采動影響下露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析

張 巖，陳彥龍，樊進(jìn)城，任 鵬

(1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100120；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；5.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前內(nèi)蒙古煤礦形成了井工煤礦和露天煤礦交錯分布的局面，多地采用露井聯(lián)采的方式，解決了端幫壓煤和排土場壓煤問題，一方面創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，另一方面也帶來了井工開采和露天開采相互影響的新問題[1-3]。井工開采對于露天開采的影響較大，采動導(dǎo)致露天端幫或排土場產(chǎn)生沉降、塌陷和邊坡的滑移變形，進(jìn)而影響露天礦的安全生產(chǎn)[4]。

近年來，學(xué)者針對采動影響下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究，張忠超等[5]通過對邊坡地表位移進(jìn)行長期監(jiān)測，獲得了井工開采擾動下邊坡的變形破壞特征，通過建立統(tǒng)計模型，量化了井工開采擾動和降雨等對邊坡位移的影響；孫世國等[6]分析了地下與露天復(fù)合開采下的邊坡失穩(wěn)機制，認(rèn)為地下采動是影響邊坡穩(wěn)定性的主要原因；丁鑫品等[7]以平朔礦區(qū)露井協(xié)同開采為工程背景，分析了井工開采回收端幫滯留煤時順坡開采與逆坡開采下的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明順坡開采更安全且效率更高；龔聲武等[8]、柴紅保等[9]和賴秀英等[10]研究了采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)主要由采動應(yīng)力集中引起，當(dāng)采空區(qū)在邊坡底部時對邊坡穩(wěn)定性影響最大，而采空區(qū)與邊坡面平行或垂直時對邊坡穩(wěn)定性影響較小；馮少杰等[11]通過數(shù)值計算也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，認(rèn)為采空區(qū)處于露天邊坡外部時反而有利于邊坡的穩(wěn)定。

學(xué)者對井工開采影響下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的研究，但由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以往的研究成果并不具有普適性。因此，筆者以哈烏素露天煤礦典型的黃土基底排土場為工程背景，分析了井工開采下黃土基底排土場邊坡失穩(wěn)機理，確定了井工開采下工作面的終采線位置，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

研究區(qū)域排土場排土標(biāo)高1 260 m，排土高度120 m，平盤寬度35 m，臺階高30 m，最終幫坡角23°。研究區(qū)主要開采4號和6號煤層。4號煤層平均煤厚5 m，平均傾角2°，平均埋深174 m；6號煤層平均煤厚25 m，平均傾角2°，平均埋深198 m。根據(jù)礦井的生產(chǎn)設(shè)計，數(shù)值計算剖面選取4號和6號煤層工作面的中部(P1)，剖面線垂直于工作面和邊坡等高線。

2 數(shù)值計算模型及方案

根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)條件，利用PHASE2數(shù)值計算軟件建立的模型如圖2所示。模型規(guī)格為460 m×337 m(長×高)，模型的左右兩邊和底部均采用位移約束，采用摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 井工開采工作面布置示意

圖2 數(shù)值計算模型及邊界條件示意

由于礦區(qū)排土場下需要開采4號和6號煤層，煤層開采選擇下行開采順序，因此，數(shù)值計算時，首先回采4號煤層，確定4號煤層終采線位置后，再回采6號煤層并確定其終采線位置。工作面每次回采30 m，分析采動對邊坡位移場、最大剪應(yīng)力和安全系數(shù)等的影響。此外，為了直觀反映邊坡的移動變形特征，定量描述邊坡的位移變形量，在邊坡的各臺階和各個坡面上共設(shè)置30個測點。

3 4號煤層開采對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 邊坡位移變化特征

由圖3～圖5可以得出以下結(jié)論。

圖3 4號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移云圖

圖4 4號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡垂直位移云圖

圖5 4號煤層工作面不同推進(jìn)距離下各監(jiān)測點水平位移和垂直位移變化曲線

(1)當(dāng)推進(jìn)距離小于90 m時，邊坡表面水平位移和垂直位移主要受坡體變形的影響，受采動影響較小，邊坡水平位移等值線呈“圓弧形”，邊坡垂直位移主要集中在邊坡坡頂；當(dāng)推進(jìn)距離超過90 m時，采動對邊坡位移的影響逐漸趨于明顯。工作面頂板上方出現(xiàn)向左移動的水平位移，垂直位移主要集中在工作面頂板上方覆巖內(nèi)；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到150 m后，邊坡最大水平位移和垂直位移趨于穩(wěn)定。隨著4號煤層工作面的繼續(xù)推進(jìn)，邊坡最大水平位移的位置從剖面內(nèi)部不斷向坡頂位置轉(zhuǎn)移，井工開采沉陷產(chǎn)生的下沉值貫穿到地表，工作面中部沉陷值最大，自工作面中部向兩側(cè)垂直位移值逐漸減小。

