露天礦高陡邊坡沿工作面走向圍巖力學特征及上覆巖層運動研究

王俊峰，陳 娟

1.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心材料工程發明審查部，北京 100083

2.中國專利技術開發公司，北京 100083

1 概況

從20 世紀70 年代以來，很多露天開采的礦山都面臨著一個共同的問題，即隨著露天開采的延伸，剝離費用不斷增加，所形成的高陡邊坡將給礦山帶來嚴重威脅，造成露天開采成本不斷增加，多座露天礦相繼開始轉入地下開采階段，如：鳳凰山銅礦，銅官山鐵礦等[1]。

撫順西露天礦是多年風化的巖質邊坡，巖體由巖塊和一系列的不連續面組成的，這些不連續面包括：斷面、節理裂隙和軟弱夾層等，而巖體的強度取決于巖體強度、不連續面的分布形態和力學特征。在大多數情況下，不連續面的變形能力是巖塊的幾個數量級。因此，在研究時忽略巖塊的變形，把巖塊視為剛體，去研究受不同力學性質的不連續面控制的巖體運動規律，在本次研究中主要用到離散單元法，應用軟件為UDEC2D3.10。

西露天礦北幫的地質構造特征主要有褶曲構造、斷層構造和節理構造，構成北幫的始新世地層都具有相似的節理破壞類型，其層理和兩組較發育的節理通常都呈直立[2]。

2 沿工作面走向開挖的動態過程模擬

2.1 模擬方案

數值模擬軟件為UDEC2D3.10[3]。設計的計算模型如圖1 所示（黑色體為煤）。模型的走向長度600 m ，垂直高度300 m，開采深度－280 m。煤層假設為水平煤層，厚度40 m。距煤層底板80 m 處是40 m 厚的油母頁巖，其上部為厚160 m至20 m 不等的回填材料，材料的力學性能見表1。

圖1 沿工作面走向巖層分布示意圖

表1 模擬結果

本次模擬采用采放高為20 m 的方案，模擬開挖長度為200 m ，開挖推進步距為10m。

2.2.1 位移場特征

1）監測線上的位移特征

模型從開切眼（W1000 處）自西向東開始推進，分別在－220 m 標高煤層頂面、－180 m 標高油母頁巖頂面、－160 m 標高回填材料中設置了三條監測線，分別監測豎向下沉位移。每條監測線上取60 個監測點，對應三條監測線下沉曲線如圖所示。

圖2 標高-220m 監測線位移下沉變化曲線

圖3 標高-180m 監測線位移下沉變化曲線

由圖2 可知：當工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層下沉位移發生明顯增加，由推進到90 m 時1.61 m 的下沉量增加到3.40 m ，煤層發生破斷。當推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的5.07 m 增加到7.24 m ，上覆煤層發生周期破斷。工作面繼續推進到180 m ，巖層發生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，達到0.5 m。

由圖3 可知，初次破斷、第一次周期破斷和第二次周期破斷仍然分別發生在工作面推進至100 m、140 m、180 m 處。值得注意的是，位移下沉量較－220 m 標高監測線上的位移下沉量有所減小。當工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層位移下沉量發生明顯增加，由推進到90m 下沉1.13 m 增加到下沉2.30 m ，煤層發生初次破斷。當推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的2.95 m 增加到4.41 m ，上覆煤層發生第一次周期破斷。工作面繼續推進到180 m ，巖層發生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，最大達到0.9 m。最大豎向位移下沉量由11 m 減小到5.98 m。這也說明：油母頁巖強度大，有效控制了開采擾動引起豎向位移的向上傳遞。

