露天与地下联合开采条件下的地表移动研究

摘要

露天矿通常采用地表和地下联合采矿法，以提高产量和利润。然而，在综合开采条件下，采矿作业规模的提高导致了更剧烈的岩层移动和大规模的地面破坏。本文利用物理模型评估了顶板移动特征随长壁工作面推进的渐进发展及其对边坡地区地面移动的影响。还包括在综合开采条件下识别地层带。研究结果表明：（1）强顶板的破坏形成了一个反拱状的块体结构，将塌陷区的松散岩石碎片压实；（2） 在扰动地层结构顶部的逆结构上方出现岩层分离，并随着工作面推进向上延伸，直至接近连续弯曲区；（3） 大规模多矿层开采作业会产生更强烈的岩层移动和地面损害，而对于强度较小的单矿层开采，则会在扰动结构中识别出规则且更明显的岩层带；密集、大规模的地下开采活动增加了露天开采边坡的岩层移动。这项研究表明，从地面控制的角度来看，在地表和地下联合开采条件下，采矿活动的强度较低。

1.介绍

由于经济原因，地表采矿法主要用于开采浅层储量，而深部煤层则采用地下采矿法。地表与地下联合采矿法是指在露天矿使用地下采矿法开采储量[1］.地表和地下开采可以同时进行，也可以分开进行(同时和非同时联合开采)。在铁矿的情况下，地表和地下联合开采已经被Bakhtavar进行了广泛的研究。他定义了联合开采领域的两个主要问题,即找到一个可行的地下采矿方法的露天矿同步和异时联合开采优化时间表从地表采矿过渡到地下洞穴,尤其是在异时模式(2］.对于非同时联合开采情况，由随机数学模型确定地表转地下开采的最优时间，并综合考虑地质和经济模型确定铁矿转地下开采的有利深度[3.那4.］.岩土工程方面的挑战被确定为诱发应力、下沉和矿山结构的不稳定性，可以通过优化顶柱尺寸来减轻或消除这些问题[5.］.从尺寸分析计算柱的最佳尺寸，以平衡岩土问题和经济效益[6.］.在煤矿开采领域，根据煤层倾角可将联合开采系统分为两类[7.］.对于急倾斜煤层，在浅部进行露天矿开采，而在更深的深度使用地下工作面(通常是长壁放顶煤法)采煤。另一方面，地表和地下开采的近平煤层几乎在同一水平进行开采。在我国多家煤矿进行了几十年的联合采煤实践，生产和经济效益进一步提高。然而，人们直观地认为，开采引起的地表移动会更加剧烈，从而对上覆岩层和地面结构造成更大的破坏，特别是当地下长壁工作面接近露天矿山或排土场的边坡时。这不仅是由于开采规模和强度显著增加，而且由于露天矿浅层覆岩不太可能形成自支撑结构。因此，联合采矿法与其他采矿技术在采出岩层形态(即露天矿边坡)和由于地表和地下开采活动的广泛规模所引起的地表移动改善方面存在差异。数字1显示了山西省安家岭矿的地表和斜坡台阶的地表移动情况。地表多次受到地表和地下开采活动的影响，地表观测到大量裂隙，边坡地层出现剪切运动。

在以往的研究中，顶板垮落行为的数值和物理模型经常被记录下来，以了解采动裂隙的渐进发展和岩层移动的机理。模型考虑了地面移动的面推进速度[8.]，塌陷和裂缝区高度的延伸[9.]、长壁工作面破坏和盾构-地层相互作用[10-12，以及护盾上的冲击载荷[13］.这些模型不考虑组合的表面和地下采矿方法。太阳认为，由于地面和地下采矿活动引起的地面运动区域的重叠，因此对地面的损坏增强了[14］.zhu等。优化实心煤柱的尺寸（位于地下长墙面的一端到斜坡边缘），以提高斜坡的稳定性[15那16］.刘等人。分析了临界距离的影响（从垂直于上斜面的斜面位置处的斜面位置的距离）对斜率的故障，它们提出了适当的地下挖掘序列[17］.然而，这些模型主要考虑了基坑边坡的稳定性和运动;不包括地表和地下联合覆盖层中三个区域的分布情况。