(2)當(dāng)工作面由30 m推進(jìn)至120 m，3坡面以上各監(jiān)測點水平位移呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，1 200平盤、2坡面和3坡面最大水平位移值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，前期由于坡體變形使得水平位移值不斷增大，當(dāng)推進(jìn)到120 m時，受到井工開采沉陷的影響，坡體開始向采空區(qū)一側(cè)移動，使得水平位移開始減??；整體來看，隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面的最大水平位移呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，當(dāng)推進(jìn)距離從30 m增加到180 m時，邊坡的最大水平位移由0.04 m增加到1.04 m。

(3)隨著推進(jìn)距離不斷增大，3坡面以上各測點垂直位移不斷增大，3坡面以下各臺階邊坡位移近似為零；邊坡最大垂直位移隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，待采動影響貫通地表后，最大垂直位移值趨于穩(wěn)定。4號煤層工作面推進(jìn)距離由30 m增至180 m，工作面最大垂直位移由0.18 m增加到4.65 m。

3.2 最大剪應(yīng)變變化特征

4號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖6 4號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖

由圖6可知，當(dāng)推進(jìn)距離由0增至90 m時，邊坡主要受坡體自身變形影響，形成圓弧形滑移面，該滑移面從排棄物料延伸至坡底的黃土層。當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于120 m時，井工開采影響導(dǎo)致潛在滑面轉(zhuǎn)移，井工開采工作面覆巖上方剪應(yīng)變開始逐步發(fā)育，并逐步貫通至坡體表面，工作面兩端各形成一個潛在滑移面，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

3.3 安全系數(shù)及終采線位置

4號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置如圖7所示。

首先，“深港通”開通之后，從深市向港市的單向格蘭杰因果以及深市對港市沖擊具有較強持久度，看出深市處于兩地市場的引導(dǎo)地位，傳導(dǎo)過程中波動的風(fēng)險會被放大。因此我們需要加強內(nèi)地股市制度的建設(shè)，預(yù)防股市風(fēng)險的傳染輸出和國際炒家的風(fēng)險輸入，重點完善公司退市、信息披露等股票市場機制，從而降低深圳股市波動的風(fēng)險外溢。

由圖7可知，邊坡安全系數(shù)隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的變化規(guī)律，推進(jìn)距離由30 m增至90 m，該階段邊坡安全系數(shù)受采動影響較小，安全系數(shù)由1.63降至1.61，降幅僅為1.23%；推進(jìn)距離由90 m增至180 m，安全系數(shù)由1.61降至1.13，降幅為29.81%，這表明采動對邊坡安全具有顯著影響。為滿足邊坡安全系數(shù)大于1.2的要求，4號煤層工作面推進(jìn)距離最大為168 m，即距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為98 m。

圖7 4號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置

4 6號煤層開采對邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 邊坡位移變化特征

6號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移和垂直位移云圖如圖8和圖9所示；6號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡監(jiān)測點水平位移和垂直位的變化曲線如圖10所示。

圖8 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移云圖

圖9 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡垂直位移云圖

圖10 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下各監(jiān)測點水平位移和垂直位移變化曲線

從圖8～圖10可以得出以下結(jié)論。

(1)隨著6號煤層工作面向前推進(jìn)，邊坡最大水平位移一直集中在坡頂。推進(jìn)距離大于90 m時，坡頂最大水平位移值范圍不斷增大，并不斷向1 230平盤方向發(fā)展；當(dāng)工作面推進(jìn)距離從30 m增至120 m時，4號煤層和6號煤層帶來的井工開采沉陷產(chǎn)生的下沉值逐步貫穿到地表。當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)小于90 m時，邊坡變形主要受4號煤層開采所形成的采空區(qū)的影響，4號煤層工作面中部的上覆巖層沉陷值最大，距離4號煤層工作面中心越遠(yuǎn)，垂直位移值越??；當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)到120 m時，6號煤層工作面中部的上覆巖層沉陷值最大。

(2)各臺階及坡面隨著6號煤層工作面的推進(jìn)，水平位移值逐漸增大，因4坡面位于4號煤層和6號煤層工作面的上方，受井工開采影響最為嚴(yán)重，其水平位移值最大。當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)距離從30 m增加到120 m時，邊坡的最大水平位移由1.08 m增加到5.50 m。

