露井協采邊坡變形破壞規律與失穩機理研究

王振偉，丁鑫品，劉博文，李營作

（1.北方工業大學，北京 100144；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中國礦業大學（北京），北京 100083）

露井協采不同于露井聯采，露井聯采是在傾斜或急傾斜煤層條件下，淺部采用露天開采，深部采用井工開采的上下部聯合開采模式，而露井協采是煤層近水平條件下利用井工開采方式回收露天礦端幫壓滯煤炭資源的問題，因存在相互影響，露天和井工2 種開采方式之間更多的是一種平面上的協調[1-2]。由于露天礦邊坡位于井工開采影響域內，使2 種開采方式采動影響域的一部分相互疊加，導致邊坡巖體的變形機制趨于復雜且變形量增大[3-4]。

近年來，隨著露井協采技術在礦山開采中的逐步推廣，國內外學者圍繞露井協采邊坡穩定性的影響因素、復合采動影響下邊坡的應力分布規律與變形破壞規律、露井協采時空關系及邊界參數的確定方法、采動邊坡穩定監測方法及預警方法等方面開展了一定程度的研究[5-10]，雖然取得了一定的成果，但由于地質條件的復雜性與滑動破壞過程的不確定性，導致露井協采邊坡失穩機理仍是一個沒有得到很好解決的難題，在實際應用中存在較大局限性。為此，基于巖層控制的關鍵層理論，提出了控制露井協采邊坡穩定的“關鍵層”概念，并以中煤平朔礦區井工二礦與安太堡露天礦之間的露井協采為例，采用“砌體梁”結構作為破斷巖體的簡化模型，完成了對露井協采“關鍵巖層”耦合作用下露天邊坡滑移破壞深度的理論估算，最后采用RFPA 數值模擬和室內相似材料模擬試驗對理論分析結果進行了驗證。

1 露井協采邊坡穩定控制的關鍵層理論

巖體開挖將使巖體應力重分布，并產生巖體變形和破壞。對于巖質邊坡，巖體內部的結構面往往是導致邊坡失穩的主要因素，而邊坡巖體中的軟弱夾層則是實際邊坡失穩的首要因素[11-12]。現有井工開采過程中，關鍵層是指對采場上覆巖體活動起控制作用的堅硬巖層[13-16]，在露天開采過程中，將影響邊坡穩定的軟弱夾層稱為露天開采的“關鍵弱層”。對于某些露井協采條件下的采動邊坡，其受上覆關鍵層（堅硬巖層）和邊坡內部“關鍵弱層”的共同影響，可將這2 種巖層合稱為控制露井協采邊坡穩定的“關鍵巖層”，并將“堅硬厚巖層”定義為I 類關鍵巖層、將“軟弱薄巖層”定義為II 類關鍵巖層[17]。露井協采“關鍵巖層”耦合作用示意圖如圖1。

圖1 露井協采“關鍵巖層”耦合作用示意圖Fig.1 The coupling effect of the key strata in open-underground mining

2 “關鍵巖層”作用下的露井協采邊坡失穩機理

在露天井工協調開采條件下，巖體變形破壞表現為露天和井工開采時采動效應相互疊加所導致的巖體變形破裂。對于先露天后井工開采條件下的露天礦邊坡體，其巖土體變形破壞演化過程通常將經歷以下4 個階段：

1）表生改造階段。表生改造是由于坡體開挖的卸荷作用產生的回彈變形，這種變形與邊坡開挖同時發生，開挖停止后幾乎沒有后續變形，其變形的方向與臨空面指向垂直。此外也會產生與變形相對應的卸荷破裂，但破裂方向平行于邊坡臨空面。

