多煤层开采条件下高陡山体变形控制

刘小平，田延哲，曹晓毅，刘元均

(1.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.贵州发耳煤业有限公司，贵州 六盘水 553017)

0 引 言

受我国能源结构及煤炭资源禀赋条件限制，西南地区煤炭资源高强度开采对高陡山体稳定性影响是一个长期存在、不可逆转的客观事实。对于该地区煤炭资源开采引起坡体失稳的减灾技术研究，许强等[1]、肖锐铧等[2]、董秀军等[3]、殷跃平等[4]的研究大多局限于灾害的事后调查与分析。对于由采矿诱发的重大滑坡灾害，在矿权划界、矿区规划、盘区接续、工作面设计等各个阶段，政府及矿山企业并未能将煤炭开采与地表采动山体失稳变形综合考虑，与控制山体变形相关的技术研究及生产管理工作缺乏，导致目前矿区采动滑坡灾害防治工作长期处于被动。地下煤层开采诱发山体滑坡防治，与地表自然滑坡有很大不同，防治思路要由地面灾害体防治转变为地下开采过程控制，才能达到“标本兼治”的目的。地下开采过程控制，又往往会与生产系统布置、瓦斯防治、生产接续等矛盾。基于此，在充分考虑矿山生产实际，掌握山体地质条件与地下开采空间关系的前提下，提出一种高陡山体下多煤层协调开采的思路与方法，实现对地表山体变形的有效控制，并在西南某矿五盘区划界、开采规划中进行预测评价，从根本上实现对采动山体变形的有效控制。

1 采动高陡山体滑坡灾害

1.1 地形地质条件

西南地区位于处青藏高原、四川盆地及云贵高原的构造过渡带，受板块间边界与俯冲力的控制，地壳强烈抬升，形成了巨大的大陆地形坡降带。长江、雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、大渡河等河流在该区域下切强烈，构成高山峡谷地貌景观[5-6]。山体高度低则百余米，高达1 000 m以上，坡体陡峭，坡度大都在50°以上。强烈的现代构造活动、复杂的地质环境，使得该地区成为我国滑坡、崩塌等地质灾害高易发区(图1)。

1.2 煤炭资源赋存及开采

西南地区是我国南方重要的煤炭生产基地，目前已探明的煤炭资源储量3 866万t，约占全国总储量的10%。该地区含煤地层主要为石炭系下统、二叠系中统、二叠系上统、三叠系上统、侏罗系下统和新近系。石炭系下统主要分布在滇东、黔西和黔东南一带；二叠系中统主要分布在黔西北和黔东；二叠系上统主要分布在重庆江津和四川筠连；晚三叠系主要分布在四川、重庆等地；侏罗系下统主要分布在川北地区；新近系沉积主要分布在云南地区[7]。这些地区大多为高山、中低山地形地貌条件。

Ⅰ—滑坡崩塌泥石流高险度区;Ⅱ—滑坡崩塌泥石流较高险度区;Ⅲ—滑坡崩塌泥石流中险度区;Ⅳ—滑坡崩塌泥石流低险度区图1 中国地质灾害滑坡、崩塌、泥石流危险性评价Fig.1 Risk assessment diagram of landslides,collapses and debris flows of geological hazards in China

西南地区煤层变化大，构造复杂，以中小型矿井为主，仅贵州省的小煤矿就有2 000余处。近年来，随着国家煤炭企业兼并重组与煤炭资源整合政策的实施,在西南地区逐步发展起来了白龙山煤矿、小龙潭矿务局、昭通褐煤露天矿、镇雄矿区、恩洪矿区等云贵亿吨级煤炭基地[8]。新建的现代化矿井大都引进长臂采煤法、一次采全高、综采放顶煤等先进的采煤方法与装备，开采规模及强度显著提升，对复杂地表及地质生态环境破坏问题更加突出。

