度(H)为16.0~52.0 m,主河道测量厚度(D)为8.0~23.0 m,主河道钻井解释厚度(d)为1~16.5 m,平均厚度6.5 m。断陷盆地断坳转换期缓坡河流相沉积受控于盆地构造、气候、物源、沉积物压实及流速等多因素。边界断层差异性活动导致的盆地不均衡沉降是缓坡带河流相类型及砂体空间分布的主控因素。气候周期性变化通过流量控制了河型,调整和改造早期河道沉积物,决定了微相和砂体组合。斜坡中外带是粗粒沉积物主要卸载区,河道及河道砂坝等优势储集砂体呈条带状连片分布,斜坡内带形成的厚层泥岩限制油气垂向运移和侧向充注。斜坡中外带被油源断层切割,在油气运移路径上受晚期断层切割的厚层河道及河道砂坝是岩性构造油气藏勘探的潜力区域。

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。

断陷湖盆缓坡带古河道定量恢复方法及油气地质意义:以霸县凹陷文安斜坡东营组为例

河流沉积砂体定量表征是油田高效勘探开发的重要基础。文章综合利用定量岩心分析、测井相分析、定量地震沉积学和三维地震剖面识别方法,对霸县凹陷文安斜坡东营组古河道砂体厚度,河道(带)宽度,(满岸)河道水深等河流参数进行了定量化计算。研究表明,文安斜坡东营组发育北部苏桥、中部文安和南部长丰镇三个物源输入口,河流呈NEE-SWW向分散于文安斜坡带,其中河道带宽度(w)为1.04~2.61 km,平均宽度(wcb)为1.71 km;主河道宽度(W)为15.2~179.6 m,平均宽度(Wc)为84.4 m;主河道沉积水深(D)为1.34~5.21 m,平均水深(Dc)为3.29 m;主河道满岸水深(Dmax)为2.35~9.15 m,平均满岸水深(Dmaxa)为5.77 m;主河道沉积厚度(H)为2.15~8.32 m,平均厚度(Hc)为5.25 m,河道长度(L)为18.5~28.2 km,平均河道带长度(Lcb)为25.1 km,流向(A)为40°~65°。确定文安斜坡东营组发育辫状河沉积,斜坡东侧中外带为主要的砂岩卸载区,河流以垂向挖掘性河流为主,侧向迁移为辅,河道砂岩平面呈“条—带”状。文安斜坡西侧内带以侧向迁移河流为主,下蚀作用为辅,河道砂岩呈“席—带”状。东营组河道砂岩具有“下生上储”的有利成藏条件,具有良好的岩性、构造—岩性圈闭(油气藏)勘探前景。