露井聯(lián)采下煤層傾角對巖體運移規(guī)律的影響

武 懋

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司,山西 朔州036002；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著煤礦井下支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展及礦山壓力知識的深入研究，露天井工聯(lián)合開采方式逐漸在煤炭礦山發(fā)揮作用，并經(jīng)過多年發(fā)展，已形式形式多樣的特殊開采方式[1-2]。但究其根本都是為了使露天開采與地下開采的優(yōu)勢互補，增加礦企收益[3-4]。根據(jù)2 種開采方式的優(yōu)勢將露井聯(lián)采分為2 類：其一為露天開采淺埋煤層，剝采比較小，發(fā)揮了露天礦采出率高的優(yōu)點，井工開采深部煤層，避免了露天礦開采深部煤層剝采比經(jīng)濟(jì)不合理的缺點；其二為井工開采露天礦開采境界內(nèi)，礦坑周圍邊坡下的壓滯殘煤，雖仍需留設(shè)煤柱，但能消除部分邊坡壓煤約束，增加資源回收量[5-7]。

露井聯(lián)采模式下，露天礦邊坡受到露天和井工疊加采動影響，其穩(wěn)定性下降，威脅礦山安全生產(chǎn)，為此相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究[7-17]，這些研究較為全面的分析了露井聯(lián)采條件下，端幫下煤層采用井工開采時開切眼的合理位置，端幫邊坡的漸進(jìn)破壞過程及破壞機理，且考慮爆破和充填開采工藝對邊坡穩(wěn)定性的影響，但所研究的煤層模型大多是水平賦存狀態(tài)，考慮煤層產(chǎn)狀對端幫邊坡的穩(wěn)定性影響的成果較少，缺乏露井聯(lián)采應(yīng)用于緩傾斜露天礦的研究。為此利用數(shù)值模擬方法分析井工開采不同傾角煤層對邊坡穩(wěn)定性的影響，揭示出露井聯(lián)采下煤層產(chǎn)狀對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，為緩傾斜露天礦應(yīng)用露井聯(lián)合開采模式提供理論指導(dǎo)。

1 露井聯(lián)采概況

安家?guī)X露天煤礦采用露井聯(lián)采的生產(chǎn)方式，井工開采礦坑北端幫邊坡下的壓滯殘煤，工作面終采線位于邊坡下的煤層中，且邊坡煤層產(chǎn)狀為近水平，開采過程中煤層產(chǎn)狀始終保持不變。邊坡下煤層的產(chǎn)狀不僅與煤層天然賦存有關(guān)還受露天開采工藝的改變而改變。露天開采水平煤層時，無論工作幫沿走向或是傾向推進(jìn)，端幫邊坡下煤層均為水平賦存狀態(tài)，且開采過程中煤層的賦存位置不發(fā)生變化，端幫穩(wěn)定性波動小；露天開采傾斜煤層時，一般從煤層露頭處開始掘溝，沿傾向推進(jìn)并逐漸降深，這時兩側(cè)端幫下煤層相對于端幫邊坡的每個坡面來說是水平賦存狀態(tài)，但隨著工作面的向前推進(jìn)，煤層的賦存位置不斷降低；當(dāng)工作面推進(jìn)距離滿足一定條件后，開始轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后沿走向推進(jìn)，留出內(nèi)排空間，實現(xiàn)內(nèi)排，這時煤層露頭處端幫下的煤層為順傾賦存狀態(tài)，另一側(cè)端幫下的煤層為逆傾賦存狀態(tài)，開采過程中煤層的賦存位置不發(fā)生變化。綜上所述，露井聯(lián)采下邊坡煤層產(chǎn)狀可分為水平、順傾、逆傾3 種類型，且露天開采傾斜煤層時，邊坡煤層產(chǎn)狀會隨著工作面推進(jìn)方向的改變而發(fā)生變化。

2 露井聯(lián)下邊坡巖層移動角和位移量分析理論

露天礦端幫邊坡下采用自然垮落法回收煤炭資源時，采空區(qū)煤層頂板跨落，上覆巖層發(fā)生不同程度的沉降，使邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，其破壞程度主要表現(xiàn)在頂板巖層的變形范圍和變形位移2 個方面，變形范圍和位移越大，對邊坡穩(wěn)定性影響越大，反之影響越小。