大多数研究人员都广泛接受了垂直和水平方向上的三区的运动[18那19].长壁开采引起的扰动上覆岩层在垂直方向上可分为三个区域，即空穴区（i区）、破碎区（II区）和连续弯曲区（III区），如图所示2[18］.破碎带进一步划分为破碎岩块带、垂直裂缝贯通带和水平分隔带[18那19]在中国内蒙古的浅层煤矿中，这三个带可以减少为两个带，顶部没有连续变形带，其顶部覆盖层主要是未分解的松散地层[20那21]。因此，随着工作面推进，断裂带延伸至地面，导致地面广泛移动。三个区域（尤其是断裂带）的高度与废气和水的连通性密切相关[22]，可由经验公式确定[23-25]、数值及物理模型[26-28，垂直井眼观测[29那30]微震监测方法[31］.同时，根据表面沉降曲线，覆盖层的运动也可以沿水平方向划分为三个区域。三个水平区域被识别为固体煤支撑区（曲线显示最小变形和沉降率的区域A），分离区（区域B，床分离主要发生的区域）和再兼容区（区域C，其中松散区域中的松散羊泡材料和裂缝区中的水平床分离进行重新涂覆，表面沉降达到最大值）。

本文试图从物理模型上研究地下开采对覆岩运移和边坡稳定性的影响。模型配置是在某露天矿不同地质区段进行选择的。工作中的3种模型包括不同的工作面尺寸:相邻煤层开采和多煤层开采。本文的研究目标有三个:(1)获得地表和地下联合开采条件下顶板破坏和采动岩层移动的渐进发展规律;(2)识别受扰动覆岩的垂直和水平带;(3)评价地下开采活动对边坡的影响。

2.模型开发

2.1。矿井描述

本研究中具有代表性的物理模型基于山西省平朔市安家岭露天矿的地质和开采条件，该矿采用地表和地下联合采矿法开采矿场的第4层和第9层。4号煤层的总厚度为8.6–16.8 m，平均值为13.64 m、 4号煤层上方的直接顶板为砂岩，平均厚度为7.33 m、 煤层上方偶见软弱泥岩和砂质泥岩，但随工作面推进而塌陷。4号煤层下方的直接顶板主要为泥岩，其下方为6.9–16.7 m厚9号煤层，平均13.8 m、 两个近平坦煤层之间的岩层为17.0–57.2 m（平均31.1 m） 4号和9号煤层的工作深度为170–250 m采用露天采矿法。目前，该煤矿也在采用地下长壁放顶煤法开采煤层。地下长壁工作面宽度为240 m、 而长壁面相对于边坡的长度和位置应根据其对地面移动和边坡稳定性的影响来确定。

2.2。相似性原理和建筑材料

在这项工作中，使用物理建模方法再现了地面运动的渐进发展和露天矿使用地表和地下联合采矿方法的边坡稳定性。物理建模的一个最重要方面是，物理模型必须遵循许多相似性原则，根据这些原则，模型和原型案例（全尺寸案例）的物理特征应在几何、时间、密度和强度方面相似。因此，可以将物理模型中的测量值与实际情况进行比较。上述系数定义为小规模物理模型上相应实际情况参数的比率，必须保持为常数，这是根据建模材料的机械性能和物理建模设备的尺寸确定的[8.那12］.在该工作中，几何，时间，密度和强度相似度系数分别确定为250,10,1.47和147。

仔细选择适当的地质力学建模材料以构建实际代表地层运动的物理模型。在这项工作中，建筑材料是砂，石膏和石灰的混合物，具有适当比例的水。在加入水之前，固体材料完全混合以确保一般均匀性。通过试验和误差过程仔细确定物理材料的比例，使得地层可以以与实际情况类似的方式表现和塌陷。物理材料的比例和机械性能在表格中给出1和2， 分别。

2．3.物理建模钻机和模型准备

本研究中使用的二维应变平面物理建模设备为500 厘米长，40 厘米宽，150 厘米高（见图3.）.框架比传统的框架大，以便包含大规模的表面和地下采矿活动。首先将物理材料放置在建模钢框架中，然后压实到设计的高度。物理模型由层构造层，以确保模型的总体强度和高度。第4号和第9号接缝和图中所示的地层4(一)在这项研究中，在雅诗林露天矿进行了建模。物理模型的右侧是由先前表面挖掘产生的斜率，而地下长墙面目前在从左侧开始的物理模型操作。物理模型具有沿左侧和右侧和底部的滚轮边界。数字3.显示物理模型的整体几何形状。注意，在这项工作中，几何相似性为250：1;因此，500厘米长的物理模型在实际情况下模拟总共1250米。

