王文軍，史靈杰，武懋

（1中煤平朔集團(tuán)有限公司東日升煤業(yè)有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究中心，山西朔州036006）

井采影響下露天礦邊坡巖層移動(dòng)規(guī)律研究

王文軍1，史靈杰2，武懋2

（1中煤平朔集團(tuán)有限公司東日升煤業(yè)有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究中心，山西朔州036006）

在研究了Ⅱ型露井協(xié)采端幫變形機(jī)理，井工二礦采動(dòng)影響下安家?guī)X露天礦邊坡位移的變形規(guī)律，得出井工二礦采動(dòng)影響下露天礦邊坡位移呈現(xiàn)為典型邊坡蠕動(dòng)變形規(guī)律的結(jié)論。

露井協(xié)采；井采三帶；邊坡位移；蠕動(dòng)變形

0 引言

中煤平朔礦區(qū)是我國(guó)重要的億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地，先后建立了安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦和東露天礦。近年來(lái)，為減少煤炭資源的浪費(fèi)，在不適于露天開(kāi)采區(qū)域?qū)嵭新短炀ぢ?lián)合開(kāi)采的安全高效新模式，形成了中煤平朔集團(tuán)有限公司獨(dú)具特色的露天與井工聯(lián)合開(kāi)采模式。

在安家?guī)X露天礦北部和安太堡露天礦南部之間的不采區(qū)建立了井工二礦。井工二礦工作面由北向南開(kāi)采，開(kāi)切眼位于安太堡露天礦南幫，停采線位于安家?guī)X礦北幫下部。井工二礦29209工作面采掘至安家?guī)X露天礦北幫下部時(shí)，安家?guī)X露天礦北幫邊坡連續(xù)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，并在1 330、1 280 m水平沿軟弱夾層出現(xiàn)層位錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，邊坡形成了明顯的滑體，從而對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性造成影響。因此，需要對(duì)井工礦在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)露天礦邊坡沉陷變形區(qū)域、露井協(xié)采下露天礦邊坡穩(wěn)定性及井工礦合理停采線等問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 露井聯(lián)采模式簡(jiǎn)介

在同一礦區(qū)中存在露天礦與井工礦開(kāi)采，如果二者空間距離介于開(kāi)采相互影響范圍內(nèi)，即可認(rèn)為其形成露井聯(lián)采模式。而露井聯(lián)采模式可按照露天礦與井工礦煤層空間賦存情況和開(kāi)采時(shí)間先后順序，從空間與時(shí)間相互結(jié)合上可劃分為6種模型[1]。

1）按照煤層空間賦存情況，露井聯(lián)采分為Ⅰ型露井聯(lián)采和Ⅱ型露井聯(lián)采：Ⅰ型露井聯(lián)采，煤層為傾斜煤層，露天礦與井工礦不在同一水平面；Ⅱ型露井聯(lián)采，煤層為近水平或緩傾煤層，露采與井采在同一水平面。

2）按照煤層開(kāi)采順序，露井聯(lián)采分為以下3種類型：Ⅰ型為先期進(jìn)行井工礦開(kāi)采，后期進(jìn)行露天礦開(kāi)采，即井工礦轉(zhuǎn)露天礦；Ⅱ型為先期進(jìn)行露天礦開(kāi)采，后期進(jìn)行井工礦開(kāi)采，即露天礦轉(zhuǎn)井工礦；Ⅲ型為露天礦與井工礦同時(shí)開(kāi)采，即露井協(xié)采。

3）通過(guò)空間上將露井聯(lián)采分為Ⅰ型和Ⅱ型，從時(shí)間上將開(kāi)采順序分為3種類型，從而可以將露井聯(lián)采分為6類模式，露井聯(lián)采模型如圖1所示。

圖1 露井聯(lián)采模型

中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X礦區(qū)為近水平煤層，在同一水平開(kāi)采；其中安家?guī)X露天煤礦與井工二礦開(kāi)采同時(shí)開(kāi)采，按照上述標(biāo)準(zhǔn)安家?guī)X礦區(qū)為近水平露井協(xié)采，即Ⅱ型露井協(xié)采模式。

