基于RFPA的露井联采下边坡破坏机理分析

周 杰，李绍臣，马丕梁

（1.煤炭科学研究总院安全分院，北京100013;2.煤炭科学研究总院检测分院，北京 100013）

基于RFPA的露井联采下边坡破坏机理分析

周 杰1，李绍臣1，马丕梁2

（1.煤炭科学研究总院安全分院，北京100013;2.煤炭科学研究总院检测分院，北京 100013）

为了研究露井联合开采条件下的岩层活动规律，对边坡破坏机理进行深入分析，根据某矿露井联合开采的技术条件和岩土体力学性质等参数建立数值计算模型，运用真实破裂过程分析软件 （RFPA）对边坡岩体随工作面推进时的变形、破坏情况进行了数值模拟。通过对不同平盘位移量的分析，验证了水平煤层露井联采条件下边坡岩体破坏规律存在3个破坏分区。根据分区情况对边坡岩体的破坏特征进行分析，进而对整个边坡的稳定性进行评价。

RFPA;露井联采;变形分区;边坡破坏机理;声发射

在矿产资源的开采方法上，浅部矿层一般采用露天开采的方法，而深部矿层采用井工开采的方法在经济上更有优势［1］。目前，为了发挥各自的优越性，使经济效益最大化，露井联采的模式已经被各大矿区逐渐采用。露井联采属于复杂岩层结构承受多次开挖、回填等受力过程的力学问题［2］，因此，探讨露井联合开采条件下的岩层活动规律，对边坡破坏机理进行深入分析，不仅具有重要的科学价值，而且在提高煤炭产量，减少煤炭资源的浪费，利于环境保护与治理等方面具有优越性。

目前，国内外研究边坡破坏机理的方法有相似材料模拟试验、Flac数值模拟等。本文采用基于弹性损伤理论，能够对岩石的变形、破坏、移动全过程进行模拟的真实破裂过程分析软件——RFPA，对露井联采下边坡变形及破坏情况进行模拟，根据模拟结果对露井联采下边坡破坏机理进行分析。

1 数值试验

1.1 数值试验条件

某露天矿东南帮东部4号煤处于风氧化带，无井工开采价值，主采煤层为9号煤层。该区域开采将是先期露天开采形成上部几个台阶，接着在露天矿边坡下方进行井工开采，属于联合开采模式。井工开采的9号煤层平均厚度13m，工作面煤层倾角2～7°，设计采高3.2m，平均放煤高度为5～10m，工作面宽度 240m［3］。

1.2 数值试验模型及其参数

RFPA露井联采数值试验模型如图1所示。模型沿水平方向取1000m，垂直方向取270m，基元大小2m×2m，总基元数67500个。每步开挖10m，近似等于每天的进尺，开挖30步。两个岩层之间加入了弱层。基元的弹性模量、单轴抗压强度等参数按Weibull函数随机分布来模拟岩石材料的不均质性和各向异性。模型边界条件为底部固定，顶部自由，左右两侧水平方向位移约束。在数值计算中，各岩层采用摩尔－库伦强度准则，其力学参数见表1。为了简化计算，应用平面应变模型假设，共布置7个监测点，用于分析井工开采对露天矿边坡岩体的影响。

1.3 数值试验结果分析

随工作面推进，采空区上覆岩层变形、冒落破坏情况以及边坡变形破坏情况如图2所示。

图1 数值试验模型及监测点位置

表1 岩土体力学参数

图2 数值试验结果

工作面推进90m时，顶板初次垮落，地表出现零星拉张裂缝，如图2（a）所示。

随着工作面的推进，顶板继续冒落，地表的拉张裂缝不断地发展、增多。当工作面推进到180m时，地表裂缝迅速向下发展，+1405平盘后方开始出现明显裂缝，+1435及以上平盘已经开始出现弯曲下沉，沉降变形增加较大，如图2（b）。

当工作面推进到280m时，边坡裂隙与垮落带裂隙贯通，采空区边界两侧岩体向采空区内倾斜、断裂，+1405平盘变形破坏加剧，+1435及以上平盘已明显失稳，如图2（c）。

2 露井联采下边坡破坏机理分析

2.1 边坡岩体变形分析

通过本次数值试验，可以得到露天矿边坡岩体在井工开采影响下的位移量。分别采集1～7号监测点的位移数据绘制成位移曲线图 （图3）。其中，4～7号监测点分别为+1435，+1405，+1375，+1360平盘的中点。在这里规定位移方向竖直向上为正，水平向右为正。

从图3（b），（d），（e）中可以看出，2号监测点和+1435，+1405平盘的岩体随着工作面不断开挖，逐渐向采空区倾斜。当工作面推进到280m时，+1435平盘坡脚裂缝与采空区垮落带裂缝贯通，并向采空区倾倒，平盘失稳。+1405平盘不同位置，水平及垂直位移量差距较大，所以，受到井工开采的影响，+1405平盘岩体较破碎。