2）結構改造階段。露天礦邊坡下部的井工開采將引起直接頂的垮落，I 類關鍵巖層首先形成“固支梁”結構，上部巖層的重力在其上積聚并產生彎曲變形，同時對兩側巖體產生水平擠壓力。隨著開采的進行，關鍵巖層下部采空范圍逐漸增大，當“固支梁”的跨度增大至I 類關鍵層的初次斷裂步距時，關鍵層將破斷形成“砌體梁結構”[18]。破斷巖塊的轉動，將產生強大的水平擠壓力，并在巖塊間形成三鉸拱式平衡，同時對結構外的巖體產生水平擠壓作用。隨著井采工作面的不斷推進，“砌體梁結構”將以2種形式發生失穩：當“砌體梁結構”中巖塊間咬合點的擠壓力超過該咬合點接觸面處的強度極限時，在一定條件下將導致巖塊回轉運動并產生變形失穩；當咬合點處的剪切力大于摩擦力時，“砌體梁結構”將出現滑落失穩，造成巖塊間的水平作用力消失，其對兩側巖體的水平擠壓作用也隨之消失。

3）時效變形階段。時效變形是在結構改造階段結束后產生的漸變性變形，是邊坡演變并最終失穩前的關鍵階段。在這一階段，邊坡的變形并不伴隨開挖過程的終止而停止，而是在開挖結束后，還將發生持續的變形。這種變形不完全取決于“開挖卸荷過程”的影響，甚至在量級上會超過開挖卸荷過程中的變形。更有甚者，開挖過程中，幾乎沒有卸荷響應，而在結束后，會有很大的變形發生。表現在變形監測曲線上，就是開挖結束后，位移還在繼續發展，并可能保持一定的速率。

4）最終失穩或變形穩定階段。在持續載荷作用及潛在滑面的長期強度（黏聚力c∞、內摩擦角φ∞）條件下，若潛在滑面提供的抗滑力大于滑體的下滑力，露井協采邊坡的穩定性系數Fs∞＞1，邊坡時效變形速度逐漸減小直至變形穩定；若潛在滑面提供的抗滑力小于滑體下滑力，則邊坡變形量將超過邊坡穩定的許可變形量，并最終導致失穩滑坡。

3 “關鍵巖層”耦合作用下露井協采邊坡變形模擬

3.1 數值模擬分析

為驗證“關鍵巖層”耦合作用下露井協采邊坡變形破壞理論分析結果的準確性，以安太堡露天礦南端幫P1 剖面為例，采用RFPA 軟件構建露井協采邊坡數值分析模型，模擬9#煤層背坡開采過程中邊坡巖土體的變形破壞過程，9#煤層開切眼位置至邊坡臨空面水平距離為185 m，開挖步距為10 m，井采工作面推進距離為420 m。模型中，位于4#煤上部厚層砂巖段可視為控制上部巖層變形破壞的I 類關鍵巖層，4#煤頂板風氧化煤層可視為控制邊坡穩定的II 類關鍵巖層，關鍵層作用數值模擬試驗模型如圖2。

圖2 關鍵層作用數值模擬試驗模型Fig.2 Numerical simulation test model of key strata effect

當工作面推進至80 m 時，直接頂初次垮落，垮落高度為8 m，當推進至130 m 時，基本頂初次斷裂，隨著工作面的不斷推進，上部巖體逐漸出現離層并垮落，當推進至260 m 時，覆垮落范圍發展至地表，開切眼一側形成1 條直達地表的貫通裂縫，右側垮落角已經形成，處于固支梁結構破斷區的+1 405 m 平盤發生嚴重的沉降破壞，表現為朝向采空區一側的旋轉，平盤各點水平方向位移量為負值，該平盤雖然破碎嚴重，但發生朝向臨空面方向滑動的可能性很小，此時由于巖梁鉸接結構的存在，失去支承而發生下沉的巖土體對臨空面附近的巖體施加水平推力F，促使+1 360 m 臺階以上各平盤沿層理面發生朝向臨空面的水平移動。工作面繼續向前推進，上部關鍵層的存在，致使基本頂不斷形成懸臂梁結構又發生破斷失穩，周期性垮落步距約為30～40 m。由于早期邊坡的形成，導致井采過程中覆巖應力移動和重分布特征與單純井工開采條件下的相應情況明顯不同，尤其在臺階坡底處容易形成拉應力和剪應力集中區，這種情況下擴展到地表的拉裂縫或剪裂縫多集中在臺階坡底處，最終導致上覆巖體的剪切破斷裂縫雜亂無序，與單純井工開采相比缺乏規律性。當工作面推進至310 m 時，受采空區上部巖體垮落影響，邊坡上部巖體土體發生朝向采空區的整體移動，+1 420 m 平盤上部表土層呈現曲面滑動趨勢，+1 360 m 平盤后方巖土體對該平盤附近巖土體施加朝向臨空面的擠壓作用，同時由于該平盤下部賦存有強度較低的風氧化煤弱層，抗滑力不能抵抗關鍵硬巖層的擠壓作用，最終導致+1 360 m 平盤及其上部巖土體發生整體朝向臨空面的滑動，模擬結果與理論分析結果一致。