在本研究（模型I，II和III）中开发了三种模型，用于代表学习的矿山的三个地质部分。在模型我，面对一个₁和脸₂总共有200名学生 m位于4号煤层上部，然后是500 m面B的展开₁在下面的9号缝中。A 50 A工作面之间保持m宽的实心煤柱₁和₂．在模型II中，面B₂和B的脸_3.位于9号煤层下部，作业总距离分别为170 m和370 m。两工作面之间留有50米宽的实心煤柱。在模型III中，面B_4.在9号煤层共开采500米。该模型用于研究地表移动的渐进发展、顶板岩层的垂直位移和边坡的位移场。本研究采用三维数字近景工业摄影测量系统，对长壁巷道上方岩层垂直位移进行精确、快速、自动、连续的测量。利用数字散斑相关法记录边坡变形场，得到边坡区域的地面移动情况。与传统的电子经纬仪相比，摄像机测量系统可以获得更精确的地层移动结果。

3.结果和分析

3.1。模型I.

数字5.绘制模型I中地面运动的渐进发展，以恢复4号和9号煤层。A面₁首先在上部煤层开采。井面距离钻机左边界约180米。随着工作面推进，采空区顶板有规律地出现崩落，在工作面推进120 m后，崩落带高度达到煤层上方10 m(图)5（a））.随着工作面进一步发育50米，更多的砂岩顶板弯曲，形成一个反向的拱形结构(见图中的虚线)5（b）），在预先塌方的松散材料下方被压实。在受干扰的覆盖层顶部的拱形结构上方也观察到床分离，其在接缝上方42.5米延伸。面对A.₁促进30米并在200米的开发共有30米后停止。在此期间，立即屋顶洞穴在面部前进（图5（c）)盾构上方的主顶板梁一端固定在固煤工作面一侧，另一端由反拱结构支撑。因此，顶板的收敛性应较小，且长壁盾构的荷载条件在该位置应更好。

A面完成后₁，a 50 上一个工作面A之间留有m宽的煤柱₁和相邻的活动面A₂．A工作面岩层移动规律₂如图所示6.，与前一张脸相似。随着工作面的发育，破碎层的延伸程度增大。A面完工后也达到了42.5 m₂总共200人 m面推进（图6（c）).但是，A面受干扰配置的外形尺寸₂比上一个稍大，且采空区材料较少被上述反拱状地层压实。煤柱上方的覆盖层（由图中的蓝点线勾勒）6（c））保持稳定和完整。对于两个面板，在大约26°处发现了断裂角（定义为垂直线之间的角度和柱子上方的稳定地层的边缘）。由于压缩稳定配置和邻接压力，固体煤柱可能会产生。可能发生矿井危险，例如猛烈的煤爆发和柱子或矿山条目的非凡变形。

多煤层开采作业的影响包括在采矿工作面B中₁在上缝完成两个面后的下缝中。在开始时，立即屋顶随着面部前进的垃圾场坍塌，但主屋顶保持完整，并且塌陷高度尚未达到上部接缝中的先前挖出的垃圾箱（图7（a）和7（b）).换句话说，B面扰动地层₁下部煤层未到达上部采空区；上部采空区和下部采空区分开。由于上覆岩层压力通过先前的上部采空区部分释放，因此盾构工作面和长壁工作面在该位置的装载条件应更好。工作面已发展到200 m、 当达到悬挑长度极限时，主屋顶塌陷（图7（c））.两煤层之间的顶板通道完全破坏，上部采空区坍塌。活动面的垮落带向上延伸并与上采空区连通。这可能会增加顶板来压强度和盾构荷载。巷道形成压实采空区下物料的逆拱结构和支撑覆岩的承重结构。在该结构上方的采空区顶部产生了巨大的分离。上下两张脸的破裂角度是相似的。

面对B₁向上述煤柱位置推进（图7（d））.上面的稳定配置（坐在两个上面之间的煤柱上，见图6（c）)将上覆岩层压力转移至主动长壁面板和护盾。因此，预计工作面稳定性差，护盾推进难度大。只有在工作面通过煤柱区域后，露天工作面区域的载荷环境才能恢复到先前的水平。然后，工作面在上部采空区下方推进A面面积₂（数字7（e）).顶板通道发生故障时，下部采空区连接上部采空区（图7（f））.