圖4 標高－160m 監測線位移下沉變化曲線

從圖4 可知，當工作面沿開采方向推進100 m 時，上覆煤層位移下沉量發生明顯增加，由推進到90 m 下沉0.88 m增加到下沉1.81 m ，煤層發生初次破斷。當推進至140 m 時，位移下沉量由130 m 處的2.49 m 增加到3.29 m ，上覆煤層發生第一次周期破斷。工作面繼續推進到180 m ，巖層發生第二次周期破斷，位移下沉量較前兩次稍小，最大達到0.75 m。回填材料與油母頁巖和煤層同步協調變形。油母頁巖頂面的最大下沉量減小為4.5 m。

2）上層覆巖的變形特征

模型從開切眼（W1000 m 處）開始推進，推進步距為10 m。當工作面推進到70 m 時，采空區頂板彎曲下沉較為明顯，采空區直接頂在重力應力場及其上覆巖層的作用下，產生向下的移動緩沉帶和彎曲、斷裂直至垮落，但老頂未發生破斷。當工作面推進到100 m 時，巖層局部破壞與冒落，頂板的彎曲下沉更為明顯。老頂以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向運動，產生斷裂、離層。裂隙帶由于巖層運動引起采場周圍巖體內的應力重新分布，成層狀彎曲巖層的下沉，使垮落破碎的巖塊逐漸被壓實。當工作面推進至140 m 和180 m 時，破斷連續發生，并伴隨冒落。當開采范圍足夠大時，成層狀彎曲巖層將傳至地表，在地表形成引起地表沉陷變形盆地。

2.2.2 上層覆巖的應力場特征

從工作面開切眼開始，采場圍巖的最大主應力分布隨著開采的推進發生不同的變化。當工作面推進30 m 時，擾動影響的范圍不大，此時除局部應力重分布以外，對上覆巖層影響不大。當工作面推進70 m 時，頂板圍巖發生破壞，形成圍巖松動區，此時的圍巖應力顯示出層狀拱形結構，拱高大約為33 m ，上覆巖層的荷載通過拱形結構傳遞到采空區兩幫。當工作面推進100 m 時，由于頂板發生了破斷，說明直接頂已經發生冒落并在較小范圍內形成拱形“小結構”。但此時在上層覆巖彎曲帶中仍然存在一個拱形“大結構”傳遞上覆巖層荷載，從而形成圍巖的自平衡結構。此時拱形大結構的拱高大約為65 m。工作面繼續推進至140 m ，隨著跨度的增加，拱內巖體的自重增加，單個拱形結構體無法承擔上覆巖層荷載和自重，產生應力重分布形成了兩個拱形小結構。影響上層覆巖范圍分別達到60 m 和22 m。拱內巖體應力降低，并在重力作用下垮落形成墊層。當工作面推進到180 m 時，左側的拱形結構體內垮落比較完全，影響到上層覆巖55m 范圍，右側拱形結構體應力處于重新調整中，并有逐步增加的趨勢。

3 結論

通過對沿工作面走向的綜放面及圍巖的離散元分析，得出以下結論：

1）由不同監測線位移下沉曲線可知：當工作面推進到100 m、140 m、180 m 時，下沉量發生明顯增加，說明上覆巖層在工作面推進過程中產生了破斷；

2）上層覆巖的移動是非線形的，距頂板的距離越近，下沉量越大，其余監測點也出現整體下沉的現象。且各條監測點間存在一定程度的離層；

3）隨著工作面的不斷推進，覆巖運動范圍逐漸擴大。采場上方的裂隙拱由小到大逐漸向上方巖層擴展，并呈現周期性跳躍發展；

4）從工作面開切眼開始，采場圍巖的最大主應力分布隨著開采的推進發生不同的變化。并形成“拱形”的大結構和小結構以傳遞上層覆巖荷載和自重。拱內巖體在重力作用下垮落形成墊層。

[1]徐長佑.露天轉地下開采[M].武漢：武漢工業大學出版社，1989，3.

[2]撫順礦務局西露天礦北幫邊坡穩定性研究[M].煤炭科學研究總院撫順分院，1990，12.

[3]UDEC2D(3.10).User’s Manual Itasca Consulting Group Ind.Minnesota USA，1996.