王俊峰，陳 娟

1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部，北京 100083

2.中國專利技術(shù)開發(fā)公司，北京 100083

1 概況

從20 世紀(jì)70 年代以來，很多露天開采的礦山都面臨著一個共同的問題，即隨著露天開采的延伸，剝離費用不斷增加，所形成的高陡邊坡將給礦山帶來嚴(yán)重威脅，造成露天開采成本不斷增加，多座露天礦相繼開始轉(zhuǎn)入地下開采階段，如：鳳凰山銅礦，銅官山鐵礦等[1]。

撫順西露天礦是多年風(fēng)化的巖質(zhì)邊坡，巖體由巖塊和一系列的不連續(xù)面組成的，這些不連續(xù)面包括：斷面、節(jié)理裂隙和軟弱夾層等，而巖體的強度取決于巖體強度、不連續(xù)面的分布形態(tài)和力學(xué)特征。在大多數(shù)情況下，不連續(xù)面的變形能力是巖塊的幾個數(shù)量級。因此，在研究時忽略巖塊的變形，把巖塊視為剛體，去研究受不同力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)面控制的巖體運動規(guī)律，在本次研究中主要用到離散單元法，應(yīng)用軟件為UDEC2D3.10。

西露天礦北幫的地質(zhì)構(gòu)造特征主要有褶曲構(gòu)造、斷層構(gòu)造和節(jié)理構(gòu)造，構(gòu)成北幫的始新世地層都具有相似的節(jié)理破壞類型，其層理和兩組較發(fā)育的節(jié)理通常都呈直立[2]。

2 沿工作面走向開挖的動態(tài)過程模擬

2.1 模擬方案

數(shù)值模擬軟件為UDEC2D3.10[3]。設(shè)計的計算模型如圖1 所示（黑色體為煤）。模型的走向長度600 m ，垂直高度300 m，開采深度－280 m。煤層假設(shè)為水平煤層，厚度40 m。距煤層底板80 m 處是40 m 厚的油母頁巖，其上部為厚160 m至20 m 不等的回填材料，材料的力學(xué)性能見表1。

圖1 沿工作面走向巖層分布示意圖

表1 模擬結(jié)果

本次模擬采用采放高為20 m 的方案，模擬開挖長度為200 m ，開挖推進步距為10m。

2.2.1 位移場特征

1）監(jiān)測線上的位移特征

模型從開切眼（W1000 處）自西向東開始推進，分別在－220 m 標(biāo)高煤層頂面、－180 m 標(biāo)高油母頁巖頂面、－160 m 標(biāo)高回填材料中設(shè)置了三條監(jiān)測線，分別監(jiān)測豎向下沉位移。每條監(jiān)測線上取60 個監(jiān)測點，對應(yīng)三條監(jiān)測線下沉曲線如圖所示。

圖2 標(biāo)高-220m 監(jiān)測線位移下沉變化曲線

圖3 標(biāo)高-180m 監(jiān)測線位移下沉變化曲線

由圖2 可知：當(dāng)工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層下沉位移發(fā)生明顯增加，由推進到90 m 時1.61 m 的下沉量增加到3.40 m ，煤層發(fā)生破斷。當(dāng)推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的5.07 m 增加到7.24 m ，上覆煤層發(fā)生周期破斷。工作面繼續(xù)推進到180 m ，巖層發(fā)生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，達(dá)到0.5 m。

由圖3 可知，初次破斷、第一次周期破斷和第二次周期破斷仍然分別發(fā)生在工作面推進至100 m、140 m、180 m 處。值得注意的是，位移下沉量較－220 m 標(biāo)高監(jiān)測線上的位移下沉量有所減小。當(dāng)工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層位移下沉量發(fā)生明顯增加，由推進到90m 下沉1.13 m 增加到下沉2.30 m ，煤層發(fā)生初次破斷。當(dāng)推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的2.95 m 增加到4.41 m ，上覆煤層發(fā)生第一次周期破斷。工作面繼續(xù)推進到180 m ，巖層發(fā)生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，最大達(dá)到0.9 m。最大豎向位移下沉量由11 m 減小到5.98 m。這也說明：油母頁巖強度大，有效控制了開采擾動引起豎向位移的向上傳遞。

圖4 標(biāo)高－160m 監(jiān)測線位移下沉變化曲線

從圖4 可知，當(dāng)工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層位移下沉量發(fā)生明顯增加，由推進到90 m 下沉0.88 m增加到下沉1.81 m ，煤層發(fā)生初次破斷。當(dāng)推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的2.49 m 增加到3.29 m ，上覆煤層發(fā)生第一次周期破斷。工作面繼續(xù)推進到180 m ，巖層發(fā)生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，最大達(dá)到0.75 m?；靥畈牧吓c油母頁巖和煤層同步協(xié)調(diào)變形。油母頁巖頂面的最大下沉量減小為4.5 m。

