武 懋

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司,山西 朔州036002；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著煤礦井下支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展及礦山壓力知識(shí)的深入研究，露天井工聯(lián)合開采方式逐漸在煤炭礦山發(fā)揮作用，并經(jīng)過多年發(fā)展，已形式形式多樣的特殊開采方式[1-2]。但究其根本都是為了使露天開采與地下開采的優(yōu)勢互補(bǔ)，增加礦企收益[3-4]。根據(jù)2 種開采方式的優(yōu)勢將露井聯(lián)采分為2 類：其一為露天開采淺埋煤層，剝采比較小，發(fā)揮了露天礦采出率高的優(yōu)點(diǎn)，井工開采深部煤層，避免了露天礦開采深部煤層剝采比經(jīng)濟(jì)不合理的缺點(diǎn)；其二為井工開采露天礦開采境界內(nèi)，礦坑周圍邊坡下的壓滯殘煤，雖仍需留設(shè)煤柱，但能消除部分邊坡壓煤約束，增加資源回收量[5-7]。

露井聯(lián)采模式下，露天礦邊坡受到露天和井工疊加采動(dòng)影響，其穩(wěn)定性下降，威脅礦山安全生產(chǎn)，為此相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究[7-17]，這些研究較為全面的分析了露井聯(lián)采條件下，端幫下煤層采用井工開采時(shí)開切眼的合理位置，端幫邊坡的漸進(jìn)破壞過程及破壞機(jī)理，且考慮爆破和充填開采工藝對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，但所研究的煤層模型大多是水平賦存狀態(tài)，考慮煤層產(chǎn)狀對(duì)端幫邊坡的穩(wěn)定性影響的成果較少，缺乏露井聯(lián)采應(yīng)用于緩傾斜露天礦的研究。為此利用數(shù)值模擬方法分析井工開采不同傾角煤層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，揭示出露井聯(lián)采下煤層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，為緩傾斜露天礦應(yīng)用露井聯(lián)合開采模式提供理論指導(dǎo)。

1 露井聯(lián)采概況

安家?guī)X露天煤礦采用露井聯(lián)采的生產(chǎn)方式，井工開采礦坑北端幫邊坡下的壓滯殘煤，工作面終采線位于邊坡下的煤層中，且邊坡煤層產(chǎn)狀為近水平，開采過程中煤層產(chǎn)狀始終保持不變。邊坡下煤層的產(chǎn)狀不僅與煤層天然賦存有關(guān)還受露天開采工藝的改變而改變。露天開采水平煤層時(shí)，無論工作幫沿走向或是傾向推進(jìn)，端幫邊坡下煤層均為水平賦存狀態(tài)，且開采過程中煤層的賦存位置不發(fā)生變化，端幫穩(wěn)定性波動(dòng)??；露天開采傾斜煤層時(shí)，一般從煤層露頭處開始掘溝，沿傾向推進(jìn)并逐漸降深，這時(shí)兩側(cè)端幫下煤層相對(duì)于端幫邊坡的每個(gè)坡面來說是水平賦存狀態(tài)，但隨著工作面的向前推進(jìn)，煤層的賦存位置不斷降低；當(dāng)工作面推進(jìn)距離滿足一定條件后，開始轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后沿走向推進(jìn)，留出內(nèi)排空間，實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，這時(shí)煤層露頭處端幫下的煤層為順傾賦存狀態(tài)，另一側(cè)端幫下的煤層為逆傾賦存狀態(tài)，開采過程中煤層的賦存位置不發(fā)生變化。綜上所述，露井聯(lián)采下邊坡煤層產(chǎn)狀可分為水平、順傾、逆傾3 種類型，且露天開采傾斜煤層時(shí)，邊坡煤層產(chǎn)狀會(huì)隨著工作面推進(jìn)方向的改變而發(fā)生變化。

2 露井聯(lián)下邊坡巖層移動(dòng)角和位移量分析理論

露天礦端幫邊坡下采用自然垮落法回收煤炭資源時(shí)，采空區(qū)煤層頂板跨落，上覆巖層發(fā)生不同程度的沉降，使邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，其破壞程度主要表現(xiàn)在頂板巖層的變形范圍和變形位移2 個(gè)方面，變形范圍和位移越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響越大，反之影響越小。