2 Ⅱ型露井協(xié)采模端幫變形破壞機(jī)理

露天井工聯(lián)合開(kāi)采相互耦合干擾，井工采動(dòng)中對(duì)露天礦邊坡的影響主要為“井采三帶”破壞了露天礦邊坡巖體，不僅使原生裂隙開(kāi)裂，產(chǎn)生新的導(dǎo)水裂隙帶，致使邊坡系統(tǒng)水文地質(zhì)條件改變；同時(shí)還改變了邊坡巖體結(jié)構(gòu)狀況，導(dǎo)致邊坡巖體變形，使邊坡巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，乃至引起邊坡失穩(wěn)。因此，需要從“井采三帶”高度對(duì)邊坡破壞規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 露井協(xié)采端幫位移影響區(qū)域

井工礦工作面根據(jù)上覆巖層位移的不同可以劃分為3部分（“三帶”）：垮落帶、裂隙帶和緩沉帶[2]。

1）垮落帶。在推進(jìn)方向上不能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。

2）裂隙帶。在采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運(yùn)動(dòng)，在推進(jìn)方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系，該部分巖層也是內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的主要壓力來(lái)源。

3）緩沉帶。在采場(chǎng)推進(jìn)很長(zhǎng)一段距離后才會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)緩慢，緩沉帶運(yùn)動(dòng)的最終結(jié)果是在地表形成沉降盆地?？迓鋷c裂隙帶的全部巖層為采場(chǎng)需控巖層范圍。

2.1.1 垮落帶高度

垮落帶高度一般為采高的2~3倍。即mz=（2～3）h。

2.1.2 裂隙帶的高度

裂隙帶的高度是隨著采場(chǎng)的推進(jìn)而逐漸擴(kuò)展的。實(shí)踐證明，裂隙帶中對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的1~2個(gè)下位巖梁厚度，也即老頂，厚度大約為采高的4~6倍。即mLX=（4～6）h。

平朔礦區(qū)主要開(kāi)采4#、9#、11#煤層，井工二礦開(kāi)采過(guò)程中對(duì)安家?guī)X露天礦邊坡的影響是沿軟弱層向露天礦方向的位移。因此，在露天礦邊坡附近主要研究近距離煤層開(kāi)采時(shí)“井采三帶”對(duì)露天礦邊坡影響高度，尤其是組合煤層開(kāi)采時(shí)裂隙帶高度。平朔礦區(qū)煤層三帶高度計(jì)算參數(shù)：4#煤均厚11 m，9#煤均厚12 m，層間距35 m；巖移角59°。

根據(jù)礦山壓力與巖層控制理論，當(dāng)層間距小于下煤層開(kāi)采形成的垮落帶高度，上下煤層的垮落帶高度重合。上煤層的裂隙帶高度按該層的厚度計(jì)算，下煤層裂隙帶最大高度按綜合開(kāi)采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最大值作為兩層煤的裂隙帶最大高度。

所以，4#煤和9#煤同時(shí)開(kāi)采時(shí)垮落帶高度：Mz=mz4+mz4=46～69 m

4#煤和9#煤同時(shí)開(kāi)采時(shí)裂隙帶高度：mLX=（4～6）h=44～66 m

即4#煤和9#煤同時(shí)開(kāi)采時(shí)，取垮落帶與裂隙帶的最大值為上覆巖層破壞影響值，其影響最大為135 m，對(duì)應(yīng)露天礦邊坡主要影響區(qū)域?yàn)? 335 m水平左右。

2.2 露井協(xié)采端幫邊坡破壞機(jī)理

單一露天礦開(kāi)采時(shí)端幫邊坡將應(yīng)力向邊坡臨空面釋放，從而引起邊坡變形，這種變形可通過(guò)對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)獲得變化情況，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可以確定露天礦邊坡的變形情況及邊坡滑動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

單一井工礦開(kāi)采時(shí)，由于開(kāi)采后形成地下巷道和采空區(qū)，破壞了巖體原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，形成新的應(yīng)力場(chǎng)，使采空區(qū)上覆巖體產(chǎn)生移動(dòng)。

Ⅱ型露井協(xié)采模式中露天礦端幫邊坡受到露天礦開(kāi)采和井工礦聯(lián)合采動(dòng)影響，兩者之間的應(yīng)力場(chǎng)的相互疊加、相互作用，井采影響下邊坡巖體變形機(jī)制示意圖如圖2所示[3-6]。

