露天礦下伏采空區(qū)距坡腳水平距離對邊坡穩(wěn)定性的影響

摘要：為研究露天礦下伏采空區(qū)距坡腳水平距離對邊坡穩(wěn)定性的影響，以中煤平朔集團有限公司東露天礦首采區(qū)北端幫邊坡為工程背景，采用相似模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在考慮采空區(qū)上覆巖層垮落帶和斷裂帶（“兩帶”）分布的基礎(chǔ)上，研究了采空區(qū)距坡腳不同水平距離時采空區(qū)覆巖及邊坡位移變化規(guī)律和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明：① 隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小，垮落帶高度逐漸增大，斷裂帶逐漸顯現(xiàn)，采空區(qū)上覆巖層裂隙逐漸擴展至邊坡坡面，當坡面出現(xiàn)小范圍裂縫時，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。② 隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小，采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)垂直位移集中區(qū)并逐漸向上擴展，直至與邊坡坡面貫通；水平位移集中區(qū)有向上部擴展的趨勢，當上覆巖層的水平位移集中區(qū)與邊坡的水平位移集中區(qū)貫通時，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。③ 邊坡坡面水平位移、垂直位移均隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小而增大。④ 采空區(qū)距坡腳水平距離越大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越大，邊坡越不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

關(guān)鍵詞：露天礦；邊坡穩(wěn)定性；下伏采空區(qū)；邊坡坡角；垮落帶；斷裂帶

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A

0 引言

20 世紀80—90 年代，由于部分小型及民營煤企采用不規(guī)范的開采方式，且采掘工藝各不相同，導致開采境界內(nèi)現(xiàn)存大量下伏采空區(qū)。隨著采動的發(fā)生，原采空區(qū)上覆巖層發(fā)生持續(xù)性冒落，并伴隨長期蠕變作用，導致上覆巖層逐步坍塌，采空區(qū)的“活化”特征愈加突出，造成地表塌陷，對露天作業(yè)人員和設(shè)備的安全構(gòu)成威脅，影響露天開采境界的推進[1-2]。

近年來，許多學者對含下伏采空區(qū)露天礦邊坡穩(wěn)定性進行了研究。任鵬[3]基于支撐拱理論建立了支撐拱結(jié)構(gòu)力學模型，研究了拱效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。Du Han 等[4]研究了采空區(qū)上覆巖體的變形機制和破壞特征，發(fā)現(xiàn)越靠近邊坡邊界，上覆巖體的下沉量越大。陳璐等[5]、李偉等[6]研究了采空區(qū)影響下邊坡變形破壞特征及失穩(wěn)滑移機理。劉楊等[7]采用極限平衡法計算了不同破壞模式下的邊坡穩(wěn)定性。張坤勇等[8]、章瑞環(huán)等[9]基于極限平衡法，提出了高效、準確計算邊坡穩(wěn)定性的新方法。梁冰等[10]研究了露天礦不同開采階段及采空區(qū)煤柱失穩(wěn)下邊坡的演化規(guī)律和穩(wěn)定性系數(shù)變化。楊曉杰等[11]分析了采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)危險滑移面穿過采空區(qū)時，邊坡穩(wěn)定性顯著下降。許名標等[12]構(gòu)建了具有不同跨度和位置的邊坡模型，利用強度折減法計算邊坡安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)邊坡坡頂至坡腳的圓弧面為最可能滑動位置。譙立家等[13]研究了采空區(qū)深度、高度、跨度和距邊坡水平距離4 個因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，其中采空區(qū)深度影響最大，其次是采空區(qū)距邊坡水平距離和跨度，采空區(qū)高度影響最小。李同鵬等[14]分析了邊坡采空區(qū)跨度、保安礦柱厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響。劉殿軍等[15]模擬了采空區(qū)位置對邊坡穩(wěn)定性的影響。李鑫等[16]分析了采空區(qū)群對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響。郭文硯等[17]、杜巖等[18]建立了適用于礦山邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害風險等級、動態(tài)穩(wěn)定性評價方法。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以中煤平朔集團有限公司東露天礦受采空區(qū)影響最為嚴重的首采區(qū)北端幫邊坡為工程背景，通過相似模擬和數(shù)值模擬，在考慮采空區(qū)上覆巖層垮落帶和斷裂帶（“兩帶”）分布的基礎(chǔ)上，研究采空區(qū)距坡腳不同水平距離條件下的邊坡穩(wěn)定性，可為揭示含采空區(qū)露天礦邊坡變形破壞規(guī)律提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 開采境界