1）巖層移動(dòng)角。巖層移動(dòng)角受頂板巖性、采厚、采深和煤層傾角等因素的影響，當(dāng)工作面長度一定且上覆巖層厚度相同時(shí)，巖層移動(dòng)角越大，頂板破壞范圍就越大。根據(jù)巖層移動(dòng)角與煤層位置關(guān)系可分為走向、上山和下山巖層移動(dòng)角。

2）巖層位移量。巖層的位移是表征端幫采空區(qū)上覆巖層破壞程度的物理量，根據(jù)發(fā)生位移的方向分為水平位移量和垂直位移量。

上述理論分析可以得出，在其他條件相同時(shí)，巖層走向移動(dòng)角與煤層傾角無關(guān)；而上山移動(dòng)角和下山移動(dòng)角會(huì)隨煤層傾角的增大而減??；垂直位移會(huì)隨煤層傾角的增大而增大；水平位移隨煤層傾角的增大而減小。

3 不同煤層產(chǎn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性模擬分析

3.1 力學(xué)計(jì)算參數(shù)與模型

為了研究不同煤層產(chǎn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性規(guī)律，建模過程參照安家?guī)X露天礦真實(shí)開采條件。該露天開采范圍內(nèi)有3 層可采煤層，分別為4 煤、9 煤、11 煤，4煤、9 煤為主采煤層，全部近水平賦存。露天煤礦在開采過程中，北幫邊坡下采用井工開采回收9 煤，回采工作面長度為850 m，開切眼位置距露天礦邊坡面260 m。針對(duì)不同煤層產(chǎn)狀條件，為了保證單一變量因素，將邊坡上部排棄物和第四系保持原狀，調(diào)整下部地層產(chǎn)狀，且保證回采工作面長度、采高、開切眼位置與邊坡面的距離相同。根據(jù)該礦典型剖面建立二維模型，模型內(nèi)結(jié)構(gòu)由鉆孔數(shù)據(jù)得出。利用數(shù)值模擬軟件GeoStudio 中的SIGMA/W 模塊和SLOPE/W 模塊進(jìn)行分析，先將SIGMA/W 模塊作為父項(xiàng)，采用有限元方法分析邊坡的應(yīng)力分布狀態(tài)，然后將SLOPE/W 模塊作為子項(xiàng)，根據(jù)父項(xiàng)的應(yīng)力狀態(tài)采用極限平衡法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)模型底面約束豎向和法向位移，模型兩側(cè)約束法相位移。模型尺寸示意圖如圖1。

3.2 水平煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

圖1 模型尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of model size

煤層為水平賦存狀態(tài)時(shí)，邊坡體中高應(yīng)力區(qū)主要集中在工作面兩側(cè)的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷附近，采空區(qū)頂板自然垮落，充填采空區(qū)，應(yīng)力得到釋放，逐漸恢復(fù)原巖應(yīng)力，這一特點(diǎn)與單一井工開采規(guī)律相似。由于工作面頂板為露天礦邊坡，所以其厚度是漸變的，地應(yīng)力大小存在差異。礦井開采深度達(dá)到250 m，高應(yīng)力區(qū)影響范圍有限，高應(yīng)力區(qū)與邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面不相交，即最危險(xiǎn)滑面的產(chǎn)生與井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布無關(guān)。

井工開采后采空區(qū)頂板跨落，由于開采深度較淺，且工作面跨度較大，邊坡頂部產(chǎn)生明顯的下沉現(xiàn)象，井工開采工作面推進(jìn)后，后方采空區(qū)自然垮落，對(duì)邊坡整體的完整性影響較大，邊坡頂部和坡面的中上部產(chǎn)生明顯位移，位移量由采空區(qū)中部向兩側(cè)大巷逐漸遞減，中部沉降量最大。采空區(qū)頂板移動(dòng)帶與最危險(xiǎn)滑面相交，即井工開挖使端幫邊坡的整體性遭到破壞，采空區(qū)上方影響范圍內(nèi)巖石破碎，強(qiáng)度下降，主要表現(xiàn)在黏聚力C 值的降低，從而使最危險(xiǎn)滑面的抗滑力降低，穩(wěn)定性系數(shù)減小。最終由有限元和強(qiáng)度折減法耦合分析得出水平煤層條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs為1.219。