1）巖層移動角。巖層移動角受頂板巖性、采厚、采深和煤層傾角等因素的影響，當(dāng)工作面長度一定且上覆巖層厚度相同時，巖層移動角越大，頂板破壞范圍就越大。根據(jù)巖層移動角與煤層位置關(guān)系可分為走向、上山和下山巖層移動角。

2）巖層位移量。巖層的位移是表征端幫采空區(qū)上覆巖層破壞程度的物理量，根據(jù)發(fā)生位移的方向分為水平位移量和垂直位移量。

上述理論分析可以得出，在其他條件相同時，巖層走向移動角與煤層傾角無關(guān)；而上山移動角和下山移動角會隨煤層傾角的增大而減小；垂直位移會隨煤層傾角的增大而增大；水平位移隨煤層傾角的增大而減小。

3 不同煤層產(chǎn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性模擬分析

3.1 力學(xué)計算參數(shù)與模型

為了研究不同煤層產(chǎn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性規(guī)律，建模過程參照安家?guī)X露天礦真實開采條件。該露天開采范圍內(nèi)有3 層可采煤層，分別為4 煤、9 煤、11 煤，4煤、9 煤為主采煤層，全部近水平賦存。露天煤礦在開采過程中，北幫邊坡下采用井工開采回收9 煤，回采工作面長度為850 m，開切眼位置距露天礦邊坡面260 m。針對不同煤層產(chǎn)狀條件，為了保證單一變量因素，將邊坡上部排棄物和第四系保持原狀，調(diào)整下部地層產(chǎn)狀，且保證回采工作面長度、采高、開切眼位置與邊坡面的距離相同。根據(jù)該礦典型剖面建立二維模型，模型內(nèi)結(jié)構(gòu)由鉆孔數(shù)據(jù)得出。利用數(shù)值模擬軟件GeoStudio 中的SIGMA/W 模塊和SLOPE/W 模塊進(jìn)行分析，先將SIGMA/W 模塊作為父項，采用有限元方法分析邊坡的應(yīng)力分布狀態(tài)，然后將SLOPE/W 模塊作為子項，根據(jù)父項的應(yīng)力狀態(tài)采用極限平衡法計算邊坡的穩(wěn)定性。計算時模型底面約束豎向和法向位移，模型兩側(cè)約束法相位移。模型尺寸示意圖如圖1。

3.2 水平煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

圖1 模型尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of model size

煤層為水平賦存狀態(tài)時，邊坡體中高應(yīng)力區(qū)主要集中在工作面兩側(cè)的運輸巷和回風(fēng)巷附近，采空區(qū)頂板自然垮落，充填采空區(qū)，應(yīng)力得到釋放，逐漸恢復(fù)原巖應(yīng)力，這一特點與單一井工開采規(guī)律相似。由于工作面頂板為露天礦邊坡，所以其厚度是漸變的，地應(yīng)力大小存在差異。礦井開采深度達(dá)到250 m，高應(yīng)力區(qū)影響范圍有限，高應(yīng)力區(qū)與邊坡最危險滑動面不相交，即最危險滑面的產(chǎn)生與井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布無關(guān)。

井工開采后采空區(qū)頂板跨落，由于開采深度較淺，且工作面跨度較大，邊坡頂部產(chǎn)生明顯的下沉現(xiàn)象，井工開采工作面推進(jìn)后，后方采空區(qū)自然垮落，對邊坡整體的完整性影響較大，邊坡頂部和坡面的中上部產(chǎn)生明顯位移，位移量由采空區(qū)中部向兩側(cè)大巷逐漸遞減，中部沉降量最大。采空區(qū)頂板移動帶與最危險滑面相交，即井工開挖使端幫邊坡的整體性遭到破壞，采空區(qū)上方影響范圍內(nèi)巖石破碎，強度下降，主要表現(xiàn)在黏聚力C 值的降低，從而使最危險滑面的抗滑力降低，穩(wěn)定性系數(shù)減小。最終由有限元和強度折減法耦合分析得出水平煤層條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs為1.219。

