不同井采方向边帮煤开采边坡稳定性及控制措施

王文才，李俊鹏，王创业，陈世江，李仕璋

（1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271103）

边帮煤是指受露天开采设计和技术条件限制滞留在露天平盘下及边坡境界外煤炭资源的总称[1]。具不完全统计我国现有露天煤矿400 余座，积压的边帮煤资源储量约为98～140 亿t，占露天矿总资源量的14%～20%[2-4]。如何将边坡下部赋存煤炭资源“吃干榨净”，达到利用最大化、企业经济效益最大化，是困扰所有露天煤矿的一大难题。边帮煤回采会受露天和地下双重采动效应影响，形成了一个动态多元的复合系统，一定程度上能提高资源的回收率，但也会加快边坡岩体塑性区形成，使塑性区在内部岩体中发育，此过程如在外部荷载作用下，边坡极易发生塑性破坏和失稳现象[5-8]。因此，边帮煤回采边坡变形破坏和失稳机理成为现行采矿和岩土界各学者十分重视的研究课题。丁鑫品等[9]通过相似模拟对露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化进行了分析；李正胜等[10]运用自主研发锚固式多点位移计对房柱式采空区影响下露天端帮煤开采安全控制技术进行分析；Sibabrata Patnayak等[11]通过数值模拟对露天转地下开采无煤柱保护对边坡稳定性的影响进行分析，阐述了露天和地下2种采动效应叠加对边坡稳定性的影响；蓝航等[12]采用相似模拟实验对露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律进行研究；刘辉等[13]通过离散元数值模拟对大冶铁矿露天转地下开采边坡稳定性进行分析研究；张亚民等[14]对高应力区露天转地下开采岩体移动对边坡稳定影响进行分析；史秀志等[15]采用数值模拟对复杂条件下露天转地下采空区围岩变形及破坏特征对边坡稳定性进行分析；杨宇江等[16]对露天转地下境界矿柱安全厚度对边坡稳定性进行分析；南存全等[17]提出了井工长壁采煤法对边帮煤进行回采，此项技术是解决露天矿边帮厚煤层回采有效方法；朱建明等[18]通过相似和数值模拟实验对水平厚煤层露井联采下边坡破坏机理进行分析，阐述了露天边坡的破坏是一个渐进的过程；喻梅[19]对端帮压煤条带开采下煤柱及坡体稳定性机制进行研究，阐述了端帮压煤条带开采围岩应力、变形及塑性区分布特征，得到了煤柱宽度；李海英等[20]对露天转地下过渡期岩移危害控制方法进行研究，提出应用诱导冒落技术控制挂帮矿地采岩移的方法不仅能改善露天地下安全生产条件，而且能扩展露天地下同时开采时间与空间。鉴于此，采用数值模拟实验对边帮压煤井工开采不同回采方向下边坡变形破坏及稳定性及控制措施进行分析。

1 数值结构模型

采用数值模拟中的莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则，岩土材料莫尔-库伦模型及屈服准则如图1。

图1 岩土材料莫尔-库伦模型及屈服准则Fig.1 Mohr-Coulomb model of geotechnical materials and yield criterion

由莫尔-库仑屈服函数定义：

式中：fs为判据；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；σT为抗拉强度；c 为黏聚力；φ 为内摩擦角。

当fs＞0 时，模型将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩土体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩土体是否产生拉破坏。

由此采用FLAC3D中的莫尔-库仑屈服准则及其fish 语言，结合所研究矿山煤层顶、底板岩石力学参数[21]编制边坡数值模型，模型长、宽、高分别为500、200、242.2 m，顶面采用自由边界，其余几个面均进行约束，模型共布置6 排检测线，每个平盘处布置1排监测线，分别位于1400 平盘～1340 平盘。

