丁鑫品，李紹臣，李 偉，艾 暢，周 游

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013)

平朔礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層平穩(wěn)，近水平，埋藏淺，適宜于大規(guī)模的露天開采，是我國典型的淺埋深、薄基巖、“雙硬”大型露天礦區(qū)。由于單一露天開采方式，造成了端幫下煤炭資源的積壓和浪費(fèi)。為了提高開采效率，最大限度地回采煤炭資源，平朔公司于2002年在安太堡露天礦和安家?guī)X露天礦之間建設(shè)了二號(hào)井工礦，率先在全國范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了由單一露天開采方式向露井協(xié)調(diào)開采方式的轉(zhuǎn)變。

露井平面協(xié)采不同于露井聯(lián)采，后者是傾斜或急傾斜煤層條件下，淺部采用露天開采，深部采用井工開采的上下部聯(lián)合開采模式;平朔礦區(qū)的平面露井協(xié)采問題，實(shí)質(zhì)是煤層近水平條件下利用井工開采方式回收露天礦端幫煤柱的問題，因?yàn)榇嬖谙嗷ビ绊?，露天和井工兩種開采方式之間更多的是一種平面上的協(xié)調(diào)。

處于兩個(gè)露天礦之間的井工二礦，主采4號(hào)和9號(hào)煤層，工作面南北并排布置，由北向南推進(jìn)，雙巷掘進(jìn)，傾斜長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，自然垮落法管理頂板。井采工作面開切眼位置位于安太堡露天礦南端幫下部，停采線位置位于安家?guī)X露天礦北端幫下部，對(duì)于安太堡礦南端幫邊坡來說，井采工作面朝著遠(yuǎn)離邊坡面的方向推進(jìn)，稱其為“逆坡開采”，對(duì)于安家?guī)X礦北端幫邊坡來說，井采工作面朝著靠近邊坡面的方向推進(jìn)，稱其為“順坡開采”。這兩種情況下，采動(dòng)邊坡的變形破壞規(guī)律是否具有差異性?在回收煤炭資源和保證邊坡穩(wěn)定方面誰更具優(yōu)越性?平面露井協(xié)采條件下井采工作面推進(jìn)方向如何優(yōu)化等問題具有重要的研究價(jià)值。

1 平面露井協(xié)采下采動(dòng)邊坡的變形破壞機(jī)理

以平朔礦區(qū)露井協(xié)采區(qū)域某地質(zhì)剖面為研究對(duì)象，建立工程地質(zhì)分析模型，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的方法對(duì)露井協(xié)采邊坡的變形破壞機(jī)理展開研究，研究模型見圖1所示。

井采工作面順坡開采和逆坡開采的典型相似材料模擬實(shí)驗(yàn)照片見圖2所示，圖中S表示位移，F(xiàn)分表示某一巖梁施加給邊坡巖體的力。

如果以井采工作面煤壁煤層頂板位置為基點(diǎn)，依據(jù)巖層移動(dòng)角和采空區(qū)垮落角繪制采空區(qū)移動(dòng)邊界和垮落邊界，按照位移情況可以將采動(dòng)邊坡上覆巖土體劃分為A，B，C三個(gè)區(qū)域。C區(qū)是位于垮落邊界內(nèi)的巖體，井采后主要表現(xiàn)為豎直方向的沉降，水平位移量較小;B區(qū)是位于垮落邊界和移動(dòng)邊界內(nèi)的巖體，井采后由于C區(qū)巖體垮落而失去側(cè)向支撐作用，表現(xiàn)為朝向采空區(qū)方向一定程度的水平位移和一定程度的豎向沉降;A區(qū)是位于移動(dòng)邊界外的巖體，一般情況不受井采影響，水平和豎直位移特征不明顯。順坡開采和逆坡開采過程中邊坡附近巖體變形破壞分區(qū)見圖3所示。