平朔東露天礦的生產(chǎn)礦井和小煤窯分布較多，開采年限不等，已不同程度地開采了4 號煤、9 號煤與11 號煤。平朔東露天礦首采區(qū)北端幫臨近山西中煤平朔北嶺煤業(yè)有限公司北嶺煤礦、山西朔州平魯區(qū)蘭花永勝煤業(yè)有限公司榆嶺煤礦、山西高平源野煤業(yè)有限公司溝底新井煤礦、山西朔州新建煤業(yè)有限公司磚井煤礦及山西陽城陽泰集團小西煤業(yè)有限公司小西窯煤礦，其中榆嶺煤礦2010 年采用綜采工藝生產(chǎn)，采空區(qū)跨度較大，屬于充分采動，地表出現(xiàn)了較大規(guī)模塌陷，溝底新井煤礦、磚井煤礦目前已停采。平朔東露天礦首采區(qū)境界如圖1 所示。

1.2 采空區(qū)位置

平朔東露天礦地下非法小煤窯較多，產(chǎn)生的采空區(qū)較復雜，采空區(qū)分布的位置、規(guī)模均具有不確定性，需對采空區(qū)位置分布進行勘查。采用物探與鉆探相結(jié)合的方法，實現(xiàn)多參量“區(qū)域?局部”的層次化探測。首先，采用地震反射波方法進行大范圍的采區(qū)探測，初步確定被調(diào)查區(qū)域內(nèi)采空區(qū)分布范圍；然后，采用瞬變電磁與高密度電法聯(lián)合探測方法，進一步圈定采空區(qū)的埋深、具體分布位置、影響范圍；最后，選用鉆探驗證及三維激光掃描方法，獲取采空區(qū)三維形貌特征與尺寸。采空區(qū)分布如圖2 所示。

1.3 地質(zhì)條件

平朔東露天礦首采區(qū)北端幫4 號煤層存在采空區(qū)，該煤層埋深約為112 m，煤層厚度為12.81～16.95 m，傾角較小，呈近水平。采空區(qū)南北方向跨度約為90 m，垂高約為12 m。北端幫邊坡的坡面與巖層面是順傾，且覆蓋大量紅黏土，在最低點區(qū)段紅黏土厚度約為70 m。首采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層較為完整，巖體質(zhì)量較好，無明顯弱層結(jié)構(gòu)，4 號煤層底板以泥巖和高嶺石泥巖為主，頂板巖性以粗粒砂巖、泥巖為主。巖體結(jié)構(gòu)存在陡傾節(jié)理和近水平節(jié)理：陡傾節(jié)理集中分布于邊幫，受外力作用易發(fā)生崩塌災(zāi)害；近水平節(jié)理發(fā)育程度較高，受開采擾動易發(fā)生切層滑動。綜合工程地質(zhì)資料，結(jié)合相鄰剖面煤巖分布情況，選取首采區(qū)北端幫X?X 剖面（圖3）作為研究對象，煤層柱狀圖如圖4 所示。

2 含下伏采空區(qū)邊坡失穩(wěn)破壞相似模擬

2.1 二維物理相似模擬試驗

2.1.1 相似模擬參數(shù)

根據(jù)平朔東露天礦北端幫邊坡現(xiàn)場條件，由相似材料模擬理論[19]確定幾何相似比為200∶1，容重相似比為1.5∶1，位移相似比為200∶1，相似模型尺寸為1 350 mm×910 mm×200 mm（長×高×寬）。參考煤巖層力學參數(shù)，配置模型中各煤巖層材料（原材料包括細砂、石灰、石膏、水及檸檬酸鈉），配比見表1，在配制模型時考慮材料損耗系數(shù)為1.2。

