地下开采扰动对露天排土场边坡变形破坏的影响

王晓俊，吕文伟，韩 流，陈祥宸

(1.国能准能集团有限责任公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

随着露天开采在我国矿山开采领域比重逐渐增大，露天矿山边坡安全问题也愈发突出[1，2]。影响边坡稳定性的因素众多，其中由于露井联采[3]、露天转地下开采[4]和矿山边坡下地下开采[5]等原因所形成的边坡下采空区严重影响着边坡稳定，威胁着露天矿山人员及设备安全[6]。

许多学者就采空区对边坡稳定性的影响进行了大量研究。蓝航等[7]指出采动影响下台阶状边坡体表现出明显的“台阶”分布沉陷规律。柴红保等[8]总结了位于边坡体不同位置不同跨度的采空区对边坡稳定性的影响规律。王振伟[9]通过相似模拟试验研究了地下开采对露天矿边坡变形过程的影响。杨晓杰等[10]指出当边坡滑动面穿过采空区时会严重影响到边坡稳定。张震等[11]通过正交试验分析得出采空区位置对边坡稳定性影响最大，采空区跨度次之，采空区高度影响最小。苏二换等[12]分析了不均匀载荷和不同外排土场形状对采空区的地表沉陷过程中的应力分布形态及变形规律。这些研究丰富了采空区对边坡稳定性的影响规律。然而，露天矿排土场是在露天矿开采过程中产生的大量剥离物或尾矿渣被集中堆排形成的岩土工程体[13]，由于排弃物料复杂，抗剪强度低，且由人工堆排、通常为高陡边坡的特点决定了排土场边坡更易出现安全问题[14]。

以上研究为地下开采对露天矿边坡变形影响奠定了理论基础，但是露天矿排土场是松散堆积体，未形成连续完整岩层，其地下开采引起地表沉陷，造成露天矿排土场边坡变形破坏规律有待深入研究。本文以酸刺沟煤矿地下开采引起哈尔乌素露天矿排土场边坡失稳为例，分析了地表沉陷规律及其诱发排土场变形机理，采用概率积分法预测地表沉陷量，并借助FLAC3D分析排土场边坡变形及地表塌陷，同时模拟了工作面回采结束后排土场边坡的位移变化，为露天排土场治理提供了依据。

1 工程地质概况

哈尔乌素露天矿外排土场占地面积5.06 km2，排土高度100～120 m，最终帮坡角21°，目前已排弃到界，全部完成覆土。酸刺沟煤矿为地下开采煤矿，采用长壁工作面布置，该矿一盘区位于哈尔乌素露天煤矿的外排土场的下方，该矿主要开采4#煤层和6#煤层，根据酸刺沟煤矿的开采设计，在哈尔乌素外排土场境界范围内，4#煤共布置五个工作面，6#煤布置七个工作面。目前，4112工作面和6102工作面已经开采结束，最后一个工作面6104将于2023年5月开采结束。哈尔乌素露天矿外排土场与酸刺沟矿一盘区采煤工作面位置关系如图1所示。

图1 哈尔乌素露天矿外排土场与酸刺沟矿采煤工作面位置关系Fig.1 Location of the external dump of Harwusu Open-pit Mine and the mining face of the Sunancigou Coal Mine

酸刺沟矿4#煤的4112工作面和6#煤的6102工作面开采后，分别引起了外排土场不同程度的沉陷和坍塌，部分台阶出现逐渐下沉裂缝，坡面出现大量裂缝、滑移及倾斜，严重影响了外排土场的稳定性，如图2所示。哈尔乌素外排土场先前整体呈现稳定状态，而自酸刺沟煤矿一盘区工作面开始采煤后，外排土场陆续呈现失稳状态，目前工作面开采到第三阶段，先后已经有羊场东塌陷区、水车路塌陷区、外排1175塌陷区、联络路塌陷区四处典型塌陷破坏区。预计随着后续4#和6#煤层其他工作面的进一步开采，外排土场的沉降和裂缝将会进一步加剧。因此，提前分析、预测及建立预防措施，对于外排土场的稳定具有重要意义。

图2 酸刺沟矿开采引起哈尔乌素露天矿外排土场变形失稳Fig.2 Deformation and destabilization of the outer dump of Harwusu Open-pit Mine caused by mining in Suancigou Coal Mine

2 地表及排土场移动与变形动态过程

当地下采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。地表移动和变形受到多种地质采矿因素的影响，开采深度、开采厚度、采煤方法以及煤层产状等因素不同，地表移动和破坏形式也不完全相同。分析酸刺沟煤矿地质条件可以看出，4#煤平均采厚4.8 m，平均采深210 m，深厚比为43.8，4#煤开采后能够形成明显的三带结构。6#煤平均采厚25 m，平均采深252 m，深厚比10.1，开采后形成的断裂带已经接近地表，弯曲带厚度较薄，地表存在不连续变形。