1.3 地下采煤诱发高陡山体失稳重大地质灾害

复杂地质条件、脆弱生态环境下的煤炭资源高强度开采，导致该地区近年来诱发的高陡山体失稳灾害频发(表1)。此类滑坡及崩塌等灾害，不仅会直接损毁煤矿井下和地面工程设施，还会诱发泥石流、堰塞湖等其他次生灾害，具有规模巨大，危害性强，灾害链长，时间跨度大，致灾面积广的特点。

表1 西南地区典型采动崩塌地质灾害案例Table 1 Typical mining collapse geological disaster cases in Southwest China

2 地下采煤高陡山体变形控制方法

2.1 山体变形失稳因素分析

采动坡体变形受地形条件、地层结构和地下开采等共同控制。

1)地形地貌。西南地区地壳强烈抬升，河流下切强烈，地形落差巨大，沟谷纵横，上部山体高耸陡峭，沟谷发育呈深“V”字型，山体两侧邻空。高陡复杂地形地貌，为坡体失稳提供高位势能及运动条件。

2)岩性组合。西南山区坡体上部大多出露二叠系、三叠系的厚～巨厚层的坚硬灰岩，底部为含煤、铁或铝土矿等，构成了“上硬下软”稳定性较差的坡体结构。

3)岩体结构。西南地区主要受印度板块侧压作用，应力场主要表现为水平方向的挤压，岩体中发育多组节理裂隙，将岩体切割为大量不连续块体。灰岩中岩溶、溶蚀作用强烈。在长期的卸荷裂隙作用下，岩体完整性差。

4)开采条件[20]。采煤活动引起山区地表移动变形与工作面尺寸、采出率呈正比，工作面尺寸越大，回采率越高，地表变形量越大。地表破坏程度与采煤方法、工作面管理方式密切相关。相同条件下，长臂式开采工作面尺寸大、回采率高，采动滑坡发生概率大；房柱式、条带式等部分开采的工作面尺寸较小，回采率较低，地表移动破坏较小，滑坡发生概率较小。山区地表开采沉陷范围与深厚比呈正比，地表破坏程度与深厚比呈反比，重复采动对地表的破坏程度远大于初次采动。

工作面与坡体之间的相对位置和坡体变形模式密切相关。上半坡采动(图3a)易于形成“推移式”滑坡，下半坡采动(图3b)易于形成“牵引式”滑坡。全坡采动(图3c、图3d)因工作面推进方向不同，坡体变形也有很大区别，顺坡向开采易形成“推移式”滑坡，逆坡向开采易于形成“牵引式滑坡”。一般来讲，工作面推进方向对坡体变形模式的影响小于工作面与坡体相对位置的影响。

图3 工作面位置不同对应的采动坡体变形模式Fig.3 Deformation pattern of mining slope body corresponding to different working face positions

2.2 采动高陡山体变形特征

以贵州纳雍中岭滑坡为例[21]，边坡高约280 m，坡度约50°，上陡下缓，上部为三叠系下统飞仙关组紫红色泥岩、灰岩及砂质泥岩，下部是二叠系上统长兴组—大隆组的燧石灰岩以及龙潭组泥岩、粉砂岩夹煤线，“上硬下软”近水平层状地层结构(图4)。坡体下开采煤系地层为龙潭组，前期开采方式为小煤窑开采，工作面长度在100 m左右，开采时间达到20 a之久，在坡面下形成大片采空区，变形前5～6 a采用机械化开采。

图4 贵州纳雍中岭滑坡地质剖面图Fig.4 Geological section of landslide in Zhongling,Nayong,Guizhou