2.1.2 開挖模擬與監(jiān)測方案

位于4 號煤上下部分煤巖層裝填厚度分別為1，2 cm，模型堆建完成再養(yǎng)護2 d 后拆除兩側(cè)支護鋼板，繼續(xù)養(yǎng)護模型直至完全晾干。在相似模型表面布置監(jiān)測點（圖5），加密區(qū)間隔5 cm 等間距布置，非加密區(qū)間隔10 cm 等間距布置，并選取A1—A8 監(jiān)測點用于監(jiān)測坡面位移變化。在模型中開挖采空區(qū)，每次開挖尺寸為3 cm，間隔15 min 開挖1 次。采空區(qū)開挖完成后，將模型靜止12 h，剝離右側(cè)巖體至預設(shè)邊坡形態(tài)，直到模型位移不再變化。接著，從模型右側(cè)剝采邊坡，以改變采空區(qū)與邊坡的相對距離。邊坡持續(xù)向采空區(qū)方向推進，每次推進5.5 cm，直至裂隙擴展至邊坡或模型發(fā)生塌陷破壞，試驗結(jié)束。

2.2 采空區(qū)覆巖及邊坡變形破壞特征

采空區(qū)覆巖與邊坡變形破壞特征如圖6 所示。采空區(qū)形成后，上覆巖層發(fā)生垮落，垮落帶高度為12 m，垮落角約為49°，整體垮落帶呈梯形形態(tài)，且上覆巖體未見明顯裂隙擴展；當采空區(qū)距坡腳水平距離為150 m 時，受采動擾動影響，采空區(qū)上覆巖層垮落帶高度增至26 m，垮落角增至64°，垮落帶上方巖層開始顯現(xiàn)多條層間裂隙，形成初始斷裂帶，且高度為5 m，邊坡表面未見明顯裂隙，邊坡整體保持穩(wěn)定；當采空區(qū)距坡腳水平距離為139 m 時，受采動影響，采空區(qū)覆巖垮落帶變化不大，垮落角增至73°，垮落帶上方巖層出現(xiàn)斷裂帶，高度達24 m，然而裂隙尚未擴展至邊坡表面；當采空區(qū)距坡腳水平距離為133.5 m 時，采空區(qū)覆巖垮落帶進一步發(fā)展，高度達28 m，垮落角增至75°，垮落帶上方巖層斷裂帶擴展顯著，高度為42 m，斷裂帶發(fā)展至接近邊坡坡面，采空區(qū)正上方的邊坡表面出現(xiàn)小范圍裂縫，此時可認為邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 采空區(qū)覆巖及邊坡位移變化規(guī)律

2.3.1 覆巖位移變化規(guī)律

采空區(qū)距坡腳不同水平距離時邊坡垂直、水平位移云圖分別如圖7、圖8 所示。在未進行剝采的情況下，初始采空區(qū)形成后，采空區(qū)上覆巖層的垂直位移較大區(qū)域主要集中在頂板附近，最大位移為10 m，并呈自下而上逐漸減小的趨勢。水平位移較大區(qū)域與垂直位移較大區(qū)域相鄰，而其他區(qū)域的水平位移較小。當采空區(qū)距坡腳水平距離為150 m 時，采空區(qū)附近頂板巖層的垂直位移較開挖前變化不大，但在采空區(qū)覆巖處出現(xiàn)多個大小不等且未貫通的垂直位移區(qū)域。此外，位于采空區(qū)附近頂板巖層的水平位移集中區(qū)向上部擴展，表明上部巖層正在經(jīng)歷拉剪作用，且該區(qū)域可能會形成裂隙。當采空區(qū)距坡腳水平距離為139 m 時，采空區(qū)垂直位移集中區(qū)繼續(xù)向上擴展，局部裂隙開始貫通，并逐步擴展至邊坡坡面。采空區(qū)附近頂板巖層的水平位移集中區(qū)同樣向上擴展，同時，采空區(qū)正上方的邊坡位置出現(xiàn)了小范圍水平位移集中區(qū)。當采空區(qū)距坡腳水平距離為133.5 m 時，采空區(qū)垂直位移集中區(qū)迅速大幅擴展，且基本與邊坡坡面貫通。采空區(qū)正上方邊坡的水平位移集中區(qū)迅速增大，位移最大值約為0.7 m，采空區(qū)上覆巖層的水平位移集中區(qū)呈現(xiàn)與邊坡水平位移集中區(qū)貫通的趨勢，這表明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生失穩(wěn)滑動及采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