3.3 順傾煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

煤層為順傾賦存狀態(tài)時(shí)，邊坡體中工作面兩側(cè)的高應(yīng)力區(qū)范圍都升高。上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)距離邊坡較遠(yuǎn)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，下山側(cè)高應(yīng)力區(qū)在漸變過程中，與最危險(xiǎn)滑面的位置關(guān)系處于相離狀態(tài)，即最危險(xiǎn)滑面的產(chǎn)生與井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布無關(guān)。

沉積巖地層中不同層位交界面位置巖性強(qiáng)度較弱，當(dāng)?shù)貙訛轫槂A賦存狀態(tài)時(shí)，由于層間抗滑力的較小，端幫更容易發(fā)生卸荷變形，向坡面移動(dòng)，這一位移矢量可分為水平位移和垂直位移，同時(shí)井工開挖引起邊坡沉陷，2 種開采模式的疊加擾動(dòng)，使邊坡整體破壞嚴(yán)重，這與理論分析中垂直位移會(huì)隨煤層傾角的增大而增大結(jié)果一致。隨著傾角的增大，下山巖層移動(dòng)角不斷減小，此結(jié)果也印證了理論分析中下山移動(dòng)角會(huì)隨煤層傾角的增大而減小的結(jié)論。從整個(gè)位移分析可以得出，隨著順傾煤層傾角的增大，邊坡巖體的破壞程度逐漸增大，范圍不斷擴(kuò)大，使邊坡強(qiáng)度降低。

由于邊坡的整體遭到疊加擾動(dòng)破壞，導(dǎo)致邊坡強(qiáng)度降低，同時(shí)順傾結(jié)構(gòu)面也降低了邊坡體的抗滑力，通過折減法計(jì)算邊坡強(qiáng)度，穩(wěn)定性系數(shù)減小。

3.4 逆傾煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

煤層為逆傾賦存狀態(tài)時(shí)，邊坡體中工作面兩側(cè)的高應(yīng)力區(qū)范圍都升高。上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)在漸變過程中，與最危險(xiǎn)滑面的位置關(guān)系由相離變?yōu)橄嘟粻顟B(tài)，即井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布會(huì)影響最危險(xiǎn)滑面的產(chǎn)生位置與穩(wěn)定性系數(shù)的得出。

邊坡體內(nèi)地層為逆傾賦存狀態(tài)時(shí)，井采工作面頂板巖層有沿煤層底板方向的運(yùn)動(dòng)趨勢，這一趨勢與邊坡臨空面卸荷變形方向相反，2 種位移相互抵消，有利于保持邊坡的整體性，這一結(jié)果與理論分析中垂直位移會(huì)隨煤層傾角的增大而增大結(jié)果一致。隨著傾角的增大，上山巖層移動(dòng)角不斷減小，此結(jié)果同樣印證了理論分析中上山移動(dòng)角會(huì)隨煤層傾角的增大而減小的結(jié)論。從整個(gè)位移分析可以得出，隨著逆傾煤層傾角的增大，邊坡巖體的破壞范圍不斷擴(kuò)大，但破壞程度大小減弱。

煤層逆傾賦存時(shí)，隨著傾角的不斷增大，工作面上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)升高、巖層破壞范圍增大，這都不利于邊坡的穩(wěn)定，但破壞程度的減弱有利于邊坡穩(wěn)定性，通過折減法計(jì)算邊坡強(qiáng)度，得出隨著傾角增加穩(wěn)定性系數(shù)提高，所以邊坡破壞程度對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算起決定性作用。

4 結(jié) 語

1）利用井工開采模式回收露天礦端幫殘煤過程中，煤層傾角越大，工作面兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)影響范圍越大，當(dāng)井工開采的煤層埋藏較深或合理控制開切眼位置與邊坡面的距離，可有效減小應(yīng)力井采高應(yīng)力區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2）端幫下煤層傾角越大，井工開采后巖層移動(dòng)角越小，即邊坡的破壞范圍越小，但由于位移的矢量疊加原因，煤層為順傾賦存狀態(tài)時(shí)的位移量大于水平賦存狀態(tài)，而逆傾賦存狀態(tài)時(shí)位移變化與之相反。

3）受露天開采與井工開采的疊加擾動(dòng)影響，除煤層賦存狀態(tài)不同，其他條件相同的情況下，端幫下煤層順傾狀態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定，傾角越大穩(wěn)定性系數(shù)越小，煤層逆傾狀態(tài)有利于邊坡穩(wěn)定，傾角越大穩(wěn)定性系數(shù)越高。