圖1 露井協(xié)采邊坡變形破壞機(jī)理研究模型

圖2 平面露井協(xié)采條件下采動(dòng)邊坡的變形破壞特征

根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采動(dòng)邊坡變形破壞機(jī)理可以表述為:在井采工作面推進(jìn)過程中，邊坡上部巖體因失去下部支撐而發(fā)生下沉，由于巖層的抗拉強(qiáng)度較小，在垮落邊界位置，基本頂巖梁先在兩側(cè)支座的上端裂開，而后在梁的中間底部破斷，隨著巖塊的轉(zhuǎn)動(dòng)形成強(qiáng)大的水平擠壓力F分，該F分的合力F是邊坡上部平盤朝向臨空面方向移動(dòng)的源動(dòng)力，當(dāng)該力大小超過某巖層接觸面的抗滑力時(shí)，該接觸面上部巖體將作為整體發(fā)生朝向臨空面的滑動(dòng)，產(chǎn)生這種推動(dòng)力的結(jié)構(gòu)即為基本頂?shù)摹捌鲶w梁”結(jié)構(gòu)。

圖3 平面露井協(xié)采條件下采動(dòng)邊坡附近巖體變形破壞分區(qū)

為了深入了解采空區(qū)垮落裂縫位置巖梁鉸接點(diǎn)的水平應(yīng)力特征，在邊坡1330臺(tái)階巖體內(nèi)布置3個(gè)水平應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)分別為1330－1，1330－2和1330－3。數(shù)值分析結(jié)果表明:井采工作面逆坡開采條件下，在上覆巖層發(fā)生初次破斷的瞬間，各監(jiān)測點(diǎn)的水平壓應(yīng)力有明顯減小的現(xiàn)象，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，壓應(yīng)力又逐漸增大，當(dāng)積聚到一定程度時(shí)，由于1330臺(tái)階發(fā)生朝向邊坡臨空面的整體移動(dòng)，應(yīng)力突然釋放，最終水平應(yīng)力遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力 (圖4)，從而進(jìn)一步說明了破斷巖梁鉸接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的推力是促使采動(dòng)邊坡上部平盤發(fā)生水平移動(dòng)的根本原因。

圖4 井采工作面推進(jìn)過程中+1330臺(tái)階各監(jiān)測點(diǎn)水平應(yīng)力變化曲線

2 2種開采條件下邊坡變形破壞的差異性

2.1 邊坡巖體變形破壞范圍

已有文獻(xiàn)資料表明［1－3］:在露井協(xié)采條件下，井采工作面無論順坡開采還是逆坡開采，工作面煤壁側(cè)垮落角均小于開切眼側(cè)垮落角，本次實(shí)驗(yàn)重復(fù)驗(yàn)證了上述現(xiàn)象，兩者相差約為7～9°，分析原因?yàn)椴煽諈^(qū)上方巖梁結(jié)構(gòu)的破斷機(jī)制不同所致，開切眼側(cè)垮落角源于采空區(qū)上覆巖體的固支梁結(jié)構(gòu)破斷，工作面煤壁側(cè)垮落角源于采空區(qū)上覆巖體的懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷。圖5(a)中α1和β1分別為順坡開采條件下工作面煤壁側(cè)和開切眼側(cè)的垮落角，α2和β2分別為逆坡開采條件下工作面煤壁側(cè)和開切眼側(cè)的垮落角。也就是說，在井采工作面開切眼或停采線位置相同的情況下，逆坡開采對(duì)邊坡上部平盤的影響范圍要大于順坡開采的相應(yīng)情況，即在邊坡上部平盤變形破壞范圍相同的情況下，順坡開采可以比逆坡開采多回收長度為L的煤柱，經(jīng)濟(jì)效益顯著，見圖5(b)。

圖5 井采工作面推進(jìn)方向?qū)吰伦冃纹茐姆秶挠绊?/p>

2.2 邊坡各平盤位移變化特征

相似材料模擬實(shí)驗(yàn) (相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相似比為1∶200)結(jié)果表明:順坡開采條件下，伴隨工作面煤壁位置巖梁鉸接的不斷向前移動(dòng)，邊坡巖體內(nèi)部的水平推力F不斷向前傳遞，當(dāng)工作面煤壁至邊坡臨空面的水平距離減小到一定程度時(shí)，上部平盤才逐漸發(fā)生朝向臨空面的移動(dòng)，見圖6(a)和圖6(c);逆坡開采條件下，上述現(xiàn)象在采動(dòng)裂隙發(fā)展至地表時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生，邊坡上部平盤變形移動(dòng)量在短期內(nèi)達(dá)到最大，同時(shí)，這種情況下邊坡上部平盤沉降范圍較廣，沉降量較大，見圖6(b)和圖6(d)。分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因:井采工作面開切眼位置區(qū)域上覆巖梁破斷可簡化為固支梁結(jié)構(gòu)破斷，停采線位置區(qū)域上覆巖梁破斷可簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷，通過比較可知，逆坡開采條件下邊坡上覆巖梁旋轉(zhuǎn)角度較大 (圖2)，基于關(guān)鍵巖梁的變形失穩(wěn)理論［4］，促使邊坡上部平盤水平移動(dòng)的力F與旋轉(zhuǎn)角成正比，因此，在邊坡下部隔離煤柱尺寸一定時(shí)，逆坡開采對(duì)邊坡上部平盤變形移動(dòng)影響程度較大，不利于邊坡穩(wěn)定。

