撫順東露天礦露井聯采下邊坡變形機理研究

任 健，張 晶，魏國龍，崔 原

（1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；2.自然資源部陜西寶雞地質災害野外科學觀測研究站，陜西 寶雞 721001；3.自然資源部活動構造與地質安全重點實驗室，北京 100081；4.遼寧省第十地質大隊有限責任公司，遼寧 撫順 113004）

撫順煤田自1901 年以來，已有100 余年開采歷史。東露天礦自新中國成立以來經過2 次停采、3 次重新開采，到目前為止，東露天礦東西長6 km，南北寬1.9 km，東部首采區高差約80～120 m。隨著露井聯采和資源枯竭，東露天礦周邊地質環境條件逐漸惡化，南幫先后發生5 次滑坡，造成巨大的經濟損失。最近1 次為2019 年主汛期強降雨之后，東露天礦南幫、煤都路東側一東西向建筑開裂變形，裂縫北傾，開裂寬度1～2 cm，廠區地面下沉，出現兩級東西向陡坎，對居民生命財造成到威脅。東露天礦南幫邊坡影響區達0.55 km2，嚴重威脅周圍居民的生命財產安全。

露井聯采根據開采順序的不同分為露天轉地下開采[1-6]和地下轉露天開采[7-11]。由于2 種開采方式相互作用，巖體應力和變形相互疊加，相互影響，形成1 個動態復合體系，并在合成應力作用下趨于新的平衡[12]；先地下后露天采動影響域相互疊加，導致采動影響域沒有重疊的巖體也要改變應力狀態[13-14]。露井聯采作用在國內外研究中均表明，其導致巖體變形往往更加復雜，地下開采擾動導致邊坡穩定性下降。常來山等[15]以安太堡煤礦為例，模擬露井聯采條件下節理巖體損傷演化，并根據采空區巖體損傷度計算5 條不同出露高度潛在滑面的穩定性；朱建明等[16]首次將塑性力學上限定理應用到露井聯采開采過程中的研究，并分析了安太堡露井聯采邊坡不同的塌陷角和開采寬度下的邊坡穩定性；王東等[17]利用RFPA 軟件對比平莊西露天礦在單一露天開采和露井聯采逆傾邊坡的巖體變形規律，得到邊坡的破壞機理和破壞模式。為此，通過GDEM 軟件進行數值模擬，研究撫順東露天礦邊坡在露井聯采作用下的受力和變形情況。

1 地質背景

撫順東露天礦位于撫順市的中東部，地貌單元屬于低山丘陵向平原過渡帶，地形南高北低、東高西低。撫順年均降水量在750～850 mm 之間，多集中在每年汛期7—9 月。撫順煤田東部地質圖及礦山分布圖如圖1。

圖1 撫順煤田東部地質及礦山分布圖Fig.1 Geological and mine distribution map in the east of Fushun Coalfield

1）地層巖性。撫順東露天礦地層由老至新出露有太古界鞍山群（Ar3Dgnc），主要為花崗片麻巖；新生界古近系撫順群和第四系。新生界古近系撫順群地層自下而上劃分為6 組：①老虎臺組（E1l），主要為玄武巖；②栗子溝組（E1lz），主要為凝灰巖；③古城子組（E2g），為主煤層；④計軍屯組（E2j），主要為褐色油頁巖層；⑤西露天組（E2x）主要為綠色塊狀泥巖，夾薄-中厚層褐色泥質頁巖；⑥耿家街組（E3g），主要為褐色頁巖。地層的整體傾向北，東露天礦南幫的地層為順傾結構，北幫為逆傾結構。

2）地質構造。地殼受到近于南北方向的擠壓力及北西、南東方向的剪切力作用下，形成多條斷層。礦區內主要斷層為F7、F8。西北角有渾河斷裂主干斷層F1通過，F1呈北東東走向，傾角27°～56°，傾向340°～350°，屬于壓扭性逆斷層，對東露天礦西北部開采影響不大。東露天礦以礦區編號的斷層有F6、F7、F8、F9、F105 條斷層，均為正斷層。

