周 杰，李紹臣，馬丕梁

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)分院，北京 100013）

基于RFPA的露井聯(lián)采下邊坡破壞機(jī)理分析

周 杰1，李紹臣1，馬丕梁2

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)分院，北京 100013）

為了研究露井聯(lián)合開(kāi)采條件下的巖層活動(dòng)規(guī)律，對(duì)邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行深入分析，根據(jù)某礦露井聯(lián)合開(kāi)采的技術(shù)條件和巖土體力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)建立數(shù)值計(jì)算模型，運(yùn)用真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件 （RFPA）對(duì)邊坡巖體隨工作面推進(jìn)時(shí)的變形、破壞情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)不同平盤(pán)位移量的分析，驗(yàn)證了水平煤層露井聯(lián)采條件下邊坡巖體破壞規(guī)律存在3個(gè)破壞分區(qū)。根據(jù)分區(qū)情況對(duì)邊坡巖體的破壞特征進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

RFPA;露井聯(lián)采;變形分區(qū);邊坡破壞機(jī)理;聲發(fā)射

在礦產(chǎn)資源的開(kāi)采方法上，淺部礦層一般采用露天開(kāi)采的方法，而深部礦層采用井工開(kāi)采的方法在經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢(shì)［1］。目前，為了發(fā)揮各自的優(yōu)越性，使經(jīng)濟(jì)效益最大化，露井聯(lián)采的模式已經(jīng)被各大礦區(qū)逐漸采用。露井聯(lián)采屬于復(fù)雜巖層結(jié)構(gòu)承受多次開(kāi)挖、回填等受力過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題［2］，因此，探討露井聯(lián)合開(kāi)采條件下的巖層活動(dòng)規(guī)律，對(duì)邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行深入分析，不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在提高煤炭產(chǎn)量，減少煤炭資源的浪費(fèi)，利于環(huán)境保護(hù)與治理等方面具有優(yōu)越性。

目前，國(guó)內(nèi)外研究邊坡破壞機(jī)理的方法有相似材料模擬試驗(yàn)、Flac數(shù)值模擬等。本文采用基于彈性損傷理論，能夠?qū)r石的變形、破壞、移動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行模擬的真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件——RFPA，對(duì)露井聯(lián)采下邊坡變形及破壞情況進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)露井聯(lián)采下邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

1 數(shù)值試驗(yàn)

1.1 數(shù)值試驗(yàn)條件

某露天礦東南幫東部4號(hào)煤處于風(fēng)氧化帶，無(wú)井工開(kāi)采價(jià)值，主采煤層為9號(hào)煤層。該區(qū)域開(kāi)采將是先期露天開(kāi)采形成上部幾個(gè)臺(tái)階，接著在露天礦邊坡下方進(jìn)行井工開(kāi)采，屬于聯(lián)合開(kāi)采模式。井工開(kāi)采的9號(hào)煤層平均厚度13m，工作面煤層傾角2～7°，設(shè)計(jì)采高3.2m，平均放煤高度為5～10m，工作面寬度 240m［3］。

1.2 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)

RFPA露井聯(lián)采數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。模型沿水平方向取1000m，垂直方向取270m，基元大小2m×2m，總基元數(shù)67500個(gè)。每步開(kāi)挖10m，近似等于每天的進(jìn)尺，開(kāi)挖30步。兩個(gè)巖層之間加入了弱層?；膹椥阅Ａ俊屋S抗壓強(qiáng)度等參數(shù)按Weibull函數(shù)隨機(jī)分布來(lái)模擬巖石材料的不均質(zhì)性和各向異性。模型邊界條件為底部固定，頂部自由，左右兩側(cè)水平方向位移約束。在數(shù)值計(jì)算中，各巖層采用摩爾－庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，應(yīng)用平面應(yīng)變模型假設(shè)，共布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于分析井工開(kāi)采對(duì)露天礦邊坡巖體的影響。