滑坡事后调查结果表明，中岭滑坡体受到地表侧向高陡邻空面及地下采空的共同作用。开采引起的地表移动可分解为重力场引起的沿坡体下山方向的位移分量和采矿活动引起指向采空区的位移分量。地下煤炭开采范围不断增大，指向采空区的位移分量持续增加，在上部灰岩与砂泥岩中逐步产生应力集中现象。岩体间产生离层或沿结构面开裂形成竖向贯通裂缝，坡体向外侧邻空面的变形引起岩体发生倾倒变形，当向外侧移动变形量超过岩体允许的变形阈值，引起坡体产生拉裂失稳破坏，形成采动滑坡或崩塌。中岭滑坡破坏失稳过程经历了“煤层开采—覆岩移动破坏—坡体变形加剧—山体失稳破坏”阶段。地下煤炭资源开采是坡体变形之诱因，重力场与采动应力场叠加引起的应力集中，是引起岩体破坏失稳之本质。

2.3 采动高陡坡体变形控制方法

西南地区煤层赋存具有煤层薄、开采层数多、层间距小，地应力高、瓦斯含量高的特点。一方面，需要尽可能地增强开采对覆岩的扰动及破坏，提高瓦斯抽采效率；优先从浅部露头向深部顺坡开采，形成开采保护层，提高瓦斯防治效果。另一方面，需要从山体变形控制角度考虑，尽量减轻开采对覆岩的扰动、逆坡开采。二者之间存在一定的矛盾。只能从采煤方法及工艺方面入手，才能达到山体变形控制的总体目标。经多方案对比论证(表2)，从经济性和效果上来看，协调开采是控制采动坡体变形的可行途径。

表2 高陡山体下各类采煤方法优缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of mining methods in high and steep mountains

协调开采是指多个煤层或工作面开采时，通过设置合理的煤层开采顺序、各工作面之间的最佳距离、工作面回采顺序、工作面接续时间，使开采一个煤层(工作面)所产生的地表变形和开采另一个煤层(工作面)所产生的地表移动变形符号相反，相互抵消，以减少采动引起的地表动态变形或静态变形量。

具体方法：多煤层开采时，当上一煤层工作面开采引起的地表沉降进入衰退期后再开采下一个煤层，将坡体总变形量逐步释放，地表倾斜、曲率及水平变形的总量及速率控制在坡体允许范围之内。同一煤层多个工作面回采时，将引起的地表变形相互叠加，将对不均匀沉降及水平变形敏感的高陡山体，最大可能的控制在移动盆地中间部位。多煤层多工作面协调开采过程中，不仅要控制地表倾斜、曲率及水平变形不能向坡体邻空面方向持续增加，还要在某个阶段向反方向发展，使得坡体在变形过程中岩体的构性及稳定性得到了一定程度的“自恢复”。一方面，通过延长地表变形时间、降低变形速率的方法，将地下开采对山体稳定性影响减轻。另一方面，通过控制地表移动的方向，将坡体承载能力得到恢复，达到对山体变形总体保护的目的。

3 工程实例

3.1 地质及采矿条件

图5 发耳煤矿构造纲要Fig.5 Structural outline of Faer Coal Mine

2)采矿条件。该盘区设计生产能力为90万t/a，服务年限约为64 a。开采煤层为二叠系龙潭组1、3、5、7煤，煤层厚度0.88～3.61 m，层间距5～35 m，埋深120～1 250 m，倾向长壁采煤法，工作面长度180 m，推进长度1 500～2 200 m/a，全部垮落法管理顶板。煤层特征见表3。

表3 五盘区可采煤层特征Table 3 Characteristics of minable coal seams

3)原开采设计方案。五盘区分为五上采区和五下采区(+780 m和+650 m水平)，均采用下山开采。开采1、3、5-2、5-3、7号煤层，自上而下逐层开采。工作面接续：由中部向南北方向双翼交替开采，避免形成孤岛开采。1号煤工作面接续顺序：50103→50101→50102→50105→50104→50107→50106采煤工作面。3、5、7号煤工作面接续顺序与1号煤层相同。

注：工作面编号规则是盘区编号(1位)+煤层编号(2位)+工作面编号(2位)图6 五盘区设计开采平面Fig.6 Mining plan of the fifth panel