2 露井聯采作用下邊坡變形特征

撫順煤田的東側在空間上主要分布著東露天礦、老虎臺礦、老龍鳳礦（1999 年停采），在平面上東露天礦西側與老虎臺礦礦界重疊，東側與老龍鳳礦礦界重疊（礦界在標高上區分）。在時間上，東露天煤礦與2 個井工礦開采情況相當復雜，分析時對E8800 和E5400 剖面露天和井工開采的情況進行簡化，認為開采順序總體上是先井工后露天（因至2009 年東露天全面復產之前東露天斷續開采，邊坡坡高僅20～40 m，且至20 世紀80 年代2 個井工礦已經轉入深部緩傾斜煤層的開采，故傾斜煤層部分簡化為先井工后露天的開采方式）。

采用中國科學院自主研發GDEM 軟件進行數值模擬，選取東露天礦首采區的E8800 剖面和非首采區的E5400 剖面進行數值模擬，總結E8800 剖面和E5400 剖面的變形和受力特征。E8800 剖面長度1 800 m，高程-600～130 m；E5400 剖面長度1 920 m，高程-732～164 m。東露天礦E5400 剖面和E8800剖面圖如圖2，撫順東露天礦數值計算巖體物理力學參數表見表1。

表1 撫順東露天礦數值計算巖體物理力學參數表Table 1 Numerical calculation of physical and mechanical parameters of rock mass in Fushun East Open-pit Mine

圖2 東露天礦E5400 剖面和E8800 剖面圖Fig.2 Sections of E5400 and E8800 in East Open-pit Mine

2.1 E8800 剖面變形和受力特征

2.1.1 E8800 剖面井采階段

E8800 剖面井采結束后最小主應力云圖如圖3，E8800 剖面井采結束后最大主應力云圖如圖4，E8800 剖面井采結束后x 方向位移云圖如圖5，E8800 剖面井采結束后y 方向位移云圖如圖6，E8800 剖面井采結束后塑性區云圖7。

圖3 E8800 剖面井采結束后最小主應力云圖Fig.3 Minimum principal stress diagram after underground mining of section E8800

圖4 E8800 剖面井采結束后最大主應力云圖Fig.4 Maximum principal stress diagram after underground mining of section E8800

圖5 E8800 剖面井采結束后x 方向位移云圖Fig.5 Diagram of displacement in x direction after underground mining of section E8800

圖6 E8800 剖面井采結束后y 方向位移云圖Fig.6 Diagram of displacement in y direction stress after underground mining of section E8800

圖7 E8800 剖面井采結束后塑性區云圖Fig.7 Diagram of plastic zone distribution after underground mining of section E8800

E8800 剖面井采階段結束后，最小主應力在南幫邊坡及坡腳、北幫的泥頁巖邊坡位置出現大范圍的拉張區，南幫最大拉應力達1.5 MPa，井采后在采出煤層頂板位置產生明顯的應力釋放現象，同時在斷層錯斷的煤層接合部位產生了明顯的應力集中區；最大主應力在坡腳處產生小規模應力集中，最大應力達3.6 MPa，在水砂充填體內發生了應力釋放。

E8800 剖面井采階段結束后產生了較大的位移，其中水平位移最大達0.6 m 左右，位于北幫，方向指向采空區；垂直位移最大達1.8 m 左右，主要分布于采出煤層的頂板以上的油頁巖和頁巖層處。在北幫井采及其上部地層分布著大范圍的塑性區大部分為剪切破壞，南幫玄武巖夾煤線位置和坡腳位置出現拉伸破壞區。

2.1.2 E8800 剖面露采階段

E8800 剖面露采結束后最小主應力云圖如圖8，E8800 剖面露采結束后最大主應力云圖如圖9，E8800 剖面露采結束后x 方向位移云圖如圖10，E8800 剖面露采結束后y 方向位移云圖如圖11，E8800 剖面露采結束后塑性區云圖如圖12。

