柴佳美 孫家愷

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；

3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司)

L工作面露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡及圍巖的移動(dòng)變形機(jī)理分析

柴佳美1,2,3孫家愷2,3,4

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；

3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司)

以某煤礦L工作面露天轉(zhuǎn)地下開采為例，應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)露天邊坡和地下開采上覆巖體的應(yīng)力場及位移場進(jìn)行了詳細(xì)分析，歸納出了L工作面煤礦在露天轉(zhuǎn)入地下開采時(shí)圍巖的力學(xué)環(huán)境變化特點(diǎn)和移動(dòng)變形規(guī)律。在從里向外的地下開采過程中，工作面前后煤壁及周圍巖體更易發(fā)生應(yīng)力集中，邊坡和采空區(qū)上覆巖體的移動(dòng)矢量指向采空區(qū)，使邊坡角減小，坡高降低，有利于邊坡穩(wěn)定。

露天轉(zhuǎn)地下 應(yīng)力場 位移場 移動(dòng)變形規(guī)律

露天礦山開采轉(zhuǎn)入地下開采時(shí)，必須對(duì)整個(gè)礦區(qū)巖土體的應(yīng)力場和位移場進(jìn)行準(zhǔn)確分析,才能采取合理的防范措施。張亞民[1]基于GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的高應(yīng)力區(qū)露天轉(zhuǎn)地下開采引起的巖體變形規(guī)律，并對(duì)理論分析誤差用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證；宋衛(wèi)東[2]采用物理相似材料模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采過程中圍巖的破壞機(jī)理及移動(dòng)范圍進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；史秀志[3]用 FLAC3D分析了不同跨度D及立柱厚度d下采空區(qū)圍巖的變形及破壞特征，并用FISH語言定義巖石剪切破壞的摩爾-庫侖判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了單元體剪切破壞判據(jù)值及其他關(guān)鍵參數(shù)在運(yùn)算過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，最終為施工設(shè)計(jì)提供合理工藝參數(shù)；趙海軍[4]在利用GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)得到巖體位移變形的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬對(duì)巖體力學(xué)環(huán)境進(jìn)行了研究，探討了圍巖移動(dòng)變形、應(yīng)力場分布和破壞機(jī)理；李揚(yáng)[5]采用ANSYS和FLAC3D聯(lián)合建立了三維模型，研究了塌陷區(qū)回填和不回填兩種情況對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采形成的高陡邊坡的影響，通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，得出了其影響規(guī)律。由于數(shù)值模擬有著能對(duì)礦區(qū)巖體進(jìn)行定性分析及所用模型所涉及圍巖種類較為詳細(xì)、更為準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。本文將應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)某煤礦L工作面露天轉(zhuǎn)地下煤礦的應(yīng)力場和位移場進(jìn)行詳細(xì)分析，并歸納L工作面露天轉(zhuǎn)地下邊坡巖體的移動(dòng)變形特點(diǎn)，對(duì)露天轉(zhuǎn)入地下開采提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況及模型的建立

該煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市東南45 km，處于桌子山煤田公烏素精查區(qū)3#～17#勘探線。該礦煤田是石炭二疊紀(jì)地層，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)。礦區(qū)內(nèi)地表絕大部分為第四系風(fēng)積砂覆蓋，局部區(qū)域出露石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組地層。

煤田以桌子山背斜為主體構(gòu)造，其西翼平緩，東翼較陡。西翼受崗德爾-西來峰逆斷層影響，表現(xiàn)為不對(duì)稱向斜，西翼較陡，東翼平緩，桌子山地區(qū)主要構(gòu)造線方向均近于南北方向。公烏素礦區(qū)位于桌子山煤田南部，西來峰逆斷層以西拉什仲廟背斜向南傾沒部分。該礦區(qū)工程地質(zhì)條件良好，不會(huì)對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)有較大影響。其巖體力學(xué)參數(shù)見表1 。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)實(shí)測(cè)剖面圖，以實(shí)測(cè)Ⅰ-Ⅰ剖面為分析對(duì)象(見圖1)建立數(shù)值模型，主要地層有砂巖、泥巖、煤層等。模擬計(jì)算時(shí)需要考慮地表排土場附加荷載的影響，排土場高15 m，坡角35°，距離露天坡肩約30 m，邊坡角為51°。模擬地下采掘從里面煤層向外部露天采坑方向開采，數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 實(shí)測(cè)Ⅰ-Ⅰ剖面地層分布