面对B₁经过500米的脸部开发后停止。地面运动的最终视图和水平和垂直方向上的三个区域显示在图中8.．区域与图中所示的典型区域标识不同2因为多煤层开采。多煤层开采增加了地表移动的强度和延展性。在长壁工作面起始位置上方的地表观测到大量的地面裂缝，以及斜坡台阶上地层的剪切运动。这与图中所示的现场观测结果一致1．

数字9.显示了9号煤层以上各层沿工作面长度的垂直位移。一般情况下，位移在A面中间位置最大₁和₂并在两个工作面之间的实心煤柱上方达到一个较小的平台。由于实心煤柱上方存在稳定结构，因此形成了两个峰形曲线。还应注意到，较深的地层（靠近9号煤层）显示出较大的垂直位移，但15号煤层的顶板除外 煤层上方的m表示最小的垂直位移，并在该水平稳定（见蓝线）。这与其他两条峰值曲线不同，因为屋顶在15 9号煤层上方的m位于两个煤层之间的顶板通道中；因此，位移仅代表采矿工作面B的岩层移动₁而不是为了提取多个接缝。

使用数字散斑相关方法记录斜率区域的垂直位移。它可能不会产生斜率位移场的最精细的细节，但是可以获得地下挖掘活动对斜坡行为的一般影响。数字10在完成面部后显示位移场₁,一个₂, B₁人脸A的提取₁对斜坡沉降显示有限的影响（图10 ())，因为面A的完成位置₁距离坡面积超过250米。位移的大小随着面的完成而增加₂B₁(数据10（b）和10 (c))因此，可以推断，随着采矿活动规模和强度的增加，边坡移动逐渐增加。

3.2。模型II

在模型II中，面B₂B_3.在下部煤层中，采用50 m煤柱留在两个面板之间。上述4号煤层未开采。随着B工作面的推进，岩层移动₂如图所示11．崩落高度随工作面推进向上延伸(图)(11日)-11（c））.逆拱结构压实了采空区垮落的松散物质(图)11（d）).脸B₂170后停止 m面部发育。

相邻的面孔b_3.是在之前的B面完工后开采的₂.工作面推进时，直接顶板塌陷。松散采空区材料定期放置在采空区内，形成塌陷区（图12（a）和12（b））.随着工作面进一步发育，受扰动覆岩向破碎带发展，采空区矸石被逆拱结构压实(图)12（c）-12 (e)）.随着工作面在每个工作面位置的推进，在受扰动结构顶部的巨大床层分离被关闭并重建(见图)12（a）-12 (e)).但是，床位分离的重新设置在370后终止 当扰动地层结构延伸至连续弯曲区时，工作面推进m（图12（f））.

数字13提供B面完成后岩层移动的最终视图₂B_3.．在垂直方向上识别出崩落带、破碎带和连续带，在水平方向识别出稳定带、分离带和再压实带。因为面对B₂仅延伸有限距离，未观察到弯曲区。相比之下，B面弯曲区_3.向地表发展，引起地表沉降和地表裂缝，其影响程度不及模型I。

模型II的顶板垂直位移如图所示14.最大位移约为6 我在15点钟的地层上测量 9号煤层上方m。它随着煤层上方距离的增加而减小，并减小至约3.2 m m代表165处的地层 煤层上方m。B面上方的屋顶垂直位移₂从9号煤层以上40m处开始不明显;因此，双峰曲线变为单峰曲线。还可以观察到，对于B面以上的垂直位移_3.，左侧曲线的斜率率大于右侧曲线，对应于B面左侧观察到的破碎分离区较多_3.（见图13）.

B面施工完成后边坡竖向位移等值线₂B_3.如图所示15．在脸部的停止时，整体垂直位移在-0.5至-1 m左右₂（数字(15日))， B面为−1 ~−1.5 m_3.（数字15 (b)）.斜坡面积的运动随着坡度接近斜坡[20］.

3.3。III型号

在III型，唯一的长墙脸，脸B_4.，在下部煤层开采。随着工作面推进，岩层移动的发展如图所示16．与模型一中多煤层开采相比，地表移动的整体强度和延伸程度有所减弱16（a）绘制延伸5的下部直接屋顶的洞穴 煤层上方m；直接顶板的洞穴出现在140处 工作面推进的m如图所示16 (b)，延伸至接缝上方12米。当工作面从起始位置向前推进75 m时，观察到顶板逆拱结构和垮落松散采空区物料压实情况(图)16（c））.延伸扰动的覆盖层达到接缝上方75米，在扰动配置的顶部有一个值得注意的床分离。310米的脸部开发后，扰动的地层在接缝后达到105米（图16（d）)。然后，地层以60°的速度延伸至地面 m工作面推进，其中床层分离关闭（图16（e））.破碎的地层的尺寸随着面部开发而逐渐增长，但一般配置看起来相似（图16（f）和16（g）).脸B_4.在工作面推进500米后停止。