圖8 E8800 剖面露采結束后最小主應力云圖Fig.8 Minimum principal stress diagram after open-pit mining of section E8800

圖9 E8800 剖面露采結束后最大主應力云圖Fig.9 Maximum principal stress diagram after open-pit mining of section E8800

圖10 E8800 剖面露采結束后x 方向位移云圖Fig.10 Diagram of displacement in x direction after open-pit mining of section E8800

圖11 E8800 剖面露采結束后y 方向位移云圖Fig.11 Diagram of displacement in y direction stress after open-pit mining of section E8800

圖12 E8800 剖面露采結束后塑性區云圖Fig.12 Diagram of plastic zone after open-pit mining of section E8800

E8800 剖面井采-露天開采結束以后，與井采階段結束相比，因為邊坡開挖，巖體發生卸荷回彈，南幫坡體的受拉區縮小，且拉應力減小，最大拉應力為0.8 MPa，南幫坡體中下部由受拉轉換為受壓。

E8800 剖面受井采影響，頂板及上部地層（南幫）出現明顯位移，而煤層底板以下地層（北幫）位移很小。對比圖5 和圖10 及圖6 和圖11，井采-露采結束以后與井采階段相比，水平、垂直位移沒有進一步增大，說明井采是導致較大位移的主要原因。垂直位移在北幫存在明顯的分異現象（圖11），其中藍色部分主要發生向下的塌陷，綠色部分主要發生向采空區方向的位移，中間存在1 個過渡帶，該區域同時是水平位移最大處、北幫的拉張應力區、剪應力的正負轉換帶、剪切塑性區，在北幫持續的開采過程中應重點關注該區域。

對比E8800 剖面2 個階段塑性區分布圖，塑性區基本是在井采后形成，露采后僅在南、北幫邊坡產生小規模拉張塑性區，在目前傾斜煤層基本采出、露天開采深度有限情況下，井采對地層的擾動大。

2.1.3 E8800 剖面監測結果

E8800 剖面位移監測曲線圖如圖13，E8800 剖面最小主應力監測曲線圖如圖14，E8800 剖面最大主應力監測曲線圖如圖15。

圖13 E8800 剖面位移監測曲線圖Fig.13 Displacement monitoring curves of section E8800

圖14 E8800 剖面最小主應力監測曲線圖Fig.14 Minimum principal stress monitoring curves of section E8800

圖15 E8800 剖面最大主應力監測曲線圖Fig.15 Maximum principal stress monitoring curves of section E8800

E8800 剖面監測信息表明，位移、應力的變化基本分為3 個階段，分別為井采前階段（0～42 690步）、井采階段（426 390～900 273 步）、露采階段（900 273 步～結束）。

E8800 剖面位移監測表明：變化最大的點為10點、11 點（圖2 監測點位置），尤其是在露采階段。

E8800 剖面主應力監測表明：2#點、10#點最大主應力受井采和露采的影響很小，但最小主應力變化大，說明應力場受露采應力跡線發生偏轉；3#點、11#點在露采后距離坡面近，最大、最小主應力受露采影響最大；10#點最小主應力在井采階段應力釋放后轉變成壓應力，即處于受拉-受壓轉換帶內。

E8800 剖面位移、應力的曲線在井采階段都存在1 個波動，位移和應力曲線在井采階段的下降段基本對應上部煤層的開采期，曲線回彈階段對應下部煤層的開采期。

2.2 E5400 剖面變形和受力特征

2.2.1 E5400 剖面井采-露采階段

E5400 剖面露采結束后最小主應力云圖如圖16，E5400 剖面露采結束后最大主應力云圖如圖17，E5400 剖面露采結束后x 方向位移云圖如圖18，E5400 剖面露采結束后y 方向位移云圖如圖19，E5400 剖面露采結束后剪應力云圖如圖20，E5400剖面露采結束后塑性區云圖如圖21。

圖16 E5400 剖面露采結束后最小主應力云圖Fig.16 Minimum principal stress diagram after open-pit mining of section E5400

