王文才 ，李俊鵬 ，王創(chuàng)業(yè) ，陳世江 ，王 鵬

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引 言

邊幫壓煤（端幫）是指受露天開(kāi)采技術(shù)和地質(zhì)條件限制滯留在邊坡平盤(pán)下和境界外煤炭資源的總稱(chēng)[1-2]。隨著露天開(kāi)采向深部不斷延伸，邊坡臺(tái)階下滯留的煤炭資源會(huì)成倍增加，為減少資源浪費(fèi)就需要對(duì)邊幫壓煤進(jìn)行回收[3]。對(duì)邊幫壓煤進(jìn)行開(kāi)采會(huì)使邊坡平盤(pán)和內(nèi)部巖體受到二次擾動(dòng)，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)多元的復(fù)合系統(tǒng)，從而引起因露天開(kāi)采發(fā)生變形破壞的邊坡進(jìn)一步發(fā)育，最終可能發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失并影響礦山的生產(chǎn)安全[4-6]。因此，針對(duì)邊幫資源開(kāi)采過(guò)程中邊坡變形破壞及失穩(wěn)現(xiàn)狀眾多學(xué)者從以下2 個(gè)方面進(jìn)行研究，且取得了相當(dāng)多的研究成果：①露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采：孫世國(guó)等[7-9]對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采誘發(fā)邊坡變形破壞進(jìn)行了研究，得出順坡開(kāi)采邊坡變形破壞相比逆坡開(kāi)采優(yōu)勢(shì)更大，且提出采用放坡減載、抗滑樁加固、預(yù)應(yīng)力錨索加固3 種方式對(duì)邊坡變形破壞進(jìn)行控制；李小雙等[10]以某礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采為背景，研究了不同邊坡角影響下采場(chǎng)上覆巖體的采動(dòng)響應(yīng)特征，以揭示覆巖采動(dòng)響應(yīng)的坡角影響效應(yīng)，得出坡高一定時(shí)，坡角過(guò)大或過(guò)小都不利于邊坡的穩(wěn)定，而是存在一個(gè)較為合適的中間值；朱建明等[11-12]采用相似模擬和數(shù)值模擬方法對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出井工開(kāi)采開(kāi)切眼位置對(duì)露天邊坡的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，且利用數(shù)值模擬對(duì)邊界參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)開(kāi)切眼與邊坡水平距離在原基礎(chǔ)上增加 20 m 時(shí)，邊坡的整體穩(wěn)定性將得到明顯改善，此方案已在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證；藍(lán)航等[13]通過(guò) FLAC3D數(shù)值模擬分析了露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采露天邊坡的破壞規(guī)律，指出臺(tái)階狀邊坡地表的水平變形仍然呈現(xiàn)出采空區(qū)中間受壓，兩端受拉的特點(diǎn)，并得出了臺(tái)階狀邊坡在地下開(kāi)采擾動(dòng)下的穩(wěn)定性應(yīng)考慮采空區(qū)的時(shí)空效應(yīng)的規(guī)律；宋衛(wèi)東等[14]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(kāi)采過(guò)程中圍巖的破壞機(jī)理及移動(dòng)范圍進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出隨著開(kāi)采長(zhǎng)度的增加，圍巖的破壞程度及范圍遞增、塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，剪切破壞主要集中在兩側(cè)邊坡的邊腳部位；尹光志等[15]利用底摩擦模型試驗(yàn)儀對(duì)露天轉(zhuǎn)地下邊坡變形破壞進(jìn)行了分析，得出邊坡的變形破壞特征可分為邊坡巖體小范圍微破裂和松動(dòng)、邊坡巖體局部范圍失穩(wěn)破壞、邊坡巖體整體向采空區(qū)滑落失穩(wěn)破壞3 個(gè)階段，邊坡巖體變形破壞模式主要是采動(dòng)邊坡巖體向采空的拉裂、破斷和滑移破壞。②邊幫（端幫）開(kāi)采：殷志祥等[16-17]為了研究端幫特厚煤層開(kāi)采引起邊坡變形破壞和應(yīng)力重新分布機(jī)理，采用FLAC3D數(shù)值模擬手段，以某露天礦為工程背景，分析了煤柱寬高和間距等重要影響參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出采用端幫采煤機(jī)對(duì)端幫煤進(jìn)行開(kāi)采后邊坡角越大，穩(wěn)定系數(shù)越小、煤柱高度越高、寬度越小、間距越大，穩(wěn)定系數(shù)越小；尚濤等[18]分析了安家?guī)X露天煤礦端幫采煤與露天采排工程及邊坡變形破壞之間的時(shí)空關(guān)系,解釋了露天采、剝、排工程如何在時(shí)間和空間上影響端幫采煤的強(qiáng)度及邊坡變形破壞等；李志鵬[19]以黑岱溝露天礦留坑平硐開(kāi)拓回收邊幫煤資源為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析邊幫煤開(kāi)采不同井巷保護(hù)煤柱寬度對(duì)煤柱內(nèi)開(kāi)拓巷道的保護(hù)作用，確定合理的井巷保護(hù)煤柱寬度，完善巷道布置圖，總結(jié)了邊幫煤開(kāi)采留坑邊坡破壞和位移規(guī)律等，且得出邊幫煤開(kāi)采需對(duì)留坑邊坡采取一定的治理措施；韓陽(yáng)[20]以黑岱溝露天礦邊幫煤開(kāi)采為研究背景，采用相似和數(shù)值模擬手段對(duì)長(zhǎng)壁放頂煤采煤法回采邊幫煤引起地表移動(dòng)規(guī)律、礦山壓力及邊坡變形破壞等問(wèn)題進(jìn)行了研究，總結(jié)出采用放頂煤開(kāi)采邊幫煤覆巖破壞及地表沉降變形規(guī)律;丁其樂(lè)[21]采用相似和數(shù)值模擬方法就端幫壓煤井工開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及力學(xué)行為、覆巖運(yùn)動(dòng)誘發(fā)坡體損傷演化機(jī)制、采動(dòng)坡體穩(wěn)定性及其評(píng)價(jià)方法、覆巖運(yùn)動(dòng)及采動(dòng)坡體變形控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了采動(dòng)坡體的“橫四區(qū)”破壞模式；南存全等[22]采用相似模擬試驗(yàn)和頂板壓力計(jì)算相結(jié)合的方法，以黑岱溝露天礦邊幫煤開(kāi)采為研究對(duì)象，分析邊幫煤開(kāi)采中頂板覆巖變形特點(diǎn)及推導(dǎo)建立了邊幫煤井工長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面3 種頂板結(jié)構(gòu)條件下的頂板壓力計(jì)算解析公式；丁鑫品等[23]以鄂爾多斯地區(qū)端幫采煤為背景，綜合考慮“露采”與“巷采”2 種采動(dòng)效應(yīng)疊加對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，構(gòu)建了近水平條件下端幫采場(chǎng)巖土體變形破壞的 3DEC 數(shù)值分析模型，研究了端幫壓煤開(kāi)采全過(guò)程采場(chǎng)覆巖的變形移動(dòng)和應(yīng)力分布規(guī)律，將采動(dòng)邊坡變形破壞過(guò)程劃分為表生改造、結(jié)構(gòu)改造、時(shí)效變形和最終失穩(wěn)4 個(gè)階段。