圖2 三維數(shù)值模擬模型示意

2 露天轉(zhuǎn)地下開采上覆巖體移動(dòng)演變規(guī)律分析

2.1 應(yīng)力場演變特點(diǎn)分析

圖3為露采后的初始應(yīng)力場。由圖3可知，在露天轉(zhuǎn)入地下開采前,露天邊坡體較為穩(wěn)定,未出現(xiàn)應(yīng)力集中超過巖體極限承載力的情況。在自重作用下，主應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主。Z向(豎向)應(yīng)力分布均勻，從地表向下逐漸增大，應(yīng)力場呈現(xiàn)出平行的條帶分布，過度連續(xù)；大部分巖體水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力，巖體處于剪應(yīng)力狀態(tài)下，露天采場坑底邊坡腳附近巖體的剪應(yīng)力呈環(huán)形分布，有剪應(yīng)力集中的趨勢(shì)，若進(jìn)行地下開采，極易造成剪壓破壞，導(dǎo)致露天境界邊坡巖體喪失其坡腳及周圍巖體的支撐，出現(xiàn)大范圍的牽引式邊坡失穩(wěn)。

圖3 初始應(yīng)力場分布云圖

露天轉(zhuǎn)入地下開采后，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)不斷增加，圍巖臨空面持續(xù)增大(見圖4)。

圖4 工作面推進(jìn)時(shí)Z向應(yīng)力云圖

在地采推進(jìn)過程中，Z向應(yīng)力等值線在采空區(qū)推進(jìn)面的前后煤壁附近匯聚，壓應(yīng)力集中，同時(shí)由于臨空面增加，采空區(qū)頂板和底板周圍應(yīng)力得以釋放，壓應(yīng)力減小，有向拉應(yīng)力發(fā)展的趨勢(shì)；隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，采空區(qū)前后煤壁附近巖體壓應(yīng)力集中程度加劇，其中后側(cè)壁在工作面推進(jìn)200 m時(shí)壓應(yīng)力高達(dá)9.23 MPa，與地采100 m相比增加了2.3 MPa，超過了圍巖抗壓強(qiáng)度，說明在采空區(qū)前后側(cè)壁處容易出現(xiàn)圍巖破碎，為了保證安全生產(chǎn)需要加強(qiáng)支護(hù)；頂板和底板周圍巖體應(yīng)力得到充分釋放，壓應(yīng)力減小的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，量值為0.017 MPa，極易出現(xiàn)頂板圍巖拉裂縫，造成塌方,底板壓應(yīng)力已很小，巖體臨空面增大將導(dǎo)致底板周圍巖體約束減少，底板會(huì)發(fā)生一定范圍的隆起。

從圖5所示的XZ平面剪應(yīng)力云圖來看，地下采空區(qū)在采動(dòng)初期就會(huì)發(fā)生剪應(yīng)力集中，主要分布在幾何外觀變動(dòng)較大的巖體周圍，工作面前后側(cè)壁附近巖體均有應(yīng)力集中區(qū)域，且以頂板與側(cè)壁重合處的拐角平面為中心向周圍擴(kuò)展。隨著臨空巖體增多，應(yīng)力集中程度加劇，最大剪應(yīng)力3.513 MPa，已經(jīng)接近巖體承載力極限，極易造成剪切破壞，影響整體穩(wěn)定性。特別之處是，與初始應(yīng)力場相比較，在露天轉(zhuǎn)入地下采動(dòng)后，露采邊坡的坡腳處剪應(yīng)力集中現(xiàn)象得以改善，這是有利于邊坡穩(wěn)定的。

圖5 工作面推進(jìn)時(shí)XZ平面剪應(yīng)力云圖

2.2 位移場演變特點(diǎn)分析

如圖6所示，Z向(豎向)位移場在地采工作面推進(jìn)的同時(shí)不斷調(diào)整演變，主要表現(xiàn)為煤層頂板以上巖體下沉，底板巖體產(chǎn)生不同程度的底鼓，這與應(yīng)力場的變化趨勢(shì)是一致的。煤層上覆圍巖的豎向位移越靠近采空區(qū)主斷面量值越大，其分布等值線為拱形。由于開采深度較淺，工作面開采尺寸較大，開采引起的上部巖體豎向位移使得地表發(fā)生的下沉較大，形成了沉降盆地，盆地中心在采空區(qū)主斷面上方，且隨著工作面向前推進(jìn)不斷移動(dòng)。在地采100 m 時(shí)，地表下沉最大值為5.456 m，隨著開采空間繼續(xù)擴(kuò)大，上覆巖體產(chǎn)生不同位移繼續(xù)以拱形的發(fā)育形態(tài)逐步向上傳遞，從而使得上部巖體不斷彎曲下沉，最終發(fā)育到地表。在推進(jìn)到200 m時(shí)，上覆巖層移動(dòng)的范圍和位移量進(jìn)一步增大，盆地中心下沉量高達(dá)7 m。此外，在露采邊坡上，地采影響域內(nèi)的巖體表現(xiàn)向下向采空區(qū)移動(dòng)，而影響域以外的巖體則有微量的隆起，易在邊坡上出現(xiàn)分層裂縫，但由于坡體高度減少，對(duì)邊坡的穩(wěn)定是有利的。

