露天煤矿拉斗铲台阶稳定性与合理参数研究

博士学位论文露天煤矿拉斗铲台阶稳定性与合理参数研究研究生王忠强年级博05-2班专业采矿工程导师张瑞新教授中国矿业大学（北京）2010年5月研究生毕业论文中国矿业大学（北京）2010年5月分类号：TD8密级：公开学校代号：10290单位编号：11413博士学位论文论文题目：露天煤矿拉斗铲台阶稳定性与合理参数研究并列英文题目：ResearchontheRationalParameterandStabilityofDraglineBenchinSurfaceCoalMine研究生姓名：王忠强年级：博05-2班学号：DBP050102019C专业：采矿工程研究方向：露天开采新工艺导师姓名：张瑞新职称：教授、博导论文完成日期：2010年4月15日论文答辩日期：2010年6月12日学位授予日期：2010年6月24日中国矿业大学（北京）独创性声明本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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，也不包含为获得中国矿业大学或其他教学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作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，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应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：.摘要抛掷爆破和拉铲倒堆作业是我国特大型露天煤矿的一种新型开采工艺，本文针对我国第一个采用抛掷爆破和拉斗铲倒堆作业新工艺的黑岱沟露天煤矿出现台阶破坏问题和作业参数优化的需要，开展拉斗铲台阶稳定性评价和合理参数研究。论文基于现场工程地质调研和理论研究工作，建立了边坡工程力学模型，综合应用极限平衡法和数值模拟技术对拉斗铲实体台阶和松散台阶稳定性影响因素和变形演化规律进行了系统的研究，确定了黑岱沟露天煤矿实体台阶和作业台阶合理参数。研究成果用于该矿设计与生产，取得了明显的效果，同时为拉斗铲倒堆作业新工艺在我国的应用研究、工程设计与生产管理提供了有效的依据。关键词：露天煤矿，拉斗铲，开采工艺，台阶稳定性，台阶参数AbstractThecastingblastplusdraglinestrippingminingtechnologyisanewkindofminingtechnologyintheoversizesurfacemineinourcountry.Inthispaper,theproblemthatthereareslopedestructionoccurredindraglineoperationandtheoptimizationofoperatingparametersinHeidaigouSurfaceCoalMineisresearched.Basedonfieldresearchandtheoreticalanalysis,RigidBodyLimitEquilibriumMethod,andcomputernumericalsimulationtechnologyaresyntheticallyusedtoresearchthestabilityofthehighsolidbenchandtheloosenbenchthatwasformedafterblastingusedindraglineoperations.ThenthereasonablebenchparameterswereidentifiedanditwasverifiedinHeidaigouSurfaceCoalMine,atthesametime,italsoprovideseffectiveaccordationfortheappliedresearch,engineeringdesignandplantsupervisionofdraglinestrippingminingtechnologyinChina.Keyword:Surfacecoalmine;Dragline;Stabilityofbench;Operationparameters详细摘要黑岱沟露天煤矿是目前我国产量最大、也是国内第一个采用抛掷爆破和拉斗铲倒堆开采新工艺的露天煤矿。由于抛掷爆破以及拉斗铲作业在国内是首次应用，无论是理论研究、工程设计还是生产实践上均有许多亟待解决的问题。黑岱沟露天煤矿原设计的拉斗铲倒堆实体台阶高达70m左右，由于岩层节理裂隙发育、受台阶载荷和抛掷爆破爆破振动的影响，拉斗铲倒堆台阶坡面出现了片帮、塌落等现象，对露天煤矿生产，特别是高台阶下的采煤作业造成安全威胁。迫切需要对拉斗铲倒堆实体台阶和松散台阶的稳定性进行深入的研究，以确定拉斗铲倒堆台阶稳定、合理的作业参数。本文经过理论分析、实验室研究、现场调研等研究手段，绘制拉斗铲作业台阶典型断面爆破前后素描图，统计黑岱沟露天煤矿的岩层特征、结构、岩性、岩石物理力学指标及结构面的性质等，确定拉斗铲实体高台阶和拉斗铲作业松散台阶的物理力学指标，使用刚体极限平衡方法、简化毕肖普法和FLAC3D力学数值模拟，分别计算不同台阶参数、不同外部影响因素下拉斗铲台阶的安全系数，综合分析拉斗铲倒堆作业台阶的稳定性，提出拉斗铲台阶的合理作业参数，为黑岱沟露天煤矿的生产决策提供依据，同时为拉斗铲倒堆作业新工艺在我国的应用研究、工程设计与生产管理提供了参考。本文在深入分析和总结有关研究成果的基础上，通过现场调研、理论和数值模拟研究，主要完成如下几个方面的工作。（1）现场调研了拉斗铲倒堆台阶岩体变形与破坏状况。拉斗铲倒堆作业之前，必须采用抛掷爆破对6煤以上40m左右的岩石台阶进行抛掷爆破。