綜上所述，通過(guò)對(duì)眾多學(xué)者研究成果分析發(fā)現(xiàn)，邊幫資源回收主要從露天轉(zhuǎn)地下和井工開(kāi)采2 個(gè)方面進(jìn)行研究，研究成果主要以理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬為手段，對(duì)邊幫資源回收的巖體破壞、應(yīng)力分布和邊坡角、礦柱寬度、間距等對(duì)邊坡變形破壞及穩(wěn)定性的影響，雖然已經(jīng)在邊幫資源開(kāi)采邊坡變形破壞和失穩(wěn)特性等方向取得了較多成果，但針對(duì)近水平厚煤層開(kāi)采邊坡變形破壞及失穩(wěn)特性分析相對(duì)較少，且也缺少實(shí)際工程佐證。為此筆者提出：首先，通過(guò)采用不同相似配比制作標(biāo)準(zhǔn)試件與原巖相似強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，確定與原巖符合的最終配比；其次，按確定的配比與實(shí)際工程成一定比例制作邊幫模型分析邊幫煤開(kāi)采邊坡變形破壞演化特征及失穩(wěn)特性；最后，通過(guò)實(shí)際工程佐證上述分析。

1 相似材料選取及試驗(yàn)分析

1.1 相似模擬試驗(yàn)及材料選取

相似模擬是研究各類(lèi)巖土體變形破壞規(guī)律和現(xiàn)象的試驗(yàn)，相似理論作為相似試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，是試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮椭g的橋梁，是自然界各工程狀況中不同相似現(xiàn)象的學(xué)說(shuō)，要求試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工程之間滿(mǎn)足的相似性質(zhì)和規(guī)律，即相似三定律[24]。