圖17 E5400 剖面露采結束后最大主應力云圖Fig.17 Maximum principal stress diagram after open-pit mining of section E5400

圖18 E5400 剖面露采結束后x 方向位移云圖Fig.18 Diagram of displacement in x direction after open-pit mining of section E5400

圖19 E5400 剖面露采結束后y 方向位移云圖Fig.19 Diagram of displacement in y direction stress after open-pit mining of section E5400

圖20 E5400 剖面露采結束后剪應力云圖Fig.20 Shear stress diagram after open-pit mining of section E5400

圖21 E5400 剖面露采結束后塑性區云圖Fig.21 Diagram of plastic zone after open-pit mining of section E5400

E5400 剖面井采-露采全部結束后，最小主應力在煤層頂板位置產生了應力釋放，在坑底和后緣產生大范圍的拉張區；最大主應力在坡面位置產生了局部的應力集中。位移同樣集中于煤層頂板及以上地層，煤層底板及以下地層位移相對很小，與E8800剖面相比不同的是E5400 剖面的煤層在邊坡的內側，故采礦對邊坡影響很大，邊坡的變形也相對較大。由E5400 剖面塑性區云圖可知：受井采-露采影響煤層及頂板以上地層存在大范圍的剪切破壞區，在邊坡及坑底位置存在大范圍的拉伸破壞區。

2.2.2 E5400 剖面監測結果E5400 剖面位移監測曲線圖如圖22，E5400 剖面最小主應力監測曲線圖如圖23，E5400 剖面最大主應力監測曲線圖如圖24。

圖22 E5400 剖面位移監測曲線圖Fig.22 Displacement monitoring curves of section E5400

圖23 E5400 剖面最小主應力監測曲線圖Fig.23 Minimum principal stress monitoring curves of section E5400

圖24 E5400 剖面最大主應力監測曲線圖Fig.24 Maximum principal stress monitoring curves of section E5400

E5400 剖面監測信息表明，位移、應力變化分為3 個階段，分別為井采前階段（0～581 592 步）、井采階段結束（581 592～1 266 732 步）、露采階段結束（1 266 732 步～結束）。

E5400 剖面位移監測表明：3#點、8#點位移最大，且在露采階段這2 個點的位移有所下降，最小主應力圖顯示8#點的應力在露采階段逐漸下降并轉換為壓應力，可能與應力的轉換有關。

E5400 剖面主應力監測表明：4#點、6#點、9#點這3 個點最小主應力均為拉應力，在井采露采之后應力持續下降，6#點在井采后最小主應力直接轉換為壓應力，露采后壓應力進一步增大；4#點、6#點、9#點這3 點最大主應力受井采和露采的影響均較小，這是由于應力跡線偏移所致；8#點最大主應力受井采和露采的影響均很大。

3 邊坡穩定性

結構面是影響邊坡穩定性的重要因素之一，故本次模擬采用指定滑面的方法進行計算。王洋等[18]根據監測數據得出E8800 存在2 層潛在滑面，分別為第四系與基巖交界面及玄武巖夾煤線位置。利用Geo-studio 軟件中SLOP/W 模塊，基于已設定的潛在滑動面，模擬現邊坡在天然、飽和以及地震3 種工況下的變形破壞狀況，計算其穩定系數。E5400 剖面計算結果如圖25，E8800 剖面計算結果如圖26，E8800 試算73%充填時垮落帶發育情況如圖27。各剖面在3 種工況下的穩定系數見表2，各剖面淺層潛在滑面在4 種工況下的穩定系數見表3。

表3 各剖面淺層潛在滑面在4 種工況下的穩定系數Table 3 Stability coefficients of shallow potential slip surface of each section under four working conditions

圖25 E5400 剖面計算結果Fig.25 E5400 section calculation results

圖26 E8800 剖面計算結果Fig.26 E8800 section calculation results

圖27 E8800 試算73%充填時垮落帶發育情況Fig.27 Trial calculation of the development of caving zone when 73% of the E8800 profile is filled