3.2 原开采设计方案条件下坡体变形数值模拟

采用离散单元法UDEC计算软件对采动坡体变形进行数值模拟分析。岩石块体本构关系，选择摩尔-库仑强度准则。选取的力学参数见表4。

节理力学本构关系，选择库仑滑移关系。在工程现场调查及工程地质类别的基础上，经过多次数值模拟调参后，综合选取节理力学参数(表5)。

表5 节理力学参数Table 5 Mechanical parameters of joints

边界条件模型设置为二维平面应变。左右边界上设置为沿X轴方向固定，Y轴方向自由；底边界设置为Y轴方向约束，X轴方向自由。荷载：重力，方向为Y轴方向。首先以10—10′典型计算剖面为计算模型(图7)，模拟了自上而下5个煤层逐层开采过程中的坡体变形基本特征，为原开采设计方案数值模拟参数设置及计算策略提供经验。

图7 10—10′计算模型网格划分Fig.7 Grid division of 10—10′ calculation model

图8为1号煤全部开采后计算结果，图8表明，1号煤层全部采出后，坡体塑性破坏为局部浅层，尚未影响至永宁组灰岩高陡岩体，岩体裂隙不发育，地表水平位移与纵向位移接近零，煤层开采对地表移动变形影响很小。

图8 1号煤全部开采后计算结果Fig.8 displacement cloud map after No.1 coal mining

图9为3号煤全部开采后计算结果，图9表明，当3号煤层全部采出，地表塑性区范围逐步扩大，以连续的地表移动盆地为主，水平位移与纵向位移小于15 cm，在龙潭组砂泥岩地层中发育浅层滑坡，地表变形尚未影响永宁组灰岩高陡岩体的稳定性。

图9 3号煤全部开采后计算结果Fig.9 displacement cloud map after No.3 coal mining

图10为5号煤全部开采后计算结果，图10表明，随着5号煤层全部采出，地表水平位移达-2 m，纵向位移-3 m，地表塑性区发育范围扩大至永宁组灰岩高陡岩体，坡体顶部水平位移量超过1.5 m，整体形成了大范围的滑坡，地下开采对坡体整体稳定性影响大。

图10 5号煤全部开采后计算结果Fig.10 Displacement cloud map after No.5 coal mining

图11为7号煤全部开采后计算结果，图11表明，随着7号煤层全部采出，整个山体塑性区分布范围很广，地表及覆岩内部拉张裂隙非常发育，地表水平位移达-4 m，地表纵向位达-7.1 m，将可能会发生大规模的崩塌及滑坡灾害，永宁组灰岩高陡岩体大范围垮塌将严重威胁河流等安全。

图11 7号煤全部开采后计算结果Fig.11 Displacement cloud map after No.7 coal mining

从上述煤层逐步开采引起地表及覆岩移动的模拟过程来看(图8—图11)，地下开采范围、煤层厚度、坡形与地表移动变形密切相关。纵向移动基本符合地表移动沉降盆地特征，但水平移动完全受地形坡向控制，沿坡体下山方向的水平位移可达-4 m。坡体底部的龙潭组砂泥岩地层发生浅层滑坡，坡体上部的永宁组灰岩高陡岩体为大深层大规模破坏，随着开采范围的持续扩大，整个山体将可能发生失稳。多煤层开采过程中，山体将发生“煤层开采扰动，覆岩开裂破坏，地表沉降变形，煤层重复采动，坡体变形进一步加剧，从局部破坏转换为整体破坏”的灾害演化过程。

根据原开采设计方案，将五盘区划分为84个采煤工作面。按照采区布置及工作面接续方案，设置18个模拟开采步：第1开采步为50101、5013工作面，第2开采步为50102、50302、55202、55302及50702工作面，第3开采步为50103、50303、55203、55303及50703工作面，……，第16开采步为50116、50316、55216、55316及50716，第17开采步为50117、50317、55217、55317及50717，第18开采步为55318及50718。根据此回采顺序，对五盘区不同计算剖面进行地下开采对坡体变形的数值模拟分析。