圖2 井采影響下邊坡巖體變形機(jī)制示意圖

3 安家?guī)X露天礦雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料

當(dāng)井工二礦29209工作面9#煤開(kāi)采距離停采線200 m時(shí)，露天礦剝離至9#煤，井工二礦與安家?guī)X露天礦開(kāi)采處于同一水平。井工采動(dòng)下，在地表1 410 m水平區(qū)域出現(xiàn)平行邊坡走向的裂縫，邊坡初期變形速率不超過(guò)10 mm/d，后期最大變形速率達(dá)到2.6 mm/h，邊坡變形主要區(qū)間為1 280~1 375 m水平，其中1 330 m水平位移量最大；因此，29209工作面采動(dòng)過(guò)程中，在地表1 410 m水平形成塌陷地裂縫，在1 280~1 375 m水平為工作面采動(dòng)應(yīng)力釋放區(qū)域及邊坡變形區(qū)域[7]。

當(dāng)29211工作面開(kāi)采9#煤時(shí)，該區(qū)域露天礦剝離至4#煤上部巖層。29211工作面靠近停采線時(shí)，井工礦采動(dòng)對(duì)邊坡變形影響較大，最大變形速度達(dá)到80 mm/d，當(dāng)井工礦停止采動(dòng)時(shí)露天邊坡變形趨于平緩，位移速率趨于0，井工采動(dòng)邊坡影響1 330~ 1 400 m水平間，其位移在450～850 mm，其中1 360 m水平最大位移量達(dá)1.4 m，因此，井工采動(dòng)對(duì)露天礦邊坡影響較大，井工采動(dòng)應(yīng)力釋放區(qū)域在1 330~1 400 m，其中1 360 m水平為主要應(yīng)力釋放區(qū)域。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，井工二礦開(kāi)采9#煤時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力釋放區(qū)域主要位于安家?guī)X露天礦邊坡1 280~1 375 m水平，與組合煤層開(kāi)采下與裂隙帶的影響水平相近。由于安家?guī)X露天礦采深不同，邊坡29209區(qū)間最大變形位置為1330，而29211區(qū)間最大變形位置為1360，而安家?guī)X露天礦坑在井工二礦29209工作面對(duì)應(yīng)區(qū)間較29211工作面對(duì)應(yīng)區(qū)間采深增加30 m左右，邊坡變形最大區(qū)域減低30 m。29209、20211工作面累計(jì)位移如圖3、圖4。

因此，安家?guī)X露天礦邊坡受井工二礦開(kāi)采“三帶”影響，主要為裂隙帶區(qū)域。安家?guī)X露天礦邊坡變形區(qū)域與井工二礦工作面之間的距離呈現(xiàn)比例關(guān)系，距離越近邊坡變形速率及位移增加越快；而安家?guī)X露天礦邊坡變形同時(shí)受到礦坑采深的影響，露天礦邊坡變形區(qū)域隨采深增加而向下延伸。

圖3 29209工作面累計(jì)位移

圖4 29211工作面累計(jì)位移

4 Ⅱ型露井協(xié)采數(shù)值研究

應(yīng)用有限元方法與離散元方法進(jìn)行結(jié)合的方法，模擬研究物體由連續(xù)體到非連續(xù)體的漸進(jìn)破壞過(guò)程。建立安家?guī)X露天礦與井工二礦9#煤工作面開(kāi)采時(shí)空模型，用于研究Ⅱ型露井協(xié)采數(shù)值模型在井工礦不同停采位置時(shí)上覆巖層位移規(guī)律變形情況以及井工礦合理停采線位置，數(shù)值研究模型及邊坡位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5，水平位移計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖5 Ⅱ型露井協(xié)采剖面模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)模擬井工二礦工作面推進(jìn)過(guò)程，得出井采上覆巖層及露天礦邊坡的變形規(guī)律。結(jié)果顯示井工二礦9#煤工作面上覆巖層出現(xiàn)明顯的“三帶”區(qū)域；在工作面靠近安家?guī)X露天礦過(guò)程中緩沉帶影響邊坡1 360 m以上水平，隨工作面向設(shè)計(jì)停采線推進(jìn)時(shí)，邊坡1 360 m以上區(qū)域出現(xiàn)明顯的向礦坑方向的水平位移，形成滑動(dòng)趨勢(shì)。在實(shí)際開(kāi)采中，井工二礦29209工作面在露天礦邊坡沿1280和1310兩處弱面出現(xiàn)滑動(dòng)。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相似，若工作面繼續(xù)推進(jìn)，將對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