由表2 可知：在天然條件下，現邊坡穩定系數均大于2.0，處于穩定狀態；在飽和工況、地震工況下（地震動峰值加速度為0.1g），現邊坡穩定系數也均大于1.5。此結果表明，2 條剖面南幫邊坡穩定系數較高，均能滿足安全儲備的要求。李愛華等[19]通過分析東露天礦東幫的穩定性，得出東幫的穩定性為1.5～1.6，現階段下東幫也滿足安全要求。

表2 各剖面在3 種工況下的穩定系數Table 2 Stability coefficients of each section under three working conditions

由表3 可知：在天然工況下，2 個剖面穩定系數均大于1.15，處于穩定狀態；在飽和工況下，E8800剖面處于失穩破壞的臨界值，E5400-2 剖面產生變形破壞；在地震工況下，E5400-2 將發生破壞；在飽和和地震工況下，所有剖面的穩定系數均小于1.00，2 個剖面邊坡都將會發生滑動。

4 討 論

紀洪廣等[20]應用“三帶”理論分析了撫順東露天礦受井采影響后的“三帶”發育高度，其中垮落帶高度為140 m，斷裂帶高度160 m，并總結了“三帶”相對應的破壞模式。根據試算的E8800 充填73%情況下垂直位移云圖可以判斷，產生“離層”的油頁巖層為垮落帶，其變形和高度與文獻中垮落帶的高度完全相符，垮落帶同時對應E8800 的應力釋放區、剪應力最大的區域；斷裂帶則對應2 個剖面的剪應力為1 MPa 到垮落帶界限；模擬與文獻中的“三帶”有很好的對應性，說明了本次數值模擬的準確性。張令飛等[21]認為受弱層控制的滑坡體變形具有區域性，分為穩定區→欠穩區→失穩區，隨著變形的發展穩定區變為欠穩區，欠穩區變為失穩區，整體呈“牽引后退式”破壞，東露天礦2 條剖面的南幫現階段也具有該特點。

根據2 個剖面變形分析可知：E8800 剖面南幫受井采影響比較小，南幫主要為受露采影響的滑移-拉裂變形模式，E5400 剖面南幫受井采的影響很大，屬于牽引式；而北幫主要受井采的影響很大，塑性區主要分布在北幫，E8800 剖面被斷層分為上下2 個煤層，變形存在明顯的分異，靠近坑底部分產生向上部采空區的傾倒，遠離坑底部分向下部采空區的塌陷；E5400 剖面變形也存在分異現象，靠近坑底部分向下部采空區整體滑移，遠離坑底向下部采空的塌陷。

5 結 語

1）撫順東露天礦巖體的變形和塑性區在井采階段已經基本形成，露采后南幫、北幫產生小范圍拉張塑性區，說明目前傾斜煤層幾乎全部采出，露采開采深度有限的情況下，井采是使邊坡及地下巖體產生變形破壞的主要原因。

2）撫順東露天礦因地層結構及傾斜煤層影響，2個剖面的南北幫的變形模式完全不同，其中E8800剖面南幫受采礦活動影響小，后緣存在大范圍的拉張區，變形模式為主要受露采影響的滑移-拉裂，E5400 剖面南幫主要受井采影響，屬于牽引式；E8800 剖面北幫受井采的影響變形很大靠近坑底部分向上部采空方向傾倒，遠離坑底部向下部采空方向塌陷，E5400 剖面北幫靠近坑底部分向下部采空區整體滑移，遠離坑底向下部采空塌陷。

3）撫順東露天礦E8800 剖面、E5400 剖面南幫均存在拉張區，但并未貫通，整體穩定性好，但受降雨影響易發生淺層滑坡；E8800 剖面北幫坡度僅8°，E5400 剖面北幫的坡度僅5°，但是北幫受井采影響變形大，剪切塑性區十分發育，在持續開采的過程中隨著坡度的增加應重點關注北幫的變形及穩定情況。