抛掷爆破产生巨大的地震波，加之该部分岩层节理裂隙发育等原因，拉斗铲倒堆实体高台阶在开采过程中不同程度地发生片帮、垮塌，给台阶穿孔、爆破，特别是高台阶下的采煤作业产生一定的安全威胁。（2）拉斗铲实体台阶和作业松散台阶稳定性研究。通过选取典型断面，采用各种力学方法，对拉斗铲实体高台阶和松散作业台阶在不同参数、不同状态下的安全系数进行分析计算，并对影响拉斗铲实体高台阶破坏的影响因素进行了敏感性分析。依据稳定性研究结果，确定了拉斗铲实体台阶在留煤柱时以及松散作业台阶的合理参数。本文取得了如下研究成果：（1）采用刚体极限平衡法分析黑岱沟露天煤矿拉斗铲作业实体高台阶的楔形体破坏的边坡稳定性。采用固定某一台阶高度，逐个改变坡面角，然后固定另一高度，再改变坡面角，如此计算各个高度和坡面角下的安全系数。台阶高度计算范围为58~70m，增幅为1m，坡面角的计算范围为60°~65°，增幅为1°。根据上述原则，利用刚体极限平衡法计算1-1断面（煤层25m，岩层33~45m）、2-2断面（煤层27m，岩层31~43m）、3-3断面（煤层28m，岩层30~42m）的台阶稳定性，考虑上部是否有载荷（无钻机和有钻机）、是否含水（旱季、雨季）、是否受爆破振动影响等三种情况及其组合影响情况下边坡的安全系数。结果表明，1-1断面在受三因素组合影响情况下，坡面角为60°时，台阶高在58~67m的范围内，Fs1.20，为稳定状态。2-2断面在受三因素组合影响情况下，坡面角为60°时，台阶高在58~59m的范围内，Fs1.2，为稳定状态。3-3断面在受三因素组合影响情况下，坡面角60°时，台阶高在58~65m的范围内，Fs1.2，为稳定状态；坡面角61°时，台阶高在58~61m的范围内，Fs1.2，为稳定状态；坡面角62°时，台阶高在58m时，Fs1.2，为稳定状态。同时，使用正交试验法对影响边坡稳定的主要因素进行敏感性分析。分析结果表明，四个因素对稳定性影响关系如下：坡面角＞台阶高＞内聚力＞内摩擦角。坡面角对安全系数的影响是非常显著的，即坡面角是影响拉斗铲实体高台阶稳定性的敏感因素。（2）拉斗铲作业松散台阶是爆破后的松散岩体经推土机平整和压实后形成的，可以看作是半松散半连续介质，采用极限平衡法中的简化毕肖普法。拉斗铲站立于爆堆上，作业水平标高距煤层顶板分别取15m和22m，计算拉斗铲作业松散台阶的稳定性。拉斗铲作业水平距煤层顶板15m时计算结果表明，瑞典条分法计算的安全系数为1.027，简化毕肖普法计算的安全系数为1.103，临时边坡是基本稳定的。拉斗铲作业水平距煤层顶板22m时计算结果表明，瑞典条分法计算的安全系数为0.998，简化毕肖普法计算的安全系数为1.055，临时边坡是基本稳定的，但存在一定的安全风险。（3）使用FLAC3D数值模拟软件对拉斗铲系统实体高台阶和拉斗铲作业松散台阶的稳定性进行了模拟分析。模拟拉斗铲系统实体高台阶的稳定性时，分别对1-1断面、2-2断面、3-3断面分煤层坡面角75°、岩层坡面角65°和煤层坡面角75°、岩层坡面角60°两种情况进行模拟。结果与传统极限平衡法计算的台阶稳定性的结论是一致的。运用FLAC3D有限元数值模拟方法和UDEC离散元分析方法模拟拉斗铲作业松散岩石台阶的稳定性，拉斗铲作业水平标高距煤层顶板分别取15m和22m，两种计算结果进行了对比分析，并对应力、应变、位移、速率、塑性区分布及安全系数进行了动态的研究。研究得出目前的松散岩石已经与爆破时产生的松散岩石的实际意义有了较大的不同，并究其原因，从严格意义上讲，本文研究的松散岩石更属于半连续半松散介质。所得结果与传统极限平衡法计算的台阶稳定性的结果相差甚小。（4）在力学模拟的基础上，在岩层底部煤层中留一定宽度（3-5m）的煤柱，煤层倾角设为90°，岩层厚度38m，煤层厚度保持不变的情况，进一步分析计算实体台阶的稳定安全作业参数。西区采用刚体极限平衡法计算其台阶的安全系数，东区采用瑞典条分法和简化毕肖普法进行计算。最后确定拉斗铲实体高台阶合理参数为：留煤柱（其坡面角90°）宽度4m，煤层上部岩石实体高台阶高38m，岩石坡面角65°，采宽80m。关键词：露天煤矿，拉斗铲，开采工艺，台阶稳定性，台阶参数DetailedAbstractHeidaigouSurfaceMineisaoversizesurfaceminewhichhasthemostoutputandmostminingtechnology,anditisthefirstsurfaceminewhichtakestheminingtechnologyofcastingblastplusdraglinestrippingminingtechnology.LotsofproblemsdemandingpromptsolutionappearedonboththeoryandpracticebecausetheminingtechnologyofcastingblastanddraglinestrippingminingtechnologyarefirstlyappliedinChina.TheheightofdraglinestrippingsolidhighbenchinHeidaigouSurfaceMineisabout70meters,thedraglinesolidhighbenchslopewascollapsedandappearedribspallingdifferentdegreesbecauseoffracturedrockjoints,loadsandblastingvibrationofcastingblast.Thusgavecertainsafetythreattosurfacemineoperation,especiallyminingoperationsunderthehighbench,thusitisnecessarytoresearchthestabilityofdraglinehighsolidbenchanddraglineloosebenchdeep