3.3 順傾煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

煤層為順傾賦存狀態(tài)時，邊坡體中工作面兩側(cè)的高應(yīng)力區(qū)范圍都升高。上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)距離邊坡較遠(yuǎn)，對邊坡穩(wěn)定性影響較小，下山側(cè)高應(yīng)力區(qū)在漸變過程中，與最危險滑面的位置關(guān)系處于相離狀態(tài)，即最危險滑面的產(chǎn)生與井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布無關(guān)。

沉積巖地層中不同層位交界面位置巖性強度較弱，當(dāng)?shù)貙訛轫槂A賦存狀態(tài)時，由于層間抗滑力的較小，端幫更容易發(fā)生卸荷變形，向坡面移動，這一位移矢量可分為水平位移和垂直位移，同時井工開挖引起邊坡沉陷，2 種開采模式的疊加擾動，使邊坡整體破壞嚴(yán)重，這與理論分析中垂直位移會隨煤層傾角的增大而增大結(jié)果一致。隨著傾角的增大，下山巖層移動角不斷減小，此結(jié)果也印證了理論分析中下山移動角會隨煤層傾角的增大而減小的結(jié)論。從整個位移分析可以得出，隨著順傾煤層傾角的增大，邊坡巖體的破壞程度逐漸增大，范圍不斷擴(kuò)大，使邊坡強度降低。

由于邊坡的整體遭到疊加擾動破壞，導(dǎo)致邊坡強度降低，同時順傾結(jié)構(gòu)面也降低了邊坡體的抗滑力，通過折減法計算邊坡強度，穩(wěn)定性系數(shù)減小。

3.4 逆傾煤層條件下邊坡穩(wěn)定性

煤層為逆傾賦存狀態(tài)時，邊坡體中工作面兩側(cè)的高應(yīng)力區(qū)范圍都升高。上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)在漸變過程中，與最危險滑面的位置關(guān)系由相離變?yōu)橄嘟粻顟B(tài)，即井工開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布會影響最危險滑面的產(chǎn)生位置與穩(wěn)定性系數(shù)的得出。

邊坡體內(nèi)地層為逆傾賦存狀態(tài)時，井采工作面頂板巖層有沿煤層底板方向的運動趨勢，這一趨勢與邊坡臨空面卸荷變形方向相反，2 種位移相互抵消，有利于保持邊坡的整體性，這一結(jié)果與理論分析中垂直位移會隨煤層傾角的增大而增大結(jié)果一致。隨著傾角的增大，上山巖層移動角不斷減小，此結(jié)果同樣印證了理論分析中上山移動角會隨煤層傾角的增大而減小的結(jié)論。從整個位移分析可以得出，隨著逆傾煤層傾角的增大，邊坡巖體的破壞范圍不斷擴(kuò)大，但破壞程度大小減弱。

煤層逆傾賦存時，隨著傾角的不斷增大，工作面上山側(cè)高應(yīng)力區(qū)升高、巖層破壞范圍增大，這都不利于邊坡的穩(wěn)定，但破壞程度的減弱有利于邊坡穩(wěn)定性，通過折減法計算邊坡強度，得出隨著傾角增加穩(wěn)定性系數(shù)提高，所以邊坡破壞程度對穩(wěn)定性計算起決定性作用。

4 結(jié) 語

1）利用井工開采模式回收露天礦端幫殘煤過程中，煤層傾角越大，工作面兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)影響范圍越大，當(dāng)井工開采的煤層埋藏較深或合理控制開切眼位置與邊坡面的距離，可有效減小應(yīng)力井采高應(yīng)力區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2）端幫下煤層傾角越大，井工開采后巖層移動角越小，即邊坡的破壞范圍越小，但由于位移的矢量疊加原因，煤層為順傾賦存狀態(tài)時的位移量大于水平賦存狀態(tài)，而逆傾賦存狀態(tài)時位移變化與之相反。

3）受露天開采與井工開采的疊加擾動影響，除煤層賦存狀態(tài)不同，其他條件相同的情況下，端幫下煤層順傾狀態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定，傾角越大穩(wěn)定性系數(shù)越小，煤層逆傾狀態(tài)有利于邊坡穩(wěn)定，傾角越大穩(wěn)定性系數(shù)越高。