地表移动持续时间是指在充分采动或接近充分采动的情况下，地表最大下沉点从开始移动到移动稳定所持续的时间，分为：开始阶段、活跃阶段、衰退阶段。酸刺沟煤矿6上101-1、6上101-2、6上103-1、6上103-2工作面地表移动观测站的监测结果表明，该区域的地表开始移动后，很快进入活跃阶段，开始阶段时间极为短暂，观测结果表明开始阶段只有2 d，活跃期约为82 d，衰退阶段约为184 d，移动总时间约为268 d。由于监测系统问题，后续工作面推进无法收集到监测数据。

分析酸刺沟煤矿的地表移动观测资料以及地质采矿资料发现，区域地表沉陷呈现不连续的特征，存在裂缝、台阶等各种不连续的变形，但是从整个移动盆地的沉陷分布来讲，仍然符合概率积分法模型描述的地表移动盆地特征。因此，本研究采用概率积分法对该矿地下开采引起的地表沉陷进行预计，其概率积分法的数学模型如下：

地表任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)，见式(1)：

地表任意点A(x，y)沿φ方向的水平变形值ε(x，y)j见式(2)：

中国矿业大学开采损害及防护研究所依据该概率积分法数学模型，开发了相应沉陷预计软件，利用该软件预测得到不同阶段工作面开采造成的地表沉陷预测值，如图3所示。

图3 酸刺沟煤矿开采引起地表沉陷及预测值Fig.3 Predicted surface subsidence due to coal mining in Suancigou Coal Mine

3 地下开采引起排土场边坡变形机制分析

随着地下开采工作面的推进，采空区围岩发生应力重新分布，排土场边坡的存在打破了原始应力的对称分布状态，地表移动盆地呈现非对称分布，排土场坡顶的地表位移量大于坡脚。排土场边坡内部呈现出新的拉应力区、压应力区、剪应力区[15]。由于工作面布置位置与排土场边坡的倾向、走向存在方向位置，导致新的应力状态对边坡的稳定性影响是不同的，有的增加了抗滑力，有的增加了下滑力[16]。根据边坡位移大小、方向及受力状态，排土场边坡覆岩移动状态划分为5个区，如图4所示。

图4 地表沉陷诱发上部边坡失稳Fig.4 Upper slope instability induced by surface subsidence

垮落松弛变形区(Ⅰ区)：位移采空区上方，在覆岩重力作用下，顶板直接垮落充填采空区，表现为垂直拉伸和水平拉伸。弯沉挤压变形区(Ⅱ区)：位于采空区上方，岩层层状向下弯曲，伴随离层、裂隙和断裂等现象，以垂直拉伸变形为主，层间剪切错动为主要变形形式。弯沉拉伸变形区(Ⅲ区)：采空区边界至影响边界范围内，弯曲程度最大，以水平拉伸和垂直压缩变形为主。支承压力区(Ⅳ1区)：位于采空区侧塌陷范围以外，承受采空区上覆岩层重力转移，其应力值为原岩应力的1.5～3.0倍，表现为垂直压缩和水平压缩。支承压力区(Ⅳ2区)：位于采空区侧塌陷范围以外，承受采空区上覆岩层重力转移，以水平层间剪切错动为主，伴随一定的压缩变形。随着酸刺沟煤矿工作面的推进，采空区上部地表沉陷形成移动盆地，受开采沉陷形成的附加应力场影响，排土场边坡体向采空区中心移动，破坏了边坡体的完整性和岩体强度，导致排土场边坡发生变形失稳。

4 工作面推进对排土场边坡变形破坏影响

本次计算通过FLAC3D软件模拟4#煤和6#煤工作面开挖引起的排土场位移变化，所选数值计算区域见图5(a)中红色方框区域，通过将CAD中所选区域高程点导入ANSYS软件中建立地表表面，然后根据建立的表面生成三维几何模型并导入HYPERMESH划分网格(图5(b))，所建模型尺寸为2689 m×3300 m×463 m，共划分网格2128453个网格。模型X方向两表面约束X方向位移，Y方向两表面约束Y方向位移，模型底面约束竖直方向位移，采用弹塑性模型平衡初始应力，基于Mohr-Coulom破坏准则，以计算收敛准则为不平衡力比率小于10-5的求解要求。这里数值计算模型的X方向即图5(b)中的东南方向，Y方向即图5(b)中的东北方向。数值计算参数见表1。