(3)隨著6號煤層工作面推進(jìn)距離的增加，3坡面以上各測點的垂直位移值不斷增大，其下各臺階邊坡垂直位移值近似為零。在同一推進(jìn)距離下，井工開采對坡頂(1 260平盤)和4坡面影響最大，地表沉陷最為嚴(yán)重。推進(jìn)距離從30 m增至120 m時，邊坡最大垂直位移從6.60 m增加到21.60 m。

4.2 最大剪應(yīng)變變化特征

6號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)推進(jìn)距離由30 m增至90 m時，邊坡主要受4號煤層工作面采動的影響，4號煤層工作面終采線上方受剪切影響嚴(yán)重，且剪切面不斷向上發(fā)育，逐步形成一個潛在的滑移面。當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時，6號煤層井工開采工作面頂板的沉陷使得工作面兩端受剪切影響嚴(yán)重，形成2個潛在滑移面，工作面兩端的上覆巖層均朝采空區(qū)方向滑動。

圖11 6號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖

4.3 安全系數(shù)及終采線位置

6號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置如圖12所示。

由圖12可知，邊坡安全系數(shù)隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的變化規(guī)律，當(dāng)推進(jìn)距離由30 m增至90 m時，該階段邊坡安全系數(shù)受采動影響較小，安全系數(shù)由1.24降至1.22，降幅僅為1.61%；當(dāng)推進(jìn)距離由90 m增至120 m時，安全系數(shù)由1.22降至0.97，降幅為20.49%，這表明采動對邊坡安全具有顯著影響。為滿足邊坡安全系數(shù)大于1.2的要求，6號煤層工作面推進(jìn)距離最大為105 m，即距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為35 m。

圖12 6號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置

5 現(xiàn)場監(jiān)測驗證

在進(jìn)行井工開采之前，實測排土場黃土基底含水率約為10%，演化弱層厚度為0。本次布置了3個監(jiān)測點(G9～G11)，G9監(jiān)測點位于4號煤層和6號煤層工作面上方，G10監(jiān)測點位于4號煤層終采線附近，G11監(jiān)測點位于邊坡坡底。各監(jiān)測點垂直位移和水平位移隨時間變化曲線如圖13所示。由圖13可知，各監(jiān)測點垂直位移和水平位移在開采前期增幅較小，中期由于上覆巖層垮落導(dǎo)致測點位移值迅速增大，后期充分采動下各測點位移值趨于穩(wěn)定；G9監(jiān)測點達(dá)到穩(wěn)定的位移值最大，G10監(jiān)測點受井工開采影響相對較小，G11監(jiān)測點距離工作面較遠(yuǎn)，其垂直位移近似為0，但由于受自身坡體變形的影響，坡底存在一定的水平位移。

圖13 各測點位移隨時間變化曲線

提取數(shù)值計算模型中對應(yīng)G9、G10和G11監(jiān)測點的垂直位移和水平位移，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖14所示。

圖14 各測點位移對比

由圖14可知，數(shù)值模擬獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點的垂直位移分別為18 375.0、2 863.0、3.5 mm，水平位移分別為4 516、2 550、15 mm；現(xiàn)場實測獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點的垂直位移分別為20 265、3 661、21 mm，水平位移分別為5 399、3 422、534 mm。數(shù)值計算結(jié)果略小于現(xiàn)場實測結(jié)果，但貼近于現(xiàn)場觀測值，數(shù)值計算所采用的參數(shù)充分考慮水浸和井工開采的綜合影響，但無法考慮采動過程中外在條件的變化，比如，強降雨等外在因素的干擾。整體而言，數(shù)值計算誤差相對較小，計算結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)隨著4號煤層工作面的推進(jìn)，邊坡最大水平位移和垂直位移呈現(xiàn)先增大而后趨于穩(wěn)定的特征，最大水平位移由0.04 m增加到1.04 m，最大垂直位移由0.18 m增加到4.65 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于90 m時，邊坡主要呈圓弧形破壞模式，當(dāng)推進(jìn)距離大于90 m時，在4號煤層工作面兩端各形成一個潛在滑移面，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

(2)隨著6號煤層工作面的推進(jìn)，邊坡最大水平位移和垂直位移呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，最大水平位移由1.08 m增加到5.50 m，最大垂直位移由6.60 m增加到21.60 m；6號煤層回采至90 m時，工作面頂板方向形成一個潛在滑移面，回采至120 m時，工作面兩端各有一個潛在滑移面，且覆巖均朝采空區(qū)方向滑動。

(3)4號煤層回采時，工作面終采線距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為98 m；6號煤層回采時，工作面終采線距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為35 m。

(4)現(xiàn)場監(jiān)測獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點垂直位移和水平位移隨時間的增加整體呈現(xiàn)先緩慢增大后快速增大最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，其穩(wěn)定后的邊坡變形值與數(shù)值計算結(jié)果接近。