幾何相似

時(shí)間相似

力相似

式中：Cl、Ct、Cf分別為幾何、時(shí)間和力相似常數(shù)；Lp、Tp、Fp為原型物理量；Lm、Tm、Fm為模型物理量。

根據(jù)相似三定律及相關(guān)文獻(xiàn)[25-29]總結(jié)出在相似材料試驗(yàn)中所使用的材料主要可分為2 大類(lèi)：①石英砂/骨料，石膏和甘油/膠結(jié)材[30-31]；②河砂/骨料，石膏和大白粉/膠結(jié)材料[32-33]，本著取材經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等原則，確定試驗(yàn)材料為河砂、石膏、大白粉。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在礦山巖石力學(xué)指標(biāo)和文獻(xiàn)[31-34]基礎(chǔ)上，按相似試件制取流程制作2 組不同配比的標(biāo)準(zhǔn)試件，共計(jì)8 組24 個(gè)試件，試件高徑比為100 mm×50 mm（圖1）。配比1∶河沙為定值，大白粉、石膏/膠結(jié)材料為變值（表1）；配比2∶河沙、大白粉、石膏都為變值（表2）。將制作完成后試件進(jìn)行單軸抗壓、抗拉試驗(yàn)，取抗壓、抗拉強(qiáng)度均值與原巖相似強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，確定一組配比作為下文工程模型的最終配比。

表1 1 號(hào)相似材料配比Table 1 No.1 similar material ratio

表2 2 號(hào)相似材料配比Table 2 No.2 similar material ratio

圖1 試件模型Fig.1 Specimen model

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按上述方案進(jìn)行試驗(yàn)得到不同巖樣抗壓、抗拉強(qiáng)度值（表3、表4），根據(jù)文獻(xiàn)[34]研究成果和原巖力學(xué)參數(shù)（表5），確定試件抗拉、抗壓強(qiáng)度與原巖相似比為1∶200，計(jì)算得出原巖抗壓、抗拉的相似數(shù)（表6）。

表3 1 號(hào)相似材料模型試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Strength test results of No.1 similar material model specimens

表4 2 號(hào)相似材料模型試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Strength test results of No.2 similar material model specimens

表5 礦山主要巖石力學(xué)指標(biāo)Table 5 Main rock mechanics indexes of mines

表6 礦山主要巖石力學(xué)指標(biāo)相似值Table 6 Similar values of main rock mechanics indexes of mines

通過(guò)表3—表6 繪制成強(qiáng)度柱狀對(duì)比圖（圖2—圖4）?？芍浔? 中各巖樣抗拉、抗壓值及均值強(qiáng)度與原巖強(qiáng)度差值較大，呈負(fù)相關(guān)；配比2 差值較小，呈正相關(guān)，且擬合曲線與原巖趨勢(shì)也較為一致，可作為下文工程模型的最終配比。

圖2 原巖相似抗壓強(qiáng)度與不同配比對(duì)比Fig.2 Comparison of similar compressive strength and different ratios of original rock

圖3 原巖相似抗拉強(qiáng)度與不同配比對(duì)比Fig.3 Comparison of similar tensile strength of original rock and different ratios

圖4 原巖相似均值強(qiáng)度與不同配比對(duì)比Fig.4 Comparison of similar average strength of original rock and different ratios

2 工程概況及研究方案制定

2.1 工程概況

某露天礦東西長(zhǎng)4.2～6.9 km，南北長(zhǎng)2.7～7.1 km，面積38.6 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量39.8 億t，礦區(qū)呈北高南低趨勢(shì)，海拔標(biāo)高一般為+1 240～ +1 420 m，煤層呈近水平分布，主要可采煤層為4 號(hào)煤（上煤層）和9 號(hào)煤（下煤層），平均厚度分別為11.6 m 和13.0 m，其中4 號(hào)煤賦存深度為124.4 m，9 號(hào)煤賦存深度為219 m，露天開(kāi)采后最終邊坡角35°，邊坡主要巖體為不同粒徑的砂巖，平盤(pán)下滯留的煤炭資源總量約為8 700 萬(wàn)t，煤層和平盤(pán)分布如圖5 所示。

圖5 露天礦山地質(zhì)剖面Fig.5 Geological section of open-pit mine

2.2 模型構(gòu)建與研究方案制定

根據(jù)所研究礦山工程地質(zhì)條件，對(duì)邊幫煤開(kāi)采邊坡巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化（表7），結(jié)合相似模擬理論和實(shí)驗(yàn)室條件采用長(zhǎng)、寬、高分別為1.80、0.20、2.00 m的二維模擬試驗(yàn)臺(tái)搭建邊幫煤開(kāi)采邊坡結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)文獻(xiàn)[35]確定模型與實(shí)際工程的幾何相似比為1∶200。按上述試驗(yàn)分析所確定的最終配比（表8）和幾何相似比進(jìn)行模型鋪裝，鋪裝完成后的模型長(zhǎng)、寬、高分別為1.8、0.2、1.35 m，煤層由上到下依次為4 號(hào)（上煤層）和9 號(hào)（下煤層）煤層（圖6），依據(jù)文獻(xiàn)[24]確定位移相似比同樣為1∶200。

