地下扰动条件下边坡稳定性分析

2020-09-02张小波

露天采矿技术 2020年4期

张小波

（同煤集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西朔州036000）

由于我国煤层赋存条件多变，对于煤层埋藏距离地表浅且较厚的矿区采用露天开采，而埋藏较深的煤层则适用采用井工开采，形成了露天井工联合对矿区复杂埋藏的煤层进行开采[1-5]。而在井工开采的过程中易引发地表变形、拉裂及塌陷等灾害的发生。为了更高效安全地开采安太堡露天矿丰富的煤炭资源，对该露天矿南帮进行露天-井工联合开采，并对其进行物理相似与数值分析相结合的方式探究露天-井工联合开采的可行性及边坡稳定性。

1 相似模拟试验

单纯的露天开采模式下边坡本身就存在着边坡稳定的问题，而南帮内部还进行井工开采，因此对于边坡的稳定的探究就不能仅使用数值模拟进行稳定分析，还要使用相似模拟探究在井工联采的条件下对边坡地表破坏的模拟。

1.1 物理相似模拟模型

目前研究的4#煤层埋藏较浅，开采方式为放顶煤，由于该种方式推进速度快，并且两层煤层开采后上部岩土体的“三带”破坏现象必然十分严重，导致露天开采的南帮落后于井工开采，这样就造成该帮的边坡处于井工开采后的塌陷区内。为分析4#煤层开采过程中围岩的变形情况，以及其地表的下沉情况，通过相似模拟试验进行分析。试验所采用的骨料为砂子，胶结材料为石灰、石膏，不同岩层间用云母粉进行分开[6-9]。根据所取岩样的强度测试试验结果计算相似材料配比，考虑到岩层间差异性将折减系数调整为0.6。通过岩层厚度及岩性情况计算岩层相似分层面积、相似材料密度求出模型整体质量。各层所需材料质量以及岩层厚度见表1。

表1 模型试验配比表

1．2 试验结果

4#煤在沿着煤层倾向推进的过程中，其上覆岩层开始逐渐断裂破坏，岩层开始整体下沉。当4#煤层推进50 m 时，直接顶发生坍塌破坏；煤层持续推进到80 m 时上覆岩层向上垮落到60 m 左右，持续推进到70 m 时，煤层和上覆岩层出现离层状况。且开挖的后发现，4#煤上覆岩层在竖直方向上的变形位移曲线是以开采为中心对称分布。同时对模型上的1435 平台处的9 号点为例进行数据分析，边坡的台阶处水平和法向整体的位移都偏小，向前开采到130 m 仅为26 cm，说明该阶段的开采对边坡的整体变形并没有发生较大的影响。1435 平台9 号监测点下沉曲线如图1。

图1 1435 平台9 号监测点下沉曲线

再向前开挖130 m 的基础上继续推进到240 m，所监测的1450 平台全部以及1435 平台的左侧地表开始出现弯曲下沉的情况。其中1450 平台上的1 号点沉降已经达到4.77 m，这是由于大裂隙贯通所致，通过和现场实际情况对比可以看出其岩层的垮落规律与实际基本相符而开挖后的断裂情况可以看出其上覆土层中出现了1 个由上至下且范围较大的倾斜贯通裂隙带，在其左右的两侧出现由开挖的工作面到达煤岩分离界面的大型岩层断裂和左侧塌陷区边界夹角约为49°，与右侧塌陷区的夹角为55°。观察整个模型上部1435 平台上方台阶开始出现弯曲沉陷，对于1435 平台下方台阶发生微弱变形，因此整体而言边坡还是安全可靠的。4#煤开采至240 m 时9 号点沉降曲线如图2，4#煤开采至240 m时1 号点沉降曲线如图3 而9 号点此时也沉降了80 cm。

图2 4#煤开采至240 m 时9 号点沉降曲线

图3 4#煤开采至240 m 时1 号点沉降曲线

矿山在开采后的岩层的滑动和破坏是一个复杂多变的现场。伴随着工作面的向前推进，后方形成的采空区的顶板在其上方岩层的压力下以及自重发生弯曲变形，并且其持续向前采空区面积增大，当顶板所承受的压力也将增大当超过其最大抗压强度时，顶板最终将断裂、破碎最终将垮落。并且在巷道的开挖或者工作面的推进的过程，围岩的原始地应力发生变化破坏了原有的平衡，致使围岩的应力发生改变重新分布形成一个新的应力场。

根据沉降数据以及模型观察，可以得到在4#煤的开采过程中，其垮落规律基本符合“三带”模式，随着开采的推进，顶板开始垮落，并出现垮落带，当开采距离达到100 m 时，上部覆岩开始断裂，并且随着开采的推进，断裂范围向地表扩展，至240 m 时，地表岩体弯曲，形成弯曲带。

模型在开采的过程中发现一方面采空区塌陷角范围内包含1540 平台以及1435 大部分区域，并且该部分垮落彻底，使之变成极为破碎的岩土，这时的边坡和平台失稳变得极为明显。由于井工的开采破坏了岩层的原有形态，让边坡内部的岩土应力发生很大的改变，使其强度急剧降低，让边坡极易沉降变形，其中1450 平台发生的地表沉陷是所有平台中变化最为严重的，最深处达10.55 m；不在采空区塌陷角区域内的平台虽然不受到采动边缘的影响，但是由于沉陷所产生应力作用影响，使边坡顶部以及周边表土层受到水平拉应力拉伸变形。因此在1 390 m 水平以上的平台则会出现以塌陷和滑坡2 种破坏模式，并且随着开采的持续进行，采空区上方的岩层将逐渐压实，破坏逐渐减小进而转变成滑坡的破坏形式。平台线的最终沿降曲线如图4。

图4 平台线的最终沉降曲线

2 边坡稳定性数值分析

将边坡所在地层构建块体模型，对建立好的模型进行开挖形成长1 200 m、宽1 200 m、高400 m，台阶标高为＋1 050 ～＋1 450 m 水平。所建立边坡模型共划分130 680 个单元格，167 200 个节点。

401 工作面中部走向剖面最大主应力场如图5，402 工作面中部走向剖面最大主应力场如图6。

图5 401 工作面中部走向剖面最大主应力场

从图5 和图6 中可以看出，随着工作面的推进，在工作面推进到422 m 以前，工作面前端应力集中现象逐渐增加，前端煤体表现出很好的承载效果。当工作面推进到422 m 以后，工作面前端应力集中系数减小，煤体承载能力减弱，由于靠近边坡坡体，工作面的开采将影响到边坡的稳定性。4#煤层2 个工作面分别推进480 m 后，围岩的应力场基本服从由上到下逐渐增加的变化趋势。受到煤层开采扰动的影响，工作面的前端和后端存在应力集中现象，应力的最大值达到了10 MPa 左右。工作面上方岩体垮落，能量释放，形成了应力降低区。随着工作面地推进，上部围岩重新堆积压实，在工作面上方形成了高度75 m 的应力拱结构承载。

井工-露天联采后边坡围岩的应力场如图7，应力基本服从由上到下逐渐增加的变化趋势，受到开采扰动的影响，边坡坡体表面处于应力降低区。边坡坡体表面的拉应力场如图8，从图8 可以看出，在地表塌陷坑的四周以及台阶处均出现了0.5 MPa 左右的拉应力。