從圖7中可以看出，隨著9#煤工作面向邊坡方向推進(jìn)，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量在工作面推進(jìn)至合理停采線1后，出現(xiàn)位移減緩，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1區(qū)域處于沉降變形區(qū)域；露天礦平盤(pán)上部3~9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量隨井工二礦9#煤工作面的推進(jìn)而不斷增加，變形規(guī)律與邊坡蠕動(dòng)變形規(guī)律相似[8]。在初始停采線到設(shè)計(jì)停采線期間，邊坡位移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示從等速變形階段到加速變形階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至設(shè)計(jì)停采線時(shí)，邊坡處于加速變形階段，若工作面超過(guò)設(shè)計(jì)停采線，邊坡巖體將處于滑坡危險(xiǎn)階段。

圖6 水平位移計(jì)算結(jié)果

圖7 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

在對(duì)安家?guī)X露天礦與井工二礦聯(lián)合開(kāi)采時(shí)空關(guān)系研究下，確定了安家?guī)X露天與井工二礦為近水平露井協(xié)采，即Ⅱ型露井協(xié)采模式；通過(guò)露井協(xié)采下井采“三帶”對(duì)安家?guī)X露天礦邊坡的影響范圍和邊坡的破壞機(jī)理的研究，結(jié)合安家?guī)X露天礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定了井工采動(dòng)影響下邊坡的主要變形區(qū)域與井工采動(dòng)應(yīng)力釋放區(qū)域的關(guān)系；運(yùn)用有限元與離散元相結(jié)合方法對(duì)井采影響下露天邊坡進(jìn)行數(shù)值研究，確定了露天礦變形規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)分析，安家?guī)X露天礦邊坡變形區(qū)域與井工二礦工作面之間的距離呈現(xiàn)比例關(guān)系，距離越近邊坡變形速率及位移增加越快；安家?guī)X露天礦剝離深度不同，邊坡受井工礦采動(dòng)影響變形位置不同，表現(xiàn)為安家?guī)X露天礦采深越深邊坡變形位置向下延伸，其中邊坡影響區(qū)域?yàn)? 280~1 375 m。

2）露井協(xié)采模型數(shù)值研究過(guò)程中，當(dāng)井工礦9#煤工作面靠近邊坡下部開(kāi)采時(shí)，邊坡巖層水平位移明顯；若工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，邊坡沿煤層出現(xiàn)明顯水平滑動(dòng)趨勢(shì)；邊坡位移與邊坡蠕動(dòng)變形相似。

3）通過(guò)模擬研究，井工礦位于邊坡下部開(kāi)采時(shí)，可誘發(fā)露天礦邊坡軟弱層出現(xiàn)蠕動(dòng)變形，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。

［1］煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院.井采影響下安家?guī)X礦露井時(shí)空關(guān)系于邊坡穩(wěn)定性研究［R］.撫順：煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院，2013.

［2］徐楊青，吳西臣.井工開(kāi)采對(duì)露天礦高邊坡穩(wěn)定性影響的研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010（18）：333-339.

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【責(zé)任編輯：張東旭】

Study on slope stratum moving law under the influence of underground mining

WANG Wenjun1,SHI Lingjie2,WU Mao2
(1.Dongrisheng Coal Co.,Ltd.,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.Design Research Center,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

By studying the end slope deformation mechanism ofⅡtype coordinated mining and the deformation law of slope displacement in Anjialing Open-pit Mine under the influence of the second coal mining,the article concludes that slope displacement appears as a typical slope creep deformation law.

coordinated mining;well mining three belt;slope displacement;creep deformation

TD325

B

1671－9816（2017）02－0014－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.004

王文軍，史靈杰，武懋.井采影響下露天礦邊坡巖層移動(dòng)規(guī)律研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（2）：14-17.

2016-08-06

王文軍（1968—），男，山西朔州人，高級(jí)工程師，工程碩士，2016年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，一直從事煤礦安全、采掘、技術(shù)等管理工作。