表7 巖石力學(xué)參數(shù)Table 7 Rock mechanical parameter

表8 巖石相似材料配比Table 8 Rock similar material ratio

圖6 邊坡結(jié)構(gòu)模型及開(kāi)采設(shè)計(jì)Fig.6 Slope structure model and mining design

試驗(yàn)過(guò)程采用天遠(yuǎn)三維攝影機(jī)對(duì)邊坡位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中邊坡變形破壞演化特征分析測(cè)點(diǎn)共布置11 行、18 列，由上到下分別為11、10, ···,1，由左向右依次為1、2, ···,18；邊坡變形失穩(wěn)形態(tài)分析結(jié)構(gòu)模型共布置6 行測(cè)點(diǎn)，每行3 個(gè)點(diǎn)，依據(jù)礦山地質(zhì)剖面圖平盤(pán)分布，由上到下依次為1 400、1 390、1 380、1 370、1 350、1 340 平盤(pán)，其中1 400 平盤(pán)位于第11 行測(cè)點(diǎn)，1 390 平盤(pán)位于第10 行測(cè)點(diǎn)，依次向下，各平盤(pán)變形值取所屬3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值（圖7）。

圖7 邊坡測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Layout of slope measuring points

由文獻(xiàn)[22]可知井工長(zhǎng)壁采煤法具有安全、高效、高采出率等優(yōu)勢(shì)，特別是長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法對(duì)近水平邊幫厚煤層回采效果很好，因此采用長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法對(duì)邊幫壓煤進(jìn)行開(kāi)采，工作面為傾向布置，依據(jù)實(shí)際工程情況預(yù)留10 cm（20 m）邊界煤柱，上下煤層均從右向左依次開(kāi)采，每次開(kāi)采長(zhǎng)度5 cm（10 m）（對(duì)應(yīng)實(shí)際工程每天開(kāi)采長(zhǎng)度），上煤層設(shè)計(jì)開(kāi)采長(zhǎng)度115 cm（230 m）、下煤層設(shè)計(jì)開(kāi)采長(zhǎng)度160 cm（320 m），先采上煤層后采下煤層（圖6）。

3 邊幫煤開(kāi)采邊坡變形演化特征及失穩(wěn)特性分析

3.1 上煤層開(kāi)采邊坡變形破壞及演化特征分析

上煤層開(kāi)采邊坡受井采擾動(dòng)影響變形演化特征可以劃分為開(kāi)采初期、中期、末期3 個(gè)階段（圖8），特征如下:

圖8 上煤層開(kāi)采邊坡變形演化位移Fig.8 Deformation evolution displacement of slope in upper coal seam mining

1）開(kāi)采初期0～45 cm（0～90 m）：因留設(shè)保護(hù)煤柱和邊坡內(nèi)部巖體承載結(jié)構(gòu)性關(guān)系，工作面開(kāi)采至35 cm（70 m）前，采空區(qū)上部巖體穩(wěn)定性較好（圖8a、圖8b）；隨開(kāi)采長(zhǎng)度增加，在張拉力和巖體自重作用下基本頂最先發(fā)生垮落，從而誘發(fā)上部巖體變形破壞向上擴(kuò)展，靠近采空區(qū)中心的巖體變形破壞特征越充分，兩幫巖體受端頭和留設(shè)煤柱支撐變形破壞高度較?。▓D8c、圖9）；開(kāi)采至45 cm，邊坡內(nèi)部逐步形成懸臂梁、砌體梁、固支梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)位于端頭工作面后方，砌體梁結(jié)構(gòu)位于懸臂梁后方，固支梁位于垮落巖層上方（圖10）；此過(guò)程可稱(chēng)為邊幫煤開(kāi)采邊坡巖體變形破壞的表生改造階段，根據(jù)采動(dòng)覆巖“豎三帶”理論判別方法[36-38]也可以將變形垮落的巖層稱(chēng)為“豎三帶”中的垮落帶。

圖9 上煤層開(kāi)采巖體垮落結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Caving structure model of upper coal seam mining rock mass

圖10 “懸臂梁?砌體梁?固支梁”結(jié)構(gòu)模型Fig.10 “Cantilever beam-masonry beam-fixed beam”structure model

2）開(kāi)采中期45～100 cm（90～200 m）：工作面持續(xù)開(kāi)采，上覆巖層變形破壞遵循漸進(jìn)發(fā)展和循環(huán)往復(fù)演化特征，懸臂梁周期性斷裂誘發(fā)固支梁周期性垮落，周期性破壞的巖體形成支撐使工作面端頭形成新的懸臂梁結(jié)構(gòu)，垮落巖體上方形成新的固支梁結(jié)構(gòu)；開(kāi)采至60 cm（120 m）時(shí)，因懸臂梁斷裂誘發(fā)上方固支梁發(fā)生破壞使得上方關(guān)鍵層斷裂，邊坡巖體變形破壞發(fā)展至邊坡上部平盤(pán)處，破壞巖層呈“金字塔”狀（圖11），使得邊坡最上部測(cè)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)變化