表1 岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock formations

图5 数值模拟区域和计算模型Fig.5 Numerical simulation computing model

酸刺沟煤矿一盘区共开采工作面12个，开采时间自2018年11月—2023年5月，各工作面的基本情况详见表2。为了掌握酸刺沟煤矿一盘区开采地表沉陷动态过程，详细分析排土场的变形破坏情况，模拟了不同时间段不同工作面开采后的地表变形、水平变形情况，共模拟了9个开采阶段，各阶段开采工作面情况详见表2。

表2 酸刺沟采煤工作面开采时间及模拟开采顺序Table 2 Timing of workings and simulated mining sequences for Suancigou Coal Mine

4.1 排土场边坡变形及地表塌陷分析

不同的工作面推进对地表沉陷影响范围显著，如图6所示。6012工作面首先推进后，在排土场坡脚位置出现明显的沉降(黄色圈标注位置)，其下沉值在17.4 m左右，塌陷坑左右两侧的位移值在6.5 m左右。随着后续工作面推进，该位置的沉陷范围在逐渐减小，因为该位置距离后续工作面布置位置较远，采空区上覆岩石的移动逐渐稳定，上覆岩层形成了较为稳定的“三带”[17]。然而，从阶段2开始，随着工作面的推进，不同开采阶段的地表沉陷范围(蓝色圈标注位置)在逐渐扩大，其下沉值在9.0～22.2 m内不断增大，其X方向位移值也在5.7～9.0 m内不断增大。4112工作面位于排土场顶部的正下方，其开采只造成排土场顶部小范围的沉降。但是，当6114和4110工作面推进后，4#煤层和6#煤层形成错动的上下采空区，造成上覆岩层的“三带”范围扩大，导致传递至排土场顶部的地表沉陷值增大。工作面推进至开采阶段9之前，排土场下覆岩层，依然是两个独立的“三带”影响范围，直到开采阶段9的6104工作面推进后，采区上覆岩层才形成一个较大的“三带”影响范围。

图6 不同开采阶段的排土场位移及地表沉陷情况Fig.6 Displacement of the dump and surface subsidence at different stages of mining

通过阶段1到9的数值模拟结果，将该结果与理论预测结果进行对比分析，其中主要针对地表最大下沉量的数据分析和位置分析。对比图2(b)和图6，分析可知地表最大下沉量的理论计算和数值计算结果都非常相近，从阶段9工作面开采完到沉降稳定，最终沉降值将会达到21 m左右。由此可知，沉降和移动值较大，势必会引起排土场的变形与失稳。由预测值可知，到第三阶段时，由图7中Y方向位移明显看出，排土场现场已经出现了四大塌陷区，数值模拟也说明了塌陷区的极值和位置，具有良好的一致性。

图7 设计剖面位置Fig.7 Location of designed profiles

4.2 开采结束后的排土场边坡变形破坏分析

工作面开采结束后，以6#煤各工作面中点为基准，共设计7个剖面，从左到右依次为A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F和G-G剖面，如图7所示；各截面上的水平位移如图8所示。

图8 各剖面水平位移分布Fig.8 Horizontal displacement distribution for each profile

从图8中可知，各剖面水平位移具有明显的差异性。A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F和G-G剖面最大水平位移分别为4.09、5.20、7.06、5.93、5.40、4.09 和3.44 m，从左到右呈现出先增大后减小的变化规律，C-C剖面水平位移最大。各剖面最大水平位移量与4#煤和6#煤工作面推进长度呈正相关。由于F-F和G-G剖面位置只开采6#煤，布置的工作面长度较短，形成的采空区范围相对较小。因此，其水平位移最小；C-C剖面位置4#煤和6#煤均开采，且4#煤和6#煤工作面推进长度基本相等，其水平位移最大。其余各剖面受4#煤各工作面推进长度的制约，水平位移介于二者之间。

各剖面水平移动规律基本一致。在剖面方向上，采空区两侧水平位移最大，各剖面两侧水平位移均呈现向采空区中部滑移的特征。各剖面两侧边坡水平位移分布规律相似，总体表现为左侧边坡水平位移大于右侧边坡。因此，在4#煤和6#煤各工作面回采过程中，应加强对左侧边坡变形监测，尤其是C-C剖面位置。

5 结 论

1)概率积分法预测最大沉陷量为21 m左右，FLAC3D模拟计算最大沉陷量为22 m左右；两者的地表最大沉陷量均随着开采阶段的进行先增大后逐渐趋于稳定，符合地表沉陷形成移动盆地的规律。

2)实际开采过程中，排土场现场已经出现了四大塌陷区，数值模拟结果也显示了塌陷区的极值和位置，具有良好的一致性，可以提前为矿山采煤沉陷做好防治工作。

3)排土场边坡水平位移量与工作面推进长度呈正相关；工作面走向上，采空区两侧水平位移最大，呈现出向采空区中部滑移的特征，且总体表现为左侧边坡水平位移大于右侧边坡。