2.3.2 邊坡位移變化規(guī)律

采空區(qū)距坡腳不同水平距離時坡面各監(jiān)測點位移曲線如圖9 所示。

從圖9（a）可看出，各監(jiān)測點的水平位移隨采空區(qū)距坡腳水平距離的減小而增大；當采空區(qū)距坡腳水平距離為144.5 m 時，監(jiān)測點A3處水平位移相較于采空區(qū)距坡腳水平距離為150 m時增幅較為顯著；采空區(qū)距坡腳水平距離為139 m時，監(jiān)測點A1，A3 處水平位移變化較大，表明上部邊坡坡面位移受下伏采空區(qū)影響相對較大；采空區(qū)距坡腳水平距離為133.5 m 時，監(jiān)測點A1，A3 處水平位移達到峰值。從圖9（b）可看出，各監(jiān)測點的垂直位移隨采空區(qū)距坡腳水平距離的減小逐漸增大；當采空區(qū)距坡腳水平距離大于144.5 m 時，監(jiān)測點A3，A4 處垂直位移變化較為明顯；當采空區(qū)距坡腳水平距離減小至133.5 m時，監(jiān)測點A1，A3 處垂直位移達到峰值。

3 考慮采空區(qū)“兩帶”的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

由相似模擬試驗得到的下伏采空區(qū)上覆巖層與邊坡破壞特征可知，下伏采空區(qū)對邊坡的影響與采空區(qū)上覆巖層的裂隙擴展情況（即“兩帶”高度）有關(guān)。因此，根據(jù)相似模擬試驗中“兩帶”分布范圍，確定數(shù)值模擬中采空區(qū)“兩帶”高度，建立考慮采空區(qū)“兩帶”的二維邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模型，如圖10 所示。

采空區(qū)上覆巖層垮落巖體和裂隙巖體力學參數(shù)取值選擇合理范圍的下限值，“兩帶”物理力學參數(shù)見表2。

基于Morgenstern-Price 法（簡稱M?P 法） [20-22]計算采空區(qū)距坡腳不同水平距離時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，如圖11 所示。可看出二者呈線性關(guān)系，相關(guān)性較強；采空區(qū)距坡腳水平距離越遠，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越大，邊坡越不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 工程實際中的邊坡形態(tài)優(yōu)化

在工程實際中，有必要對欠穩(wěn)定（穩(wěn)定性系數(shù)小于1.2）的邊坡形態(tài)予以優(yōu)化。針對到界邊坡，鑒于開采境界線存在局限性且時間效應(yīng)較長，可考慮坡腳壓幫處理，即在邊坡坡角處堆放棄料，以提升邊坡穩(wěn)定性[23]。對于因剝采工程形成的端幫邊坡，由于其時間效應(yīng)較短，可通過降低坡面角、合理設(shè)置內(nèi)排追蹤距離[24]等方法來處理。若后期考慮對端幫下部壓煤進行回收，則需要考慮在邊坡下部留設(shè)部分支撐煤柱，在滿足邊坡穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)對遺留煤炭資源的最大化利用。

5 結(jié)論

1） 通過相似模擬分析了采空區(qū)距坡腳不同水平距離時采空區(qū)覆巖及邊坡位移變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小，垮落帶高度逐漸增大，斷裂帶逐漸顯現(xiàn)，采空區(qū)上覆巖層裂隙逐漸擴展至邊坡坡面，當坡面出現(xiàn)小范圍裂縫時，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)；隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小，采空區(qū)上覆巖層開始出現(xiàn)大小不等的垂直位移集中區(qū)，并逐漸向上擴展，直至與邊坡坡面貫通，而水平位移集中區(qū)有向上部擴展的趨勢，上覆巖層的水平位移集中區(qū)與邊坡水平位移集中區(qū)貫通時，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；邊坡坡面水平位移、垂直位移均隨采空區(qū)距坡腳水平距離的減小而增大。

2） 考慮“兩帶”（垮落帶與斷裂帶）范圍的影響，通過數(shù)值模擬計算了采空區(qū)距坡腳不同水平距離時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明：邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著采空區(qū)距坡腳水平距離的減小而減小，二者呈線性關(guān)系。

3） 為滿足邊坡穩(wěn)定性要求，對欠穩(wěn)定的邊坡形態(tài)提出了優(yōu)化方案：針對到界邊坡，可考慮坡腳壓幫處理；對于端幫邊坡，可采用降低坡面角、合理設(shè)置內(nèi)排追蹤距離等方式處理。

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（52374205）。