圖11 邊坡平盤(pán)沉陷結(jié)構(gòu)模型Fig.11 Structural model of the flat plate subsidence on the upper part of the slope

（圖8d），開(kāi)采至65 cm（130 m）時(shí)，變形下沉的巖體使邊坡上部測(cè)點(diǎn)11-1、11-2 發(fā)生下沉且存在向露天礦坑的橫向移動(dòng)趨勢(shì)；開(kāi)采至100 cm（200 m）時(shí)，邊坡上部平盤(pán)巖體變形破壞遵循漸近發(fā)展趨勢(shì)，隨開(kāi)采長(zhǎng)度增加變形破壞加大，此過(guò)程中邊坡中部第9 行測(cè)點(diǎn)受擾動(dòng)也逐步發(fā)生沉降和水平移動(dòng)現(xiàn)象，變形值較第11 行測(cè)點(diǎn)舒緩（圖8e），且此過(guò)程中變形破壞的巖體由向露天礦坑移動(dòng)（注：露天礦坑移動(dòng)是受露天開(kāi)采影響）翻轉(zhuǎn)為向采空區(qū)移動(dòng)，且使邊坡發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，強(qiáng)度降低；此過(guò)程為邊幫煤開(kāi)采邊坡巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)改造階段，也可以將變形垮落的巖層稱(chēng)為“豎三帶”中的裂隙帶。

3）開(kāi)采末期100～115 cm（200～230 m）：邊坡上部巖體隨開(kāi)采長(zhǎng)度增加變形破壞進(jìn)一步擴(kuò)展，開(kāi)采至115 cm（230 m）時(shí)，邊坡第7、5 行測(cè)點(diǎn)均發(fā)生變形移動(dòng)現(xiàn)象，沉降變形較水平變形更為劇烈，第7 行測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)指向采空區(qū)，第5 行測(cè)點(diǎn)因邊坡上部巖體向下沉降擠壓影響變形趨勢(shì)指向露天礦坑，最大沉降變形為第9 行測(cè)點(diǎn)，變形值為?41.784 mm（?8.356 8 m），最大水平變形為第7 測(cè)點(diǎn)，變形值為?2.69 mm（?0.538 m）（圖8f），且此過(guò)程變形沉降的巖體近似沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，未采動(dòng)區(qū)域巖體形成“未影響區(qū)”（圖12），采動(dòng)區(qū)域形成近似的半“金字塔”狀的下沉盆地（圖12、圖13）；過(guò)程為邊幫煤開(kāi)采邊坡巖體變形破壞的時(shí)效變形階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

圖12 邊幫煤開(kāi)采巖層變形移動(dòng)模型Fig.12 Deformation and movement model of rock strata in side coal mining

圖13 上煤層開(kāi)采后邊坡破壞半“金字塔”結(jié)構(gòu)模型Fig.13 The semi-“pyramid”structure model of slope failure after mining of the upper coal seam

3.2 下煤層開(kāi)采邊坡變形破壞及演化特征分析

下煤層開(kāi)采邊坡受井采擾動(dòng)影響變形演化特征可以劃分為開(kāi)采初期、開(kāi)采末期2 個(gè)階段（圖14、圖15），特征如下：

圖14 邊幫煤開(kāi)采上煤層局部測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.14 Displacement of local measured points in edge coal mining

圖15 下煤層開(kāi)采邊坡變形演化位移Fig.15 Evolution displacement of slope deformation in lower coal seam mining

1）開(kāi)采初期0～50 cm（0～100 m）：同上煤層開(kāi)采邊坡內(nèi)部巖體變形破壞相同，工作面開(kāi)采至50 cm（100 m）前，采空區(qū)上部頂板巖體穩(wěn)定性較好（圖16），只有部分泥巖發(fā)生沉降破壞（圖15a、圖15b），邊坡上部位移測(cè)點(diǎn)維持上煤層開(kāi)采后狀況（圖14）；開(kāi)采至50 cm（100 m）時(shí)，采空區(qū)上方頂板巖層達(dá)到極限跨距向采空區(qū)方向發(fā)生沉降變形，變形沉降的巖體以采空區(qū)為中心向兩幫減弱（圖15c、圖17）；此過(guò)程為邊幫煤開(kāi)采邊坡巖體變形破壞的表生改造階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的垮落帶和裂隙帶。

圖16 下煤層開(kāi)采頂板巖體結(jié)構(gòu)模型Fig.16 Structural model of roof rock mass in mining of lower coal seam