3.2 相似材料模擬實驗

為進一步驗證“關鍵巖層”耦合作用下露天邊坡滑移破壞規律的理論分析和滑移面深度理論估算成果的可靠性，采用室內相似模擬試驗對9#煤層B906 工作面背坡開采條件下露天邊坡進行模擬分析，9#煤背坡開采相似材料模擬模型示意圖如圖3。選用重力應力條件下的二維模擬試驗臺進行試驗[19-20]，模型長為4 200 mm，寬為250 mm。模型幾何比為1∶200，模型四周和底部為全約束，上部為自由面，左右兩側封閉。根據相似理論及牛頓第二定律確定各分層的物理力學參數，并從相似材料配比表中相應選出材料進行材料配制。試驗膠結料采用石灰和石膏。模擬試驗中選擇密度和單軸抗壓強度作為原型和模型的相似條件指標，間接考慮彈性模量、黏聚力、泊松比等指標。

圖3 9#煤背坡開采相似材料模擬模型示意圖Fig.3 Simulation model of 9# coal seam with similar materials under back slope mining

相似材料模擬試驗結果表明，受井采沉陷影響破壞最嚴重的平盤為+1 405 m 平盤，破壞模式主要為沉降破壞，+1 330 m～+1 390 m 平盤主要發生朝向臨空面的水平錯動。在井工開采影響下，邊坡各平盤變形破壞模式主要有2 種：分別為沉降滑移破壞和潛在滑移破壞，邊坡上部個別平盤處于采空區垮落角范圍內，井采工作面推進過程中，采空區上部巖體因失去下部支承而發生垮落，采動破壞逐漸向上擴展。在薄基巖、淺埋深、大采高的條件下，地表發生臺階下沉，上部平盤隨之發生朝向采空區的沉降破壞，位移方向為豎直向下和遠離臨空面，隨著時間的推移，沉降運動逐漸終止，由于受到爆破震動、運輸載荷、以及降水等因素的影響，破碎巖土體極有可能產生朝向臨空面的滑落失穩。在采空區巖體下沉過程中，處于垮落邊界和移動邊界之間的部分平盤，由于受到跨落邊界處關鍵巖梁鉸接結構施加的水平推力F 作用，極易發生沿軟弱夾層的局部或整體錯動。模擬試驗結果與理論分析及數值模擬結果基本一致。

4 結 語

1）基于現有井工開采過程中的關鍵層理論，將影響露天礦邊坡穩定的軟弱薄巖層定義為“關鍵弱層”，并與上覆堅硬厚巖層合稱為控制露井協采邊坡穩定的“關鍵巖層”，其中堅硬厚巖層定義為“I 類表生改造階段鍵巖層”，軟弱薄巖層定義為“II 類關鍵巖層”。

2）提出了“關鍵巖層”耦合作用下的露井協采邊坡變形破壞的4 個階段理論，井工開采影響下露天礦邊坡將經歷表生改造、結構改造、時效變形和最終失穩（變形穩定）4 個變形破壞階段。

3）采用相似材料模擬、數值分析相結合的方法研究了“關鍵巖層”耦合作用下露井協采邊坡變形破壞特征和巖層移動規律。