露井聯采含斷層逆傾邊坡巖移規律試驗研究

2018-06-14 03:22:40吳國輝曹蘭柱姜聚宇

金屬礦山 2018年5期

王　東　吳國輝　曹蘭柱　姜聚宇

（遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧阜新123000）

作為最大限度回收傾斜煤層的開采方式，露井聯合開采是一個復雜的復合動態變化系統，各種影響因素相互疊加干擾，嚴重威脅礦山安全生產。盡管邊坡穩定性研究工作已開展近200 a，但受限于開采條件，外國學者對這一問題的研究[1]很少；上世紀末，國內學者開始應用模型試驗[2，3]、數值模擬[4，5]、現場監測[6]或綜合手段[7-14]研究露天礦邊坡巖體移動規律和變形過程、開采順序優化及警戒煤柱寬度等問題。孫世國等[7]系統探討了露井聯采條件下邊坡巖體的滑移機制，由其推導得出了邊坡穩定系數計算式，但由于引入了一很難準確獲得的中間未知量——巖體的變形參量，目前很少采用這一計算方法。王東等[11]將露井聯采逆傾邊坡的破壞模式劃分為3種類型，據此提出了露井聯采逆傾邊坡穩定性的極限平衡法，但同樣由于很難獲得邊坡巖體的殘余強度值，該方法也沒有得到推廣使用。更為嚴重的是，由于露天礦不能人為選址，常常會遇到斷層、弱層等不良地質構造，使得原本受到復合采動影響下的邊坡巖移規律與滑移機制問題更為復雜。

總體上看，相似材料模擬試驗能夠較好地體現復雜條件下巖體的變形與移動規律，為此，本項目基于該手段對露井聯采含斷層逆傾邊坡巖移規律進行研究，以揭示地下開采對露天礦邊坡巖體變形及穩定性的影響，并將研究成果用于指導露天礦安全開采。

1　邊坡工程地質條件

平莊西露天煤礦經50余a回采，頂幫邊坡基本到界。受經濟合理剝采比限制，由露天轉為地下回采，其中1#和2#煤為主要可采煤層，隨工作面推進采空區頂板垮落，造成露天礦邊坡出現不同程度的拉伸裂縫和沉降變形區，甚至有部分邊坡巖體發生滑移，很可能威脅到邊坡穩定性。頂幫邊坡主要由散體狀玄武巖、新近系沉積巖、白堊系沉積巖、輝綠巖和煤構成，煤層傾角5°～20°、累計厚50～60 m。新近系沉積巖發育4個弱層，編號分別為C、B、A4和A，將巖體分割成厚薄不等的層狀結構。邊坡內部存在影響邊坡穩定性的2條大型正斷層F1、F3，與邊坡傾向基本相同。典型剖面的到界邊坡形態及地層、構造分布見圖1。

2　相似材料模擬的構建

2.1　模型的制作

模型構建時嚴格遵守幾何相似、運動相似和動力相似等相似準則，各相似常數間應滿足關系式（1）：

2.2　試驗方案設計

根據現場實際開采情況，試驗分3個階段：第1階段，自露天—井工2#煤分界處開切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進；第2階段，自露天—井工1#煤上分層分界處開切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進；第3階段，按照露天礦2006年、2007年、2008年和最終境界4個工程位置逐步進行露天開采。模擬模型的邊界條件為自重加載，拆模后的模型（見圖2（a））。為掌握開采過程中的巖移規律，共布置27個測點，在+668 m、+608 m、+548 m和+488 m形成4條水平測線，同時以五家四井停采線為界，在邊坡臨空及背向方向各形成3條和6條縱向測線（見圖2（b））。

3　試驗結果與分析

3.1　露井聯采過程中覆巖及地表移動特征

圖3所示為試驗獲得的2#煤工作面推進過程中頂板巖移規律。工作面自開切眼推進至68 m時，工作面大采空區范圍內基本頂砂巖破斷、發生初次垮落，基本頂上部巖石分層間出現微小離層，如圖3（a）推進至104 m時，基本頂砂巖第一次周期垮落，此時頂板上方堅硬巖層輝綠巖出現離層，隨基本頂砂巖冒落，輝綠巖巖層出現垮落，見圖3（b）所示。推進至146 m時，基本頂砂巖第二次周期垮落，離層繼續向上發展，老頂失穩破斷、巖層垮落，見圖3（c）所示。推進至214 m時，基本頂砂巖第三次周期垮落，采空區前方首先出現跨距為32 m的基本頂砂巖垮落，隨后工作面后方出現跨距為36 m的基本頂砂巖垮落，見圖3（d）所示。推進至242 m時，基本頂砂巖第四次周期垮落，同時老頂出現大范圍垮落，見圖3（e）所示。推進至284 m時，基本頂砂巖第五次周期垮落，同時老頂出現大范圍垮落，見圖3（f）所示。隨工作面的推進，覆巖的運動與破壞以及工作面的來壓將重復上面的過程，并形成一定的來壓規律，由模擬試驗得到基本頂周期來壓步距為32～36 m，老頂周期來壓步距為78～96 m，煤層頂板砂巖上方輝綠巖的存在是頂板來壓步距較大的主要原因。

地下回采1#煤上分層過程中，推進頂板巖層基本上隨工作面隨采隨冒，周期性垮落步距為10～14 m。工作面推進至225 m時，覆巖離層發育到地表，形成塌陷。各測點均下沉，其中位于采空區較近的I4和I5測點下沉量最大為24 m，II4、III4、IV4這3個測點的下沉量依次為20 m、18 m和16 m，表明越接近采空區，巖體下沉越明顯。工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角形巖體沿斷層面發生下滑，如圖4所示。顯然，1#、2#煤回采后，采空區上方巖層達到了充分采動，據此可測得開切眼、工作面的巖層充分采動角分別為76°和62°。另外，可參照文獻[15]計算得出開切眼、工作面的邊界角分別為60°和55°。

圖5所示為露天回采過程中邊坡巖移情況，根據該階段的監測數據，開切眼巖層垮落線外側+584m標高以上巖體向邊坡臨空面發生了一定位移。

3.2　地下開采對露天礦邊坡變形與穩定性的影響分析

分析試驗結果可知，露井聯采結束一段時間后，測點I1、I2、I3、II1、II2、II3、III1、III2、III3、IV1、IV2、IV3向左下方移動，測點III5、III6向露天坑方向產生明顯位移，表明工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角巖體沿斷層面發生下滑，對左側邊坡巖體施加了一個水平推力作用，使得該部分巖體的強度降低，從而引起邊坡穩定性下降，同時導致沉陷坑下方巖體受到側向擠壓而發生破壞，如圖6所示。