露天與地下聯合開采的目的是有效利用露天開采與地下開采的優勢互補,同時盡量減少雙方的耦合影響。在聯合開采過程中,它們的相互作用主要表現在三個方面:壹是地下開采弱化了其影響區域內的邊坡巖體,激活了邊坡系統內部的軟弱結構面,使因露天開挖卸荷而進行應力狀態調整的邊坡系統再次受到擾動,容易導致邊坡失穩災害的發生。二是露天開采的卸荷效應也會對地下開采產生影響,特別是露天爆破等動荷載的反復加載,會導致巖體松動,甚至巷道圍巖失穩。第三,由於其影響域的重疊,其開采效應疊加、耦合、放大,導致災害發生。
根據這三個方面,我們可以分析影響安全的現有或未來的風險因素。針對這些風險因素,進行探測、測試和風險分析,為下壹步的監測、預警和處理提供依據。
中國國際咨詢公司對平朔安家嶺開井之間的巖體(邊坡)穩定性技術進行了技術咨詢研究。通過現場調查,分析了露天聯合開采對露天礦邊坡及周邊建築物安全的影響。選擇和確定典型剖面的方法用於檢查危險。
也可以采用上述調查方法,先調查風險因素,再確定典型剖面開展工作。
(1)典型剖面的選擇原則
1)通過現場踏勘、調查和分析,選擇現狀邊坡中動力穩定性較差的代表斷面;
2)分析判斷受地下開采和采煤沈陷影響最大的上窯排土場和露天礦邊坡中的代表性斷面;
(三)地下開采和采煤沈陷可能影響和危及地面重要建築物安全的相應地段;
4)地下開采和露天開采共同作用下邊坡穩定性最不利的代表斷面。
(2)根據上述原則選擇的典型斷面
1)典型剖面(3-3 '剖面)位於上窯排土場西南。
該剖面位於上窯外排土場的西南部,走向為NE60。雖然離首采區有壹定距離,但環軌位於坡腳,西南坡下有火藥庫。最大排高150m,坡腳14,基底土層20m,傾角約8 ~ 10。該剖面區域的邊坡穩定性直接關系到環線和火藥庫的安全。
2)上部窯頭西南的典型剖面(4-4 '剖面)。
該段位於上窯外排土場西南,C-C '段東南,走向NE60。上窯井礦區由於地下開采沈陷,環線位於坡腳,高壓架空線沿坡通過。基底土層厚5m,傾角約5°。
選擇上窯西南兩個剖面的主要原因是:邊坡呈傾斜狀,靠近坡底的地面上有重要建築物,排土場下有地下開采,地面沈降後可能危及排土場邊坡的穩定性。
3)上窯傾卸場東西區域內皮帶輸送線之間斜坡的典型剖面(C-C '剖面)。
該段位於上窯外東部排土場之間運輸線的斜坡典型地段,兩側為上窯井礦區,東側為西街井礦區,走向為SW78。西排高度104m,坡角16,基底土厚度23m,傾角2°左右;東排高度67m,坡角12,基底土層傾斜。該剖面區的邊坡穩定性對運輸通道的安全和露天礦的正常剝離運輸生產至關重要。
4)露天聯合開采南端上窯排土場典型剖面(F-F '剖面)。
該剖面包括南側邊坡下部邊坡和上窯西排土場(下部為井采首采區),是典型的整體邊坡高度最高、井采和露天聯合作用影響最大的剖面。4號煤層底板以上,距地表邊坡220m高,其中側坑南側下側邊坡高度為130m,傾角29°,巖層倒轉,傾角約2°;西排土場邊坡高90m,坡角20°,土層厚度18m。上窯井礦區4號煤層埋深105~165m,寬度240m..剖面南部有高壓架空線路、帶狀走廊和鐵路運輸線。因此,該段是壹個重要的、有代表性的典型斷面,對露天開采影響最大,邊坡穩定性受露天開采和地下開采結合影響最大,地面有重要構築物。
5)露天開采結合露天工人的北側露天非開采區典型剖面(E-E剖面)。
該剖面為無露天開采區的地下開采區南側露天礦山北端的邊坡剖面,走向NE0,9#煤層底板距地面高差180m,邊坡角29°,土層厚41m,巖層傾角約5°。生產井的主斜井和副斜井都在北坡附近;北端巖層沿斜坡傾斜,黃土層中的粘土層和4#煤頂板的風化層是兩個軟弱層。2002年,1300平板、1360平板、1375平板出現裂縫。端側平巷采煤;整體坡角為31,局部邊坡最大坡角在40°以上。所以相比較而言,它是露天和地下開采共同作用下,對下邊坡穩定性影響最差的地段之壹。
圖8-14露天聯合開采位置和典型剖面位置
6)露天礦區斜井井口邊坡典型剖面(X-X '剖面和Y-Y '剖面)。
露天采礦斜井井口區邊坡雖然不高,但處於重要位置,是人員和物資進出斜井的通道,邊坡下方有重要的工業設施和建築物,其穩定性直接影響人員、設備和重要設施的安全。這是露天礦區地下開采安全必須分析和考慮的重要環節。
根據以上典型剖面,開展具體的調查、測試、分析、監測、預警、安全防控技術研究。
8.2.1.2調查
調查影響露天聯合開采安全的危險因素的目的是查明危險因素區(或選定的典型剖面區)的工程地質和水文地質條件。該方法還采用了露天開采和露天礦區的調查方法,需要註意兩者重疊區域的巖體變化規律。重點加強對工程地質條件、水文地質條件以及開井綜合影響所造成的特征的調查。