1.3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層變形、冒落破壞情況以及邊坡變形破壞情況如圖2所示。

圖1 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

工作面推進(jìn)90m時(shí)，頂板初次垮落，地表出現(xiàn)零星拉張裂縫，如圖2（a）所示。

隨著工作面的推進(jìn)，頂板繼續(xù)冒落，地表的拉張裂縫不斷地發(fā)展、增多。當(dāng)工作面推進(jìn)到180m時(shí)，地表裂縫迅速向下發(fā)展，+1405平盤(pán)后方開(kāi)始出現(xiàn)明顯裂縫，+1435及以上平盤(pán)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)彎曲下沉，沉降變形增加較大，如圖2（b）。

當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時(shí)，邊坡裂隙與垮落帶裂隙貫通，采空區(qū)邊界兩側(cè)巖體向采空區(qū)內(nèi)傾斜、斷裂，+1405平盤(pán)變形破壞加劇，+1435及以上平盤(pán)已明顯失穩(wěn)，如圖2（c）。

2 露井聯(lián)采下邊坡破壞機(jī)理分析

2.1 邊坡巖體變形分析

通過(guò)本次數(shù)值試驗(yàn)，可以得到露天礦邊坡巖體在井工開(kāi)采影響下的位移量。分別采集1～7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)繪制成位移曲線圖 （圖3）。其中，4～7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為+1435，+1405，+1375，+1360平盤(pán)的中點(diǎn)。在這里規(guī)定位移方向豎直向上為正，水平向右為正。

從圖3（b），（d），（e）中可以看出，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和+1435，+1405平盤(pán)的巖體隨著工作面不斷開(kāi)挖，逐漸向采空區(qū)傾斜。當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時(shí)，+1435平盤(pán)坡腳裂縫與采空區(qū)垮落帶裂縫貫通，并向采空區(qū)傾倒，平盤(pán)失穩(wěn)。+1405平盤(pán)不同位置，水平及垂直位移量差距較大，所以，受到井工開(kāi)采的影響，+1405平盤(pán)巖體較破碎。

由圖3（c），（f），（g）可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和+1375，+1360平盤(pán)附近的巖體有向自由面移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)開(kāi)挖至280m時(shí)，采空區(qū)裂縫貫通至+1435平盤(pán)坡腳，+1435及以上平盤(pán)垮落，使得平盤(pán)水平及垂直位移大幅減小，卸荷過(guò)后隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，+1373，+1360平盤(pán)的位移繼續(xù)增大。

2.2 邊坡巖體變形分區(qū)

根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)得到的邊坡內(nèi)部巖體位移量和邊坡平盤(pán)位移量 （圖3），并結(jié)合邊坡破壞特征 （圖2），可得出圖4所示的邊坡巖體破壞分區(qū)模型。

位于覆巖垮落邊界 （A區(qū)）內(nèi)的巖體，隨著9煤的開(kāi)采而逐漸垮落，位移主要表現(xiàn)為垂直方向的沉降，水平方向位移較小。

位于覆巖垮落邊界與巖層移動(dòng)邊界之間 （B區(qū)）的巖體，由于A區(qū)巖體的垮落而失去了左側(cè)的支撐，巖體向采空區(qū)傾斜、斷裂，故位移表現(xiàn)為向采空區(qū)的水平位移和垂直位移。

位于巖層移動(dòng)邊界右方的巖體 （C區(qū)），由于B區(qū)的巖體向采空區(qū)移動(dòng)，充填采空區(qū)，對(duì)C區(qū)的巖土體產(chǎn)生擠壓作用從而導(dǎo)致邊坡巖體向沒(méi)有約束的自由面方向移動(dòng)，故C區(qū)巖體的位移主要表現(xiàn)為向右的水平位移。

2.3 邊坡破壞特征分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖5給出了在井工開(kāi)采過(guò)程中，邊坡巖體破壞的聲發(fā)射情況。