以五盘区坡体最为陡峭的6—6′剖面为例(图12)，按原开采设计方案开采1、3、5及7号煤层，自上而下逐层开采进行模拟计算。该剖面上对应的开采步为第16步、第17步与第18步。

图12 6—6′计算模型网格划分Fig.12 Grid division of 6-6′calculation model

图13为6—6′剖面第16步开采后数值计算结果，图13表明，随着第16步开采，梯子崖发生塑性变形破坏，梯子崖岩体裂隙扩展，地表水平位移0～-0.8 m(梯子崖底部水平位移-0.8 m，上部-0.4 m)，地表纵向位移0～-3.5 m，梯子岩灰危岩体受采煤活动影响强烈，会发生局部滑坡崩塌破坏。

图14为6—6′剖面第17步开采后数值计算结果，图14表明，随着第17步开采，梯子崖整体发生塑性变形破坏，梯子崖顶部与底部大范围发生岩体裂隙扩展现象，梯子崖底部及底部水平位移分别达-1 m及-2 m，梯子崖底部纵向位移达到-12 m。

图14 6—6′剖面第17步开采后数值计算结果Fig.14 Numerical calculation results after 17th step of profile 6-6’

图15为6—6′剖面第18步开采后数值计算结果，图15表明，随着第18步开采，梯子崖可能将发生整体塑性变形破坏，梯子崖顶部与底部大范围发生裂隙扩展，地表水平位移达-5 m(梯子崖顶部-3 m)，地表纵向位移可达-16 m(梯子崖底部-6～-8 m)，采煤活动对坡体影响非常强烈，会发生大规模的崩塌破坏。

图15 6-6′剖面第18步开采后数值计算结果Fig.15 Numerical calculation results after 18th step of profile 6-6’

以上模拟结果表明，若按原开采设计方案下进行煤炭资源开采，由浅部向深部逐步回采至梯子崖底部的过程中，地表将发生大范围塑性区及岩体拉裂破坏现象。受岩性、坡形及地下采煤活动影响，梯子崖灰岩体纵向位移可达-8 m，向临空面的水平位移可达-3 m，巨厚灰岩体将发生大尺度、大规模的整体失稳，诱发巨大规模的高位远程滑坡灾害。

3.3 基于多煤层协调开采的高陡山体变形控制方案

结合该煤矿瓦斯灾害抽采、滑坡灾害控制2个方面的实际需求，多方案比较后提出采用多煤层群协调开采的方法实现对地表山体变形的控制。工作面接续具体原则：

1)工作面接续顺序。从山体变形控制角度考虑，遵循由深部向浅部进行回采的原则。考虑到该煤矿工作面接续紧张等现场实际困难，在五上采区与五下采区留设宽20 m保护煤柱(+780 m)。以保护煤柱为界，五上采区由深部到浅部回采方式，五下采区浅部向深部进行回采。

2)工作面接续时间。同一位置的上下煤层工作面从时间上错开回采，延长煤层开采诱发地表沉降的时间，待上层煤开采引起的地表沉降趋于稳定后，再开采下层煤。① 五上采区资源埋深相对较浅，根据采动条件下地表变形三阶段特征，确定该块段上下煤层回采时间间隔至少为2 a，以协调盘区工作面的整体接续布局，确保矿井生产能力。② 五下采区北翼埋深大，地表剧烈期更长，且矿井瓦斯含量更高。为使得被保护层瓦斯充分释放和上覆岩层充分稳定，同一工作面位置上下煤层回采时间间隔控制在3 a以上，统筹兼顾地表山体变形控制与与瓦斯治理。

在确保将该矿设计生产产能300万t/a的前提下，将五盘区可采的5个煤层划分为128个采煤工作面，规划开采时间由2017年5月至2080年1月，矿井服务期限内64 a(设计年限)。各个工作面接续协调开采工作面接续方案见表6和表7。