2）上層覆巖的變形特征

模型從開切眼（W1000 m 處）開始推進，推進步距為10 m。當(dāng)工作面推進到70 m 時，采空區(qū)頂板彎曲下沉較為明顯，采空區(qū)直接頂在重力應(yīng)力場及其上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動緩沉帶和彎曲、斷裂直至垮落，但老頂未發(fā)生破斷。當(dāng)工作面推進到100 m 時，巖層局部破壞與冒落，頂板的彎曲下沉更為明顯。老頂以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向運動，產(chǎn)生斷裂、離層。裂隙帶由于巖層運動引起采場周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，成層狀彎曲巖層的下沉，使垮落破碎的巖塊逐漸被壓實。當(dāng)工作面推進至140 m 和180 m 時，破斷連續(xù)發(fā)生，并伴隨冒落。當(dāng)開采范圍足夠大時，成層狀彎曲巖層將傳至地表，在地表形成引起地表沉陷變形盆地。

2.2.2 上層覆巖的應(yīng)力場特征

從工作面開切眼開始，采場圍巖的最大主應(yīng)力分布隨著開采的推進發(fā)生不同的變化。當(dāng)工作面推進30 m 時，擾動影響的范圍不大，此時除局部應(yīng)力重分布以外，對上覆巖層影響不大。當(dāng)工作面推進70 m 時，頂板圍巖發(fā)生破壞，形成圍巖松動區(qū)，此時的圍巖應(yīng)力顯示出層狀拱形結(jié)構(gòu)，拱高大約為33 m ，上覆巖層的荷載通過拱形結(jié)構(gòu)傳遞到采空區(qū)兩幫。當(dāng)工作面推進100 m 時，由于頂板發(fā)生了破斷，說明直接頂已經(jīng)發(fā)生冒落并在較小范圍內(nèi)形成拱形“小結(jié)構(gòu)”。但此時在上層覆巖彎曲帶中仍然存在一個拱形“大結(jié)構(gòu)”傳遞上覆巖層荷載，從而形成圍巖的自平衡結(jié)構(gòu)。此時拱形大結(jié)構(gòu)的拱高大約為65 m。工作面繼續(xù)推進至140 m ，隨著跨度的增加，拱內(nèi)巖體的自重增加，單個拱形結(jié)構(gòu)體無法承擔(dān)上覆巖層荷載和自重，產(chǎn)生應(yīng)力重分布形成了兩個拱形小結(jié)構(gòu)。影響上層覆巖范圍分別達(dá)到60 m 和22 m。拱內(nèi)巖體應(yīng)力降低，并在重力作用下垮落形成墊層。當(dāng)工作面推進到180 m 時，左側(cè)的拱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)垮落比較完全，影響到上層覆巖55m 范圍，右側(cè)拱形結(jié)構(gòu)體應(yīng)力處于重新調(diào)整中，并有逐步增加的趨勢。

3 結(jié)論

通過對沿工作面走向的綜放面及圍巖的離散元分析，得出以下結(jié)論：

1）由不同監(jiān)測線位移下沉曲線可知：當(dāng)工作面推進到100 m、140 m、180 m 時，下沉量發(fā)生明顯增加，說明上覆巖層在工作面推進過程中產(chǎn)生了破斷；

2）上層覆巖的移動是非線形的，距頂板的距離越近，下沉量越大，其余監(jiān)測點也出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象。且各條監(jiān)測點間存在一定程度的離層；

3）隨著工作面的不斷推進，覆巖運動范圍逐漸擴大。采場上方的裂隙拱由小到大逐漸向上方巖層擴展，并呈現(xiàn)周期性跳躍發(fā)展；

4）從工作面開切眼開始，采場圍巖的最大主應(yīng)力分布隨著開采的推進發(fā)生不同的變化。并形成“拱形”的大結(jié)構(gòu)和小結(jié)構(gòu)以傳遞上層覆巖荷載和自重。拱內(nèi)巖體在重力作用下垮落形成墊層。

[1]徐長佑.露天轉(zhuǎn)地下開采[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989，3.

[2]撫順礦務(wù)局西露天礦北幫邊坡穩(wěn)定性研究[M].煤炭科學(xué)研究總院撫順分院，1990，12.

[3]UDEC2D(3.10).User’s Manual Itasca Consulting Group Ind.Minnesota USA，1996.