2 不同回采方向边坡变形破坏及稳定性分析

边坡变形破坏和稳定性降低现象实质上是由回采工作面顶、底板岩层变形破坏区的形成和发展引起的。变形破坏区的大小和形态决定了边坡内部岩体的破坏程度和对平盘稳定性影响程度。由此，根据已建立不同回采方向的边坡模型分析回采过程中变形破坏区发展演化规律及边坡稳定状况。

2.1 顺坡开采边坡变形破坏及稳定性分析

顺坡开采边坡变形破坏数值结构模型如图2，顺坡开采各平盘位移变化曲线图如图3。

图2 顺坡开采边坡变形破坏数值结构模型Fig.2 Slope plastic deformation structural model for downhill mining

图3 顺坡开采各平盘位移变化曲线图Fig.3 Curves of displacement change of each flat plate in downhill mining

由图2 和图3 可知，边坡内部岩体塑性区形态特征及变形沉降随开采长度增加差异较大，平盘位移变化趋势呈由静到动的发展趋势，其特点分布为：

1）回采初期（0～140 m）。因井采扰动使边坡原岩应力平衡发生改变，工作面在均匀高应力作用下，内部岩体破坏区域首先出现在工作面顶板和底板，呈上下对称分布，但因塑性破坏区范围较小，边坡各平盘维持露天开采后状态，不发生变形破坏现象。

2）回采中期（140～250 m）。在回采扰动增大的基础上，顶板破坏区向上扩展，并指向边坡平盘，此时破坏区逐步扩展至边坡中部1380 平盘和1370 平盘处，使得边坡各平盘由静止状态向变形破坏的活跃期转变，位移值也发生线性变化，水平和垂直位移都指向采空区，上部和下部平盘变形破坏幅度略小，移动趋势和中部平盘一致。

3）回采至终采线（250～300 m）。受回采水平推力的增大和下部平盘及平盘后方岩层沉降的挤压影响，顶板破坏区范围持续向上扩展。持续回采下顶板塑性区逐步向边坡中部平盘处扩展，该阶段边坡上部1400 平盘由向采空区移动趋势转变发生向露天矿坑移动，且伴随着向上抬升现象，水平移动和垂直抬升值呈正态分布规律，随回采长度增大而增大，此过程伴随着破坏区持续向边坡中部平盘处扩展，使得边坡稳定性进一步降低。直至回采终止，指向露天矿坑的最大移动区域为1400 平盘，水平位移值0.29 m，垂直抬升值0.22 m，指向采空区的最大移动区域为边坡中部1370 平盘，水平位移值0.79 m，垂直位移值1.23 m，此时边坡最终发生指向采空区方向的失稳变形，局部区域指向露天矿坑。

2.2 逆坡开采边坡变形破坏及稳定性分析

逆坡开采边坡塑性变形结构模型如图4，逆坡开采各平盘位移变化曲线图如图5。

图4 逆坡开采边坡塑性变形结构模型Fig.4 Structural model of plastic deformation of slope in uphill mining

图5 逆坡开采各平盘位移变化曲线图Fig.5 Change curves of displacement of each flat plate in uphill mining

由图4 和图5 可知，同顺坡回采相同，随回采长度增加边坡内部岩体及平盘变形破坏区域和形态差异较大，平盘位移变化趋势呈由静到动的发展趋势，其特点分布为：

1）回采初期（0～100 m）。边坡内部岩体受开挖影响，使得原岩应力发生扰动，回采工作面顶底板形成变形破坏场域，范围随开采长度增大不断扩大，但因边坡各平盘远离内部岩体变形破坏区，所以各平盘不发生移动变化，维持露天开采后形态和位移值。

2）回采中期（100～180 m）。因回采长度的增大，边坡内部岩体变形破坏区范围持续向上扩展，逐步对边坡中部和下部平盘形成影响，发生移动现象，移动趋势均呈正态分布，最大移动平盘位于边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘，且此时变形破坏区范围已扩展至上述平盘处。