数字17识别了B面完井后，在垂直方向上的垮落带、破碎带和弯曲带，以及在水平方向上的固体煤支撑的稳定带、离层带和重压实带_4.．由于面板之间没有柱子，所以区域没有重叠。因此，识别出的垂直方向和水平方向的带更明显，与图中的典型带相似2．与模型I和模型II相比，地表沉降和裂缝似乎不那么明显。断裂角度约为30°，与之前的模型相似。

9号煤层上方不同距离处地层的垂直位移如图所示18.岩层位移在稳定带与分离带交界处开始增加，在再压实带达到最大值。通常，靠近9号煤层的覆盖层位移较大。在15 在煤层上方m处，最大垂直位移约为3.8 m、 相比之下只有2个 165处垂直位移的m 我在缝上面。

表中给出了不同模型的屋顶垂直位移比较3.．由于崩落破碎带离层，比较煤层上方165 m处的位移更合适，这代表了连续弯曲带的地面移动。模型I的岩层位移最大，主要是多煤层开采活动密集所致，其次是模型II和模型III。模型II较浅的覆盖深度可能是造成相对较大的位移的原因。

B工作面完成后的边坡垂直位移场_4.如图所示19．整体垂直位移约为0 ~−2 m。与模式I和模式II相比，坡度移动略有减缓。边坡区域的地表移动可能取决于开采活动的强度和相对于矿山边坡的开采位置。随着开采强度的增加和长壁工作面向边坡的靠近，边坡移动也随之增大。

4.讨论和结论

随着露天矿规模的扩大，为提高产量和效益，煤矿开始采用井下长壁开采方法回收煤层。然而，由于地表和地下联合开采活动的密集和大规模，也可能增加地表移动和地表沉降。本文利用大型物理模拟实验台，模拟了某露天矿地表与地下联合开采过程中的地面运动。建立了顶板破坏特征、岩层移动过程、岩层垂直位移、水平方向和垂直方向分区识别3种物理模型。分析了地下开采对边坡区地表移动的影响。本研究的重要发现如下。（1）面对₁和₂上缝和面B₁在模型I中包括下部接缝中。面A₁和₂首先开采，然后开采Face B₁．在有能力的强顶板发生破坏时，形成逆拱型顶板结构。该构造压实了垮落带中的松散采空区物质，但在受扰动构造的顶部留下了层距。在人脸B提取过程中₁时，下煤层垮落破碎带与上煤层贯通延伸，导致覆岩大面积坍塌。大规模多煤层开采活动在边坡台阶上产生了大量地裂和剪切运动。连续弯曲区顶板最大垂直位移达6 m。（2）B面₁B₂在较低的接缝中，在模型II中开采。在两个面之间保持50米的煤柱。与模型I相比，地面运动很大。逆拱形结构上方的床分离随着面部前进而向上延伸，并且当它到达连续弯曲区域时闭合。仅观察到面部B上方的塌陷区域₁由于工作面前进距离有限，而在工作面B上方存在连续弯曲区₂．地表也存在地表裂缝，但明显小于多煤层密集开采产生的块状裂缝。连续带(9 #煤层以上165 m处)地层垂直位移约为3.2 m。（3）面对B_4.模型III下煤层共推进500 m。该面是模型中唯一的长壁面;因此，在垂向和水平方向上可以清楚地识别出三个带，且未见带间的叠加。完成后的破裂角度的面大约是30°，类似于其余的面。连续弯曲带地层垂直方向位移2 m。(4)边坡区域的地面移动主要受模型I中地下开采的影响，其次是模型II和III，降序排列。边坡移动的程度不仅随着开采活动的强度和规模，而且随着长壁工作面接近边坡而增加。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

中国国家自然科学基金资助项目（51974320, 51904082、51774184）、北京自然科学基金（2204080）、北京市教育委员会科技计划（KM20201009001）、北方工业大学（11005136002、107051360019XN134/017和107051360019XN134/020）非常感谢。

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30. V. Palchik，“风化的地下运作的风化覆盖的洞穴区的膨胀因子和范围，”岩石力学与工程学报，第79卷，第227-240页，2015年。浏览：出版商网站|谷歌学术
31. G. Cheng，T. Ma，C.唐，H.刘和王，“煤矿诱导地层运动的分区模型，基于微震监测，”岩石力学与工程学报， vol. 94, pp. 123-138, 2017。浏览：出版商网站|谷歌学术

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