圖6 井采工作面推進(jìn)方向?qū)吰律喜科奖P變形移動(dòng)的影響

2.3 邊坡巖體水平應(yīng)力分布特征

在邊坡下部隔離煤柱尺寸一定時(shí)，井采工作面逆坡開采和順坡開采條件下邊坡巖體水平應(yīng)力等值線見圖7所示。

由圖7可以看出，井采工作面回采過程中，在采空區(qū)前、后煤壁位置正上方2個(gè)位置區(qū)域產(chǎn)生了水平應(yīng)力集中，通過與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比可知，破斷巖梁的鉸接結(jié)構(gòu)是以上位置水平應(yīng)力集中的根本原因。順坡開采條件下邊坡體內(nèi)部水平應(yīng)力最大值約3MPa，而在逆坡開采條件下該值約為9MPa，后者水平應(yīng)力集中程度明顯較大，從側(cè)面解釋了逆坡開采對(duì)邊坡上部平盤變形移動(dòng)影響程度較大的現(xiàn)象。

圖7 井采工作面推進(jìn)過程中邊坡巖體水平應(yīng)力等值線圖

2.4 邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

為了定量研究類似條件下順坡開采和逆坡開采邊坡變形破壞的差異性，以上述工程地質(zhì)剖面為研究對(duì)象，建立穩(wěn)定分析模型，采用極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)算過程中所需巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則獲得，以垮落裂縫為分界面，采空區(qū)垮落裂縫內(nèi)側(cè)巖土體采用受井采擾動(dòng)的巖土體強(qiáng)度參數(shù)，垮落裂縫外側(cè)巖土體采用未受井采擾動(dòng)的巖土體強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算所需主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 順坡開采和逆坡開采邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

計(jì)算結(jié)果表明，在露井協(xié)采邊界參數(shù)相同時(shí)，順坡開采時(shí)露天礦邊坡的穩(wěn)定系數(shù)要明顯大于逆坡開采時(shí)的相應(yīng)情況，順坡開采方式在進(jìn)一步縮小露井協(xié)采邊界參數(shù)、保證邊坡穩(wěn)定方面更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

(1)井采影響下，促使邊坡上部平盤發(fā)生朝向臨空面方向水平錯(cuò)動(dòng)的力是由邊坡正下方關(guān)鍵巖層的“砌體梁結(jié)構(gòu)”提供的。

(2)順坡開采或逆坡開采條件下，由于采空區(qū)上覆巖梁的破斷機(jī)制不同所致，露井協(xié)采邊坡變形破壞特征存在明顯差異，主要表現(xiàn)在邊坡巖體變形破壞范圍、邊坡上部平盤位移特征和邊坡巖體水平應(yīng)力分布特征等多個(gè)方面。

(3)通過對(duì)比分析，在平朔礦區(qū)類似地質(zhì)條件和采礦條件下，當(dāng)邊坡下部隔離煤柱一定時(shí)，順坡開采方式在保證邊坡穩(wěn)定方面更為有利，而在對(duì)邊坡穩(wěn)定影響程度一定的情況下，順坡開采方式可進(jìn)一步提高資源采出率，建議優(yōu)先考慮。

［1］朱建明，等.露井聯(lián)采技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］吳劍平，朱建明，成新元.露井聯(lián)采下邊界參數(shù)優(yōu)化的相似材料模擬研究［J］.中國礦業(yè)，2008，17(9):79－82.

［3］朱建明，劉憲漢，吳劍平，等.露井聯(lián)采下邊坡穩(wěn)定性的相似模擬研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，2(17):206－211.

［4］錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．