位于B區(qū)的巖體，在井工開(kāi)挖過(guò)程中，首先在+1435平盤(pán)坡腳處出現(xiàn)拉伸破壞，隨著工作面推進(jìn)，A區(qū)巖體垮落，B區(qū)巖體失去側(cè)向支撐，出現(xiàn)大量的壓剪破壞區(qū)和拉伸破壞區(qū)，從圖2（c）中可以直觀的看出邊坡裂隙與垮落帶裂隙貫通，邊坡+1405平盤(pán)以上部分，即位于B區(qū)范圍內(nèi)的邊坡整體失穩(wěn)，表現(xiàn)為逐漸向采空區(qū)滑移、傾倒。

圖3 工作面推進(jìn)過(guò)程中的邊坡巖體變形情況

圖4 邊坡巖體破壞分區(qū)模型

圖5 邊坡巖體破壞聲發(fā)射情況

位于C區(qū)的巖體，由于受到來(lái)自B區(qū)巖體的擠壓力和自身下滑力的共同作用，首先在邊坡坡腳處出現(xiàn)剪切破壞，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，C區(qū)巖體開(kāi)始在上部出現(xiàn)少量壓剪破壞區(qū)。破壞區(qū)域并未貫通，僅僅在坡腳處形成了局部的剪切滑移出口，處在C區(qū)范圍內(nèi)的邊坡整體是穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬得出的邊坡位移量數(shù)據(jù)，對(duì)邊坡位移情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了水平厚煤層露井聯(lián)采下邊坡巖體破壞規(guī)律存在3個(gè)分區(qū)。

（2）分析邊坡巖體破壞特征，并進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。處于B區(qū)范圍內(nèi)的邊坡由于失去A區(qū)巖體的支撐而向采空區(qū)滑移、傾倒，從而整體失穩(wěn);處在C區(qū)范圍內(nèi)的邊坡受到來(lái)自B區(qū)巖體的擠壓作用，上部巖體出現(xiàn)少量的壓剪破壞，坡腳處形成了局部的剪切滑移出口，但是破壞區(qū)域沒(méi)有貫通，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件RFPA能夠較合理地模擬出露井聯(lián)采下邊坡破壞過(guò)程，相對(duì)于相似材料模擬試驗(yàn)有著無(wú)成本、耗時(shí)少、建模及試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)收集全面等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠直觀地觀察井工開(kāi)采引起的頂板垮落、邊坡變形、破壞等現(xiàn)象，是模擬此類問(wèn)題的新方法。

［1］朱建明，張洪濤，周保精，等.井工開(kāi)采對(duì)露井聯(lián)采邊坡穩(wěn)定影響的塑性極限分析 ［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（3）:344－350.

［2］劉向峰，何 峰，王振偉，等.露井聯(lián)采下巖體變形規(guī)律［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010，29（2）:187－189.

［3］劉憲全.安太堡礦露井聯(lián)采邊幫參數(shù)與工作線長(zhǎng)度優(yōu)化［D］.北京:北京科技大學(xué)，2008.

Mechanism of Slope Failure Based on RFPA in Open-underground Combined Mining

ZHOU Jie1，LI Shao-chen1，MA Pi-liang2
（1.Safety Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Detection Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

In order to research strata movement rule and slope failure mechanism in open-underground combined mining，a numerical simulation model was set up to analyze deformation and failure of slope rock during underground mining with RFPA based on mining technical condition and rock mechanic properties．3 failure partitions of slope rock were verified in open-underground combined mining by analyzing displacement of platform.On the basis of this，failure characteristic of slop rock was analyzed and slope stability was evaluated．

RFPA;open-underground combined mining;deformation partition;slope failure mechanism;acoustic emission

TD842.7

A

1006-6225（2012）02-0106-03

2011－12－01

煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展基金 （2011CX04）

周 杰 （1988－），男，安徽阜陽(yáng)人，在讀碩士研究生，主要從事露天礦采礦技術(shù)、邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)的研究工作。

［責(zé)任編輯:藍(lán) 航］