圖17 下煤層開(kāi)采垮落巖體結(jié)構(gòu)模型Fig.17 Caving rock structure model of lower coal seam mining

2）開(kāi)采末期50～160 cm（100～320 m）：工作面持續(xù)開(kāi)采工作面端頭形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，垮落巖體上方形成固支梁結(jié)構(gòu)；開(kāi)采至60 cm（120 m）時(shí)，上下煤層之間的結(jié)構(gòu)性巖層受下煤層開(kāi)采影響發(fā)生貫通式破壞，使得因上煤層開(kāi)采破壞后的巖層重新發(fā)生變形（圖15d、圖18）；開(kāi)采至160 cm（320 m），此過(guò)程貫通破壞區(qū)持續(xù)擴(kuò)展，誘發(fā)邊坡上部第11 行測(cè)點(diǎn)所在巖體重新發(fā)生變形現(xiàn)象，垂直方向保持向采空區(qū)的緩慢下沉，水平方向維持向露天礦坑的緩慢移動(dòng)，且使得第5 行測(cè)點(diǎn)所在巖體由指向露天礦坑移動(dòng)翻轉(zhuǎn)為指向采空區(qū)方向的移動(dòng)，待開(kāi)采終止，最大沉降區(qū)和水平移動(dòng)區(qū)均為第7 行測(cè)點(diǎn)所在巖體，分別為?58.94 mm（?11.788 m）、?5.27 mm（?1.054 m）（圖14a、c、d），此時(shí)下煤層上方變形破壞的巖體呈半“金字塔”狀（圖19），根據(jù)文獻(xiàn)[39]巖層移動(dòng)判別理論也可稱(chēng)為半“類(lèi)曲線”狀（圖20）；此過(guò)程為邊幫煤開(kāi)采邊坡巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)改造階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

圖18 上下煤層覆巖貫通區(qū)結(jié)構(gòu)模型Fig.18 Structural model of the upper and lower coal seam overlying strata penetration zone

圖19 邊坡變形破壞結(jié)構(gòu)模型Fig.19 Slope deformation failure structure model

圖20 下煤層開(kāi)采巖體變形破壞的“類(lèi)曲線”模型Fig.20 “Curve like”model of rock mass deformation and failure in mining of lower coal seam

綜上所述，邊幫煤開(kāi)采，邊坡巖體變形破壞主要是沿縱向變化，呈破壞下沉，局部呈橫向移動(dòng)，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程變形破壞可以劃分為3 個(gè)階段，即表生改造階段、結(jié)構(gòu)改造階段、時(shí)效變形階段，上煤層開(kāi)采結(jié)束后邊坡巖體變形破壞沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，形成“未影響區(qū)”的小型半“金字塔”狀的下沉盆地，下煤層開(kāi)采結(jié)束后邊坡巖體呈半“類(lèi)曲線”的“金字塔”狀。

3.3 邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)分析

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度，是確保露天礦持續(xù)、正常生產(chǎn)和周邊作業(yè)人員及設(shè)備安全的前提和基礎(chǔ)[40]。邊坡失穩(wěn)實(shí)質(zhì)上是工作面頂板巖層在受力作用下發(fā)生變形擴(kuò)展造成邊坡平盤(pán)發(fā)生破壞，誘發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)可以劃分為2 種情況：①邊坡平盤(pán)指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)；②邊坡平盤(pán)指向露天礦坑的崩塌失穩(wěn)，指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)不會(huì)對(duì)礦山生產(chǎn)造成影響，指向露天礦坑的崩塌失穩(wěn)對(duì)礦山生產(chǎn)存在影響，由此，在邊坡變形破壞演化特征分析基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段展開(kāi)對(duì)邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的分析，邊坡平盤(pán)如圖21 所示。

圖21 邊坡各平盤(pán)物理結(jié)構(gòu)模型Fig.21 Physical structure model of each flat plate of slope

3.3.1 邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的物理試驗(yàn)分析

通過(guò)邊坡變形演化特征分析可知，上煤層開(kāi)采，邊坡巖體變形破壞由基本頂開(kāi)始逐次向上發(fā)育，直到工作面開(kāi)采至60 cm（120 m）時(shí)，邊坡巖體變形破壞發(fā)育至邊坡上部1400 和1390 平盤(pán)，邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變，處于失穩(wěn)狀況（圖13）；工作面持續(xù)開(kāi)采下邊坡失穩(wěn)狀況也在持續(xù)擴(kuò)展，直至開(kāi)采至115 cm（230 m）終采線，邊坡1400、1350、1340 平盤(pán)存在向露天礦坑局部崩塌失穩(wěn)可能，最大變形移動(dòng)平盤(pán)為1400 平盤(pán)，變形值為0.92 mm（0.184 m），雖變形移動(dòng)趨勢(shì)指向露天礦坑，但因變形值較小，故不影響礦山正常生產(chǎn)，1390、1380、1370 平盤(pán)發(fā)生指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)現(xiàn)象，變形移動(dòng)最大的平盤(pán)為1390 平盤(pán)，變形值為?1.67 mm（?0.334 m）（圖22a），此過(guò)程中邊坡其余平盤(pán)均存在裂隙發(fā)育現(xiàn)象，裂隙平均寬度1.2 mm（0.24 m）左右（圖23a）。