3）回采至终采线（180～220 m）。因上述回采使得变形破坏区范围扩展至边坡中部和下部平盘处，使得平盘和后方的岩体向采空区方向不断移动对边坡上部1400 平盘形成挤压影响，平盘移动趋势发生改变，水平方向由向采空区移动趋势转变为向露天矿坑移动，垂直方向由向采空区下沉趋势转变为抬升移动，其它平盘维持向采空区移动趋势，直至回采终止，指向露天矿坑的最大移动区域为1400 平盘，水平位移值0.53 m，垂直抬升值0.28 m，指向采空区的最大移动区域为边坡中部1370 平盘，水平位移值0.94 m，垂直位移值1.32 m。

2.3 顺坡和逆坡回采边坡变形破坏及稳定性

综上所述，通过上述分析可以得出，顺坡回采受回采扰动影响边坡破坏区发育至边坡中部1380 平盘～1370 平盘处，平盘稳定性发生破坏，且因受损的1380 平盘和1370 平盘向采空区移动挤压影响边坡上部1400 平盘发生向露天矿坑移动趋势。直至回采终止，边坡最终发生指向采空区方向的失稳变形，1400 平盘局部失稳变形区域指向露天矿坑。逆坡开采边坡内部岩体变形破区发育扩展趋势与顺坡开采较一致，但主要破坏区域变为边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘，且上部1400 平盘移动向露天矿坑移动值更大，局部失稳现象比顺坡回采更为明显。

3 边帮煤回采边坡变形破坏控制措施

提出采用回填压脚和逆坡开采局部充填2 种方案对边坡的变形破坏进行控制。

3.1 回填压脚对边坡变形破坏进行控制

边帮煤回采是通过回采推力作用向前挺进实现资源回收，而回采推力会削弱边帮底部结构的承载力，进而造成边坡变形破坏影响边坡的稳定性[22]，回采推力的影响效应受边帮形状及回采煤层前方覆盖物的影响。提出采用露天剥离的废石及煤矸石对边坡下部台阶进行回填压脚来控制边坡的稳定性。回填压脚边坡变形破坏结构模型如图6，回填压脚边坡各平盘位移变化曲线图如图7。

图6 回填压脚边坡变形破坏结构模型Fig.6 Plastic deformation structure model of backfill presser foot slope

图7 回填压脚边坡各平盘位移变化曲线图Fig.7 Displacement variation curves of each flat plate of backfill pressure foot slope

由图6 和图7 可知，采用回填压脚对边帮煤进行回采边坡内部岩体变形破坏区扩展范围及平盘位移变化相比不采取措施均较小，其特点分布为：

1）回采初期（0～150 m）。边坡内部岩体变形破坏区扩展趋势与原模型扩展相近，围绕采空区顶底板存在变形发育现象，此过程因回采长度不足对边坡平盘不存在扰动，固边坡稳定性良好。

2）回采中期（150～225 m）。顶底板变形破坏区随回采工作面增大继续扩展，逐步向边坡平盘处进行扩展，此过程边坡平盘发生向采空区方向的变形移动现象，位移值均较小，对边坡稳定性不构成影响；

3）回采至终采线（225～300 m）。因回填压脚改变了边坡原有结构形态，变形区虽然随回采长度增加持续向边坡平盘处扩展，但扩展范围得到了有效控制，回采结束边坡最大水平和垂直位移均为边坡下部1340 平盘，水平位移值0.04 m，垂直位移值0.47 m，其余平盘位移值依次递减。

综上所述，采用回填压脚措施可以对边坡原有结构形态形成改变，在相同回采扰动作用下能够有效控制边坡内部岩体运移破坏现象，遏制变形区扩展发育，从而达到控制边坡稳定性的效果。

3.2 逆坡回采局部充填对边坡变形进行控制

充填开采对提高煤矿安全生产、煤炭资源综合利用水平及绿色发展理念具有重要意义。实施充填开采不仅可以提高矿井安全生产程度，而且可以处置矿区固体废弃物，改善矿区生态环境，实现资源协调发展[23]。提出采用逆坡回采局部充填方案对边帮煤开采边坡稳定性状况进行控制，为了在经济和控制边坡稳定性两方面都达到最佳，采用矸石膏体局部充填率定为80%，充填长度80 m。逆坡回采局部充填边坡塑性变形结构模型如图8，逆坡回采局部充填平盘位移变化曲线图如图9。