圖6 工作面推進(jìn)時(shí)Z向位移云圖

由圖7X向(水平)位移場得知，地表水平位移隨著工作面的推進(jìn)而逐漸增大，采空區(qū)兩側(cè)上方地表形成兩個(gè)方向相反的等值圈，水平位移矢量均指向采空區(qū)一側(cè)，工作面前后煤壁上方地表水平位移出現(xiàn)最大值，主要是因?yàn)樵诘乇砀鱾€(gè)區(qū)域中，煤壁上方地表受開采影響最大。但是對(duì)于露采邊坡的穩(wěn)定性來講，由于地下采動(dòng)效應(yīng)與邊坡滑移效應(yīng)的矢量相反，減小了邊坡體的滑移力，有利于邊坡的穩(wěn)定。

圖7 工作面推進(jìn)時(shí)X向位移云圖

2.3 露天轉(zhuǎn)地下開采滑移機(jī)理

在露天開采所形成新的山體結(jié)構(gòu)、荷載、應(yīng)力場環(huán)境下，轉(zhuǎn)入地下開采使整個(gè)采區(qū)的巖體變形趨勢(shì)更為復(fù)雜。從山坡體破壞滑動(dòng)面來說，主要體現(xiàn)在地下采動(dòng)效應(yīng)造成已經(jīng)達(dá)到平衡的露天開采作用效應(yīng)活化，并形成了兩種采動(dòng)效應(yīng)相互影響、相互作用和相互疊加的復(fù)合動(dòng)態(tài)疊加效應(yīng)。假設(shè)露天開采完畢達(dá)到平衡應(yīng)力狀態(tài){σ0}，每次地下采動(dòng)將引起應(yīng)力變化{ΔσDi}，第i次采掘后平衡應(yīng)力狀態(tài)變化為{σi}={σ0}+{ΔσD1}+{ΔσD2}+{ΔσD3}+…+{ΔσDi}，即復(fù)合動(dòng)態(tài)疊加體系[6-8]。

圖8為受地下水、風(fēng)化及巖體流變性等因素的影響，邊坡巖體產(chǎn)生的變形。在此條件下進(jìn)行地下開采，將會(huì)破壞邊坡巖體內(nèi)部的應(yīng)力平衡關(guān)系，從而使巖體內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生變化，邊坡巖體會(huì)再次產(chǎn)生移動(dòng)與變形，其中受外界條件影響的邊坡巖體位移矢量為Ui，地下采動(dòng)引起的位移矢量為Vi，合成矢量為Wi，兩者合成矢量方向要根據(jù)各自的大小和兩者之間的夾角來確定。隨著圍巖臨空面增大，邊坡巖體受擾動(dòng)程度也隨之增加，采動(dòng)效應(yīng)的影響區(qū)域也會(huì)擴(kuò)大，但地下采動(dòng)效應(yīng)對(duì)邊坡巖體的不同空間位置的影響是有所差異的。因此，地下采動(dòng)與邊坡巖體本身變形所產(chǎn)生的疊加結(jié)果在各個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出來的特點(diǎn)不同，合成矢量角大則有利于邊坡穩(wěn)定。

圖8 露天轉(zhuǎn)地下開采巖體滑移示意

如圖9所示，L工作面煤層開采過程中，上覆巖體主要體現(xiàn)出地下采動(dòng)效應(yīng)的特性，移動(dòng)方向指向采空區(qū)；受地下開采誘發(fā)坡體的移動(dòng)方向與坡體自身的滑移效應(yīng)方向相反，合成矢量角大于90°，疊加結(jié)果相互抵消一部分，在地下采動(dòng)影響域內(nèi)，合成矢量指向采空區(qū)，巖體移動(dòng)使邊坡坡高降低，坡角變緩，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。