表6 +780 m水平以浅采区协调开采(工作面接续)方案Table 6 Scheme of coordinated mining (working face connection)above +780 m

表7 +780 m水平以深协调开采(五下采区工作面接续)方案Table 7 Scheme of coordinated mining (working face connection)below +780 m

3.4 高陡山体变形控制效果预测评价

以6—6′剖面为研究对象进行数值模拟分析，评价多煤层群协调开采山体变形控制效果。为了真实模拟“上一个工作面开采沉降稳定后、再开采下一个工作面”岩层移动与破坏过程，数值计算时将上一个工作面开采引起的岩层裂隙(新增加及扩展)作为下一个工作面开采模型的初始条件。计算参数与表4及表5保持一致。根据表6及表7的优化后工作面接续顺序，将6—6′剖面划分为10个开采步采掘，分别为第18开采步、第19开采步、第24开采步、第25开采步、第30开采步、第31开采步、第36开采步、第37开采步、第42开采步和第43开采步。

第18步开采后，湾河北侧坡体发生塑性变形破坏。永宁组灰岩受到采煤活动影响，岩体产生部分破裂，坡体底部塑性区形成，岩体破裂面发育，地表水平位移-0.2～0.6 m，地表纵向位移0.4～1.2 m，梯子崖灰岩开始受到采煤活动影响。

第43步开采后，湾河北侧坡体发生塑性变形破坏。永宁组灰岩受到采煤活动影响，地表水平位移0～-3 m，地表纵向位移-2～-10 m，梯子崖灰岩整体受到开采沉陷影响。

将原开采设计方案与协调开采方案条件下的坡体变形特征进行对比分析，煤层开采引起覆岩塑性区及破裂区总体发育趋势基本一致，下山方向龙潭组泥沙岩地层塑性区范围有所扩大，覆岩内部及地表破裂程度基本相当。地表水平位移变化差异显著，原开采设计方案条件下，永宁组灰岩水平位移远远大于其他区域，地表形成了大范围水平移动变形区，从形态上看似一个巨大的滑坡体；协调开采方案条件下，地表水平变形明显减少，且在整个坡体内部分布较为均匀，未形成明显的水平移动区域。地表纵向位移发育范围及发展趋势基本一致，协调开采方案条件下坡体的纵向位移沿上山方向发育略大，但沉降总量基本相当。

将6—6′剖面分别在原开采设计方案及协调开采设计方案条件下，直接控制坡体稳定性的最大水平变形及最大倾斜指标进行了统计分析(表8)。

表8 优化前采区坡体地表移动变形值对比

表8表明，3号煤层开采完毕引起的地表最大水平变形值降低了67%，最大倾斜值降低了41%；5号煤层开采完毕引起的地表最大水平变形值降低了80%，最大倾斜减低了50%；7号煤层开采完毕引起的地表最大水平变形值降低了85%，最大倾斜值降低了67%。由此可见，协调开采方案条件下，直接影响山体稳定性的最大水平变形及最大倾斜变形发生了显著降低，更有利于对山体稳定性的控制。

4 结 论

1)采动山体变形受地形条件、岩性组合、岩体结构及开采条件多因素共同作用，地下开采是坡体变形之诱因，重力场与采动应力场叠加引起的应力集中，是引起岩体破裂及坡体失稳之本质。

2)西南地区采动山体变形控制应统筹兼顾矿井瓦斯防治，既要覆岩发生断裂提高瓦斯抽采效果，还需控制地表变形减轻对山体稳定性的影响，多煤层协调开采是解决此问题的可行路径。将开采活动对覆岩变形及破坏速率降低，逐步释放总变形量，利用地表变形符号的变化，将水平变形及倾斜等坡体稳定性敏感指标控制在允许变形之内，受保护山体控制在移动盆地的中间部位。

3)西南某矿五盘区山体下多煤层协调开采预测结果表明，最大水平变形降低了67%～85%，最大倾斜值降低了41%～67%，梯子崖(永宁组灰岩)稳定性得到控制。