图8 逆坡回采局部充填边坡塑性变形结构模型Fig.8 Plastic deformation structure of partially filled slope in uphill stopping model

图9 逆坡回采局部充填平盘位移变化曲线图Fig.9 Displacement variation curves of local backfill plate in uphill stoping

由图8 和图9 可知，采用逆坡回采局部充填对边帮煤进行回采，边坡内部岩体受充填体支撑塑性区扩展范围及平盘位移变化相比不采取措施均较小，其特点分布：

1）回采初期（0～100 m）。边坡内部岩体因回采扰动影响发生变形破坏现象，且因采用逆坡回采边帮煤扰动效应对边坡各平盘均存在影响，随回采长度增大平盘位移值发生变化；

2）回采中期（100～225 m）。因边坡各平盘所受荷载大小不一致使边坡内部破坏区扩展范围逐步呈不规则状进行扩展，且此过程因工作面上方垮落的岩体受充填物支撑，破坏区范围和速度得到有效控制，使得边坡各平盘位移值呈缓慢增长。

3）回采至终采线（225～300 m）。因工作面区域的扩大，使得缺少充填体支撑的覆岩继续发生变形沉降现象，边坡内部破坏区范围继续扩展，此过程边坡各平盘位移值均呈线性增大趋势，直至回采结束，受开采扰动的破坏区发育趋势指向边坡中部1370 平盘和1380 平盘，但未对平盘形成破坏，边坡稳定性不受影响，边坡最大水平和垂直位移均为下部1340 平盘，水平位移值0.065 m，垂直位移值0.43 m。

综上所述，采用逆坡回采局部充填措施可以在回采初期对边坡内部变形破坏的覆岩形成有效支撑，从而达到遏制破坏区扩展的效果，减缓边坡平盘因工作面回采所造成的破坏，直至达到控制边坡稳定性的效果，分析发现直至工作面回采至停采线破坏区扩展范围未到达边坡平盘下部，边坡稳定性较好。

4 结 语

1）根据边帮煤赋存特点，提出采用顺坡和逆坡2 种方案对边帮煤进行回采，分析结果显示，边坡稳定性状况与回采方向有关，顺坡回采工作面长度大，采场岩体变形破坏发育强度和深度比逆坡回采弱，回采至停采线，边坡中部1370 平盘和上部1400平盘稳定性存在衰减，使局部存在滑移情况，失稳现场指向采空区，对安全生产影响较小；逆坡回采工作面长度小，且受回采影响稳定性衰减的平盘存在剪切失稳现象，由此可以得出在相同条件下回采边帮煤，顺坡优于逆坡回采，且边坡稳定性更好。

2）根据边帮煤回采边坡变形破坏及稳定性状况提出采用回填压脚方式对边坡稳定性进行控制。分析结果表明，在边帮煤回采过程中采用回填压脚可以改变边坡原有结构形态，使边帮煤在同等作用力下回采边坡内部岩体运移状况得到缓解，达到控制变形破坏区发育的目的，从而达到控制边坡稳定性的效果，直至回采至终采线，边坡内部破坏区未发育至边坡平盘处，由此可以得出采用回填压脚方式可以控制边坡稳定性。

3）通过边帮煤回采边坡变形破坏区发育形态和对边坡稳定性影响提出采用逆坡回采局部充填方式对边坡稳定性进行控制。结果表明，采用逆坡回采局部充填措施可以在回采初期对边坡内部变形破坏的岩体形成有效支撑，达到遏制破坏区扩展的效果，减缓边坡平盘因工作面回采所造成的破坏，直至达到控制边坡稳定性的效果，分析发现直至工作面回采至停采线破坏区扩展范围未到达边坡平盘下部，边坡稳定性较好。