圖9 煤層開采中上覆巖體移動(dòng)變形示意

3 結(jié) 論

(1)L工作面露天轉(zhuǎn)地下開采時(shí)，容易在露天邊坡腳和工作面推進(jìn)過程中的前后煤壁圍巖附近發(fā)生應(yīng)力集中，造成巖體破壞；采空區(qū)頂板和底板應(yīng)力會(huì)大幅度減小，其中頂板易出現(xiàn)斷裂，底板易發(fā)生巖體隆起。開采過程中需實(shí)時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控和支護(hù)，保障安全生產(chǎn)。

(2)在地采過程中，Z向(壓)應(yīng)力等值線在采空區(qū)推進(jìn)面的前后煤壁附近匯聚，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在后煤壁處，高達(dá)9.23 MPa；采空區(qū)頂板上覆巖體壓應(yīng)力充分釋放，有大幅度降低；XZ平面(剪)應(yīng)力集中區(qū)以頂板與側(cè)壁重合處的拐角平面為中心向周圍擴(kuò)展，隨著臨空巖體增多，應(yīng)力集中程度加劇，最大剪應(yīng)力為3.513 MPa。

(3)越靠近采空區(qū)主斷面，Z向(豎向)位移量值越大，分布等值線呈拱形；由于位移的不斷發(fā)展使得地表的下沉較大，形成了沉降盆地，盆地中心在采空區(qū)主斷面上方，且隨著工作面向前推進(jìn)不斷移動(dòng)；X向(水平)位移主要發(fā)生在地表，地采過程中，在采空區(qū)兩側(cè)上方地表處形成兩個(gè)方向相反的等值圈，水平位移矢量均指向采空區(qū)一側(cè)，并在工作面前后煤壁上方地表Z向位移出現(xiàn)最大值。

(4)地下采動(dòng)效應(yīng)占主導(dǎo)因素，大部分巖體的水平位移矢量與邊坡的滑移效應(yīng)相反，方向指向采空區(qū)一側(cè)，最終露天邊坡滑移效應(yīng)與地下采動(dòng)效應(yīng)的合成矢量使邊坡高度降低，坡角變緩，有利于邊坡穩(wěn)定。

[1] 張亞民，馬鳳山，徐嘉謨，等.高應(yīng)力區(qū)露天轉(zhuǎn)地下開采巖體移動(dòng)規(guī)律[J].巖土力學(xué)，2011，32(1)：590-595.

[2] 宋衛(wèi)東，杜建華，楊幸才，等．深凹露天轉(zhuǎn)地下開采高陡邊坡變形與破壞規(guī)律[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(2)：145-151．

[3] 史秀志，黃剛海，張 舒，等．基于FLAC3D的復(fù)雜條件下露天轉(zhuǎn)地下開采空區(qū)圍巖變形及破壞特征[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，42(6)：1710-1718

[4] 趙海軍，馬鳳山，李國慶，等.充填法開采引起地表移動(dòng)、變形和破壞的過程分析與機(jī)理研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008,30(5)：670-676.

[5] 李 揚(yáng),梅林芳,周傳波.露天轉(zhuǎn)地下崩落法開采對(duì)高陡邊坡影響的數(shù)值模擬[J].礦冶工程,2008,21(3):14-18.

[6] 孫世國．復(fù)合采動(dòng)對(duì)邊坡巖體變形與穩(wěn)定性影響的研究[D].北京:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，1998.

[7] 孫世國，蔡美峰，王思敬．地下與露天復(fù)合采動(dòng)效應(yīng)及邊坡變形機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5):563-566．

[8] 孫世國，蔡美峰，王思敬．露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡巖體滑移機(jī)制的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(1):126-129．

Deformation Mechanism Analysis of Rock Slope and Surrounding Rock of L Working Face Moving from Open-pit to Underground Mining

Chai Jiamei1,2,3Sun Jiakai2,3,4

(1.Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization；3.Beijing Mine Safety Engineering Technology Research Center; 4.China Coal Research Institute Co.,Ltd.)

Taking a L working face of open-pit to underground mining in a coal mine as an example, based on the numerical simulation software FLAC3D, combining with the geological conditions of mining area and numerical simulation results, the stress field and displacement field of the open-pit slope and the rock overlying of the under ground mining are analyzed. The characteristics of the mechanical environmental changes and the movement deformation law are summarized. During the underground mining process from the inside out, the surrounding rock stress concentration phenomenons are more likely happening at the coal walls in front and after of the L working face. The slope and overlying rock of goaf motion vector point at the goaf, so that, the slope angle of the slope is decreased, the slope eight is reduced, so, it is benefit to slope stability.

Open-pit to Underground Mining, Stress field, Displacement field, Movement deformation Law

2015-04-03)

柴佳美(1983—)，女，碩士，100013 北京市朝陽區(qū)青年溝路5號(hào)。