圖22 上下煤開(kāi)采各平盤(pán)位移變化Fig.22 Curves of displacement changes of flatplates in upper and lower coal mining

圖23 煤層開(kāi)采平盤(pán)裂隙發(fā)育結(jié)構(gòu)模型Fig.23 Development structure model of flat disc fissures in coal seam mining

下煤層開(kāi)采初期邊坡維持上煤層開(kāi)采狀況，開(kāi)采至60 m（120 m）時(shí)，上下煤層采空區(qū)發(fā)生貫通，邊坡失穩(wěn)狀況發(fā)生改變；開(kāi)采至終采線160 cm（320 m）后，邊坡上部1400 平盤(pán)指向露天礦礦坑變形趨勢(shì)加大，變形值增大為1.72 mm（0.344 m）（圖22b），局部崩塌失穩(wěn)征兆加劇；中部1390、1380、1370 平盤(pán)為指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)，最大變形平盤(pán)為1380，變形值為?3.41 mm（?0.682 m）（圖22b）；下部1350、1340 平盤(pán)由最初指向露天礦坑趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹赶虿煽諈^(qū)方向的反傾向失穩(wěn)，指向采空區(qū)的平盤(pán)為1380，此過(guò)程中邊坡平盤(pán)裂隙不斷擴(kuò)大，平均裂隙寬度5.8 mm（1.16 m）（圖22、圖23b）。

3.3.2 邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

邊幫煤開(kāi)采邊坡變形失穩(wěn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段采用SSR-X 雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖24），所監(jiān)測(cè)各平盤(pán)變形數(shù)據(jù)整理后繪制成（圖25、圖26）數(shù)據(jù)曲線，此過(guò)程可采的上下煤層長(zhǎng)度分別為232 m 和320 m，其余可采煤層均位于邊坡后方，開(kāi)采時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，故不做分析。

圖24 SSR-X 雷達(dá)監(jiān)測(cè)儀及成像模型Fig.24 SSR-X radar monitor and imaging model

圖25 上煤層開(kāi)采邊坡平盤(pán)變形Fig.25 Deformation curve of upper coal seam mining slope

圖26 下煤層開(kāi)采邊坡平盤(pán)變形Fig.26 Deformation curve of slope in mining of lower coal seam

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可知，上煤層開(kāi)采初期邊坡各平盤(pán)不發(fā)生變形移動(dòng)現(xiàn)象，直到開(kāi)采至115 m時(shí)，邊坡內(nèi)部巖體變形破壞發(fā)育至邊坡平盤(pán)處，致使邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象，上部1400 和下部1350、1340 平盤(pán)發(fā)生向露天礦坑的水平拉伸變形，下部1390、1380、1370 平盤(pán)發(fā)生向采空區(qū)的反傾向拉伸移動(dòng)變形，此過(guò)程中邊坡平盤(pán)存在局部破壞，烈度較低；開(kāi)采至232 m 終采線，此過(guò)程邊坡各平盤(pán)變形移動(dòng)趨勢(shì)維持失穩(wěn)后狀況，指向露天礦坑的最大變形平盤(pán)為1400，變形值為227.5 mm（0.227 5 m），且平盤(pán)局部有裂隙衍生，最大裂隙寬度250 mm（0.25 m）（圖25、圖26），因變形值和裂隙寬度均較小，所以不存在崩塌現(xiàn)象。

同物理試驗(yàn)相同，上煤層開(kāi)采結(jié)束后對(duì)下煤層進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采至125 m 時(shí)，上下煤層發(fā)生貫通，使邊坡上部1400 平盤(pán)向露天礦坑的鄰空移動(dòng)值不斷增長(zhǎng)，下部平盤(pán)向采空區(qū)移動(dòng)值也在不斷增大；繼續(xù)開(kāi)采至285 m 時(shí)，下部1350、1340 平盤(pán)發(fā)生向采空區(qū)方向的翻轉(zhuǎn)變形；直至開(kāi)采至320 m 終采線，邊坡上部1400 平盤(pán)向露天礦坑的變形值增大到376 mm（0.376 m）（圖26），且平盤(pán)局部區(qū)域發(fā)生崩塌現(xiàn)象（圖27a）和寬度不等裂隙，最大裂隙寬度接近900 mm（0.9 m）左右，最小寬度200 mm（0.2 m）左右（圖27b）。