以露天煤礦邊坡工程地質勘察為例:
(1)邊坡工程地質勘察內容
1)邊坡的巖體巖性、產狀、結構、新構造運動、區域地質特征、巖石風化程度和水文地質特征;
2)礦區水文、氣象、地震資料,爆破等采礦工程活動;
3)邊坡穩定性、邊坡變形和滑坡調查與分析;
4)巖體結構類型及工程地質分區。具體內容包括:
①巖石名稱、顏色、礦物成分、結構特征、巖層產狀及含水狀態、軟弱層(面)的產狀、分布規律、接觸關系及接觸面特征;
(2)與邊坡穩定性有關的地質構造,包括斷層的性質和產狀、破碎帶的寬度和程度、斷層面的特征、充填物以及斷層與地下水的關系;裂縫的性質、產狀和發展程度,裂縫帶的寬度和填充物;褶皺的形態、類型、產狀和特征;
③松散和風化巖石的巖性和風化程度,與堅硬巖石的接觸關系及接觸面特征;
(4)含水層的巖性、厚度、裂隙或巖溶發育狀態及特征;出水口位置、流量變化、水質、水源及回灌路線;
⑤地下水對邊坡穩定性的影響程度。
(2)邊坡工程地質勘察應按以下步驟進行:
1)現場收集相關資料,包括現場邊坡的地質、水文、氣候資料,確定邊坡的巖體結構、成分和產狀;
2)收集相關的勘探報告、鉆探資料、地質剖面圖和邊坡以前的位移監測資料;
3)結合上述數據確定邊坡剖面線的位置,在能夠代表邊坡巖體性質的邊坡剖面線上確定鉆孔位置;
4)露天礦邊坡鉆孔應嚴格按照《巖土工程勘察規範》(GB50021[38])的相關技術要求進行;
5)整理、分析、評價邊坡工程地質勘察資料,編制露天邊坡工程地質勘察報告。
(3)井產影響下邊坡工程地質和水文地質條件的變化及趨勢。
8.2.1.3測試
試驗的目的是確定危險影響區或典型剖面內巖土的物理力學性質,包括影響前和與露天開采相互作用下巖土的物理力學性質、變化規律和發展趨勢。該方法還采用了露天開采和地下開采的巖體物理力學性質測試方法,增加了露天開采和地下開采聯合影響下巖體物理力學性質的變化規律和發展趨勢
以露天礦邊坡巖土物理力學性質測試為例。
(1)邊坡巖土物理力學性質測試內容
1)抗剪強度試驗,包括巖樣、原位巖體、松散巖土的直剪或三軸壓縮抗剪強度試驗。直剪儀用於巖土樣品的直剪;三軸儀用於巖土樣品的三軸抗剪;原位巖體直剪試驗采用原位巖體直剪試驗系統;大型三軸儀試驗系統用於顆粒巖土的大型三軸試驗;
2)確定巖土物理性質,包括密度、含水量、比重、邊界含水量、壓縮、固結、滲透等。
3)抗壓強度、點荷載強度和變形參數(彈性模量、泊松比等)的確定。)的巖土樣本;
4)軟巖或泥質層流變試驗,用直剪流變儀測定長期強度和各種流變參數;
5)不同含水量巖土的物理力學性質試驗。
(2)邊坡巖土物理力學試驗方法
邊坡的物理力學性質應按國家相關標準(如《土工試驗方法標準》、《工程巖體試驗方法標準》GB/T50123[41]、GB/T50266[40])進行測試。)、煤炭行業煤巖試驗標準(MT)和水利水電行業巖石試驗和土工試驗標準。
(3)巖體強度評價
巖體強度評價主要是確定用於邊坡穩定性分析的指標參數。結合上述試驗結果,選擇合適的巖體強度評價理論、滑坡反分析結果和巖土性質類比結果,綜合確定影響露天聯合開采邊坡的物理力學性質指標,特別是抗剪強度指標,並選擇其進行邊坡穩定性分析。
(4)邊坡模擬試驗
根據露天礦邊坡穩定性分析、滑坡模式和破壞機理分析的需要,根據邊坡巖體的實際賦存條件、地質剖面和巖土工程性質,應采用底摩擦模型法或相似材料模型法進行邊坡模擬試驗,獲取邊坡變形破壞和滑坡模式。試驗方法按MT/T675《露天煤礦邊坡模擬試驗方法》進行。
(5)上述測試評價內容應包括聯合露天開采影響前後巖體的物理力學性質,特別是性質的變化規律和發展趨勢。
8.2.1.4影響安全的風險因素分析
風險因素分析的主要目的是分析影響露天開采安全的風險因素的類型、時空關系、影響和危害程度,提出監測、預警和預防對策等初步建議。分析方法可以采用以下兩種方法:
(1)參照《煤礦企業應急預案編制導則和方法》,進行情景模擬進行風險分析。通過調查、考察,分析危險因素的種類、範圍(時空關系)、大小和危害程度,監測預警系統,采取技術和管理措施,有效控制和降低事故發生的概率。在此基礎上,還可以編制影響安全風險因素的露天職工和工人聯合開采應急預案。
風險因素分析和相應的應急預案應具有針對性、可操作性、科學性、協調性、強制性和規範性。
(2)根據國土資源部《地質災害勘查、設計和風險評估方法》,對地質環境條件和影響因素引發的地質災害風險進行分析和分類。例如2.5.1中介紹的撫順西露天礦,露天邊坡受勝利礦開采影響的地質環境分類(塌陷滑動區)及相應的地質災害危險區和安全區。在分類的基礎上,分析風險因素的類別、範圍、大小和危害,提出初步的防範措施。