由图3（c），（f），（g）可以看出，随着工作面的推进，3号监测点和+1375，+1360平盘附近的岩体有向自由面移动的趋势。当开挖至280m时，采空区裂缝贯通至+1435平盘坡脚，+1435及以上平盘垮落，使得平盘水平及垂直位移大幅减小，卸荷过后随着开挖的进行，+1373，+1360平盘的位移继续增大。

2.2 边坡岩体变形分区

根据数值试验得到的边坡内部岩体位移量和边坡平盘位移量 （图3），并结合边坡破坏特征 （图2），可得出图4所示的边坡岩体破坏分区模型。

位于覆岩垮落边界 （A区）内的岩体，随着9煤的开采而逐渐垮落，位移主要表现为垂直方向的沉降，水平方向位移较小。

位于覆岩垮落边界与岩层移动边界之间 （B区）的岩体，由于A区岩体的垮落而失去了左侧的支撑，岩体向采空区倾斜、断裂，故位移表现为向采空区的水平位移和垂直位移。

位于岩层移动边界右方的岩体 （C区），由于B区的岩体向采空区移动，充填采空区，对C区的岩土体产生挤压作用从而导致边坡岩体向没有约束的自由面方向移动，故C区岩体的位移主要表现为向右的水平位移。

2.3 边坡破坏特征分析及稳定性评价

图5给出了在井工开采过程中，边坡岩体破坏的声发射情况。

位于B区的岩体，在井工开挖过程中，首先在+1435平盘坡脚处出现拉伸破坏，随着工作面推进，A区岩体垮落，B区岩体失去侧向支撑，出现大量的压剪破坏区和拉伸破坏区，从图2（c）中可以直观的看出边坡裂隙与垮落带裂隙贯通，边坡+1405平盘以上部分，即位于B区范围内的边坡整体失稳，表现为逐渐向采空区滑移、倾倒。

图3 工作面推进过程中的边坡岩体变形情况

图4 边坡岩体破坏分区模型

图5 边坡岩体破坏声发射情况

位于C区的岩体，由于受到来自B区岩体的挤压力和自身下滑力的共同作用，首先在边坡坡脚处出现剪切破坏，随着开挖的进行，C区岩体开始在上部出现少量压剪破坏区。破坏区域并未贯通，仅仅在坡脚处形成了局部的剪切滑移出口，处在C区范围内的边坡整体是稳定的。

3 结论

（1）通过数值模拟得出的边坡位移量数据，对边坡位移情况进行分析，验证了水平厚煤层露井联采下边坡岩体破坏规律存在3个分区。

（2）分析边坡岩体破坏特征，并进行稳定性评价。处于B区范围内的边坡由于失去A区岩体的支撑而向采空区滑移、倾倒，从而整体失稳;处在C区范围内的边坡受到来自B区岩体的挤压作用，上部岩体出现少量的压剪破坏，坡脚处形成了局部的剪切滑移出口，但是破坏区域没有贯通，整体处于稳定状态。

（3）真实破裂过程分析软件RFPA能够较合理地模拟出露井联采下边坡破坏过程，相对于相似材料模拟试验有着无成本、耗时少、建模及试验过程简单、数据收集全面等优点，而且能够直观地观察井工开采引起的顶板垮落、边坡变形、破坏等现象，是模拟此类问题的新方法。

［1］朱建明，张洪涛，周保精，等.井工开采对露井联采边坡稳定影响的塑性极限分析 ［J］.岩土工程学报，2010，32（3）:344－350.

［2］刘向峰，何 峰，王振伟，等.露井联采下岩体变形规律［J］.辽宁工程技术大学学报 （自然科学版），2010，29（2）:187－189.

［3］刘宪全.安太堡矿露井联采边帮参数与工作线长度优化［D］.北京:北京科技大学，2008.

Mechanism of Slope Failure Based on RFPA in Open-underground Combined Mining

ZHOU Jie1，LI Shao-chen1，MA Pi-liang2
（1.Safety Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Detection Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

In order to research strata movement rule and slope failure mechanism in open-underground combined mining，a numerical simulation model was set up to analyze deformation and failure of slope rock during underground mining with RFPA based on mining technical condition and rock mechanic properties．3 failure partitions of slope rock were verified in open-underground combined mining by analyzing displacement of platform.On the basis of this，failure characteristic of slop rock was analyzed and slope stability was evaluated．

RFPA;open-underground combined mining;deformation partition;slope failure mechanism;acoustic emission

TD842.7

A

1006-6225（2012）02-0106-03

2011－12－01

煤炭科学研究总院科技发展基金 （2011CX04）

周 杰 （1988－），男，安徽阜阳人，在读硕士研究生，主要从事露天矿采矿技术、边坡稳定性分析及监测的研究工作。

［责任编辑:蓝 航］