圖27 邊坡平盤(pán)局部滑移及移動(dòng)Fig.27 Local slip and movement of slope flat plate

3.3.3 邊坡失穩(wěn)形態(tài)對(duì)比

通過(guò)上述邊幫煤開(kāi)采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的物理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析可知：

上煤層開(kāi)采至120 m 左右時(shí)，物理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示邊坡上部平盤(pán)巖體發(fā)生變形移動(dòng)，由此判定此時(shí)邊坡發(fā)生失穩(wěn)；上煤層開(kāi)采至終采線，物理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)邊坡平盤(pán)變形移動(dòng)趨勢(shì)均一致。

下煤層開(kāi)采至120 m 左右時(shí)，上下煤層采空區(qū)發(fā)生貫通，邊坡平盤(pán)變形移動(dòng)重新發(fā)生改變；直至開(kāi)采至終采線，物理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)邊坡平盤(pán)變形移動(dòng)趨勢(shì)均一致，但1400 平盤(pán)的變形值存在差異，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形值為376 mm（0.376 m），物理模型變形值為1.72 mm（0.344 m），且均存在局部失穩(wěn)崩塌現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)相似定律引出2 種相似材料配比方案，針對(duì)2 種方案制作標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸抗拉、抗壓試驗(yàn)，得出2 種配比試件的抗拉、抗壓強(qiáng)度，在通過(guò)相似原理對(duì)原巖抗壓、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行縮放后與兩組方案所得強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，確定方案2 的強(qiáng)度值與原巖更為相符，由此將方案2 的配比作為物理結(jié)構(gòu)模型的最終配比。

2）根據(jù)邊幫煤開(kāi)采邊坡變形演化特征可以將邊坡變形破壞劃分為3 個(gè)階段，分別為表生改造階段、結(jié)構(gòu)改造階段、時(shí)效變形階段；變形破壞后的巖體可以劃分為“豎三帶”，分別為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，表生改造階段隨工作面開(kāi)采長(zhǎng)度增加邊坡內(nèi)部巖體向采空區(qū)方向發(fā)生垮落，形成“豎三帶”中的垮落帶，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性較好；結(jié)構(gòu)改造階段邊坡發(fā)生失穩(wěn)，垮落的巖體形成“三帶”中的裂隙帶；時(shí)效變形階段邊坡延續(xù)上一階段變形特征，最終形成“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

3）按工作面開(kāi)采長(zhǎng)度可以將上煤層開(kāi)采邊坡變形演化特征劃分為初期、中期、末期3 個(gè)階段，下煤層劃分為初期和末期2 個(gè)階段；上煤層開(kāi)采初期：靠近采空區(qū)中心的巖體變形破壞高度較大，兩幫巖體受支撐變形破壞高度較小，且會(huì)形成懸臂梁、砌體梁、固支梁結(jié)構(gòu)；中期：上覆巖體遵循漸進(jìn)發(fā)展和循環(huán)往復(fù)的破壞規(guī)律，懸臂梁周期性斷裂誘發(fā)固支梁周期性垮落，直至固支梁上方的關(guān)鍵層斷裂，邊坡巖體變形破壞會(huì)發(fā)展至邊坡上部平盤(pán)處，循環(huán)往復(fù)規(guī)律終止；末期：邊坡巖體沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，未采動(dòng)區(qū)域巖體形成“未影響區(qū)”，采動(dòng)區(qū)域形成對(duì)稱(chēng)分布半“金字塔”狀的下沉盆地；下層煤開(kāi)采初期: 邊坡內(nèi)部巖體變形破壞以采空區(qū)為中心向兩幫減弱，變形破壞程度和范圍均較小；下層煤開(kāi)采末期:上下煤層之間的結(jié)構(gòu)性巖層發(fā)生貫通式破壞，引發(fā)邊坡巖體沿垂直方向向采空區(qū)下沉，水平方向向露天礦坑的緩慢移動(dòng)，直至開(kāi)采終止變形破壞的巖體呈半“類(lèi)曲線”狀。

4）通過(guò)物理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段共同得出上煤層開(kāi)采至120 m 左右時(shí)，因變形垮落巖體發(fā)育至邊坡平盤(pán)處使邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；下煤層開(kāi)采至120 m左右時(shí)，上下煤層之間的采空區(qū)發(fā)生貫通，誘發(fā)因上煤層開(kāi)采變形失穩(wěn)的邊坡重新發(fā)生移動(dòng)，直至開(kāi)采至320 m 終采線，邊坡上部1400 平盤(pán)存在局部崩塌失穩(wěn)區(qū)，失穩(wěn)區(qū)域較小，其余平盤(pán)均表現(xiàn)為指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)。