王　東　吳國輝　曹蘭柱　姜聚宇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新123000）

作為最大限度回收傾斜煤層的開采方式，露井聯(lián)合開采是一個復(fù)雜的復(fù)合動態(tài)變化系統(tǒng)，各種影響因素相互疊加干擾，嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)。盡管邊坡穩(wěn)定性研究工作已開展近200 a，但受限于開采條件，外國學(xué)者對這一問題的研究[1]很少；上世紀末，國內(nèi)學(xué)者開始應(yīng)用模型試驗[2，3]、數(shù)值模擬[4，5]、現(xiàn)場監(jiān)測[6]或綜合手段[7-14]研究露天礦邊坡巖體移動規(guī)律和變形過程、開采順序優(yōu)化及警戒煤柱寬度等問題。孫世國等[7]系統(tǒng)探討了露井聯(lián)采條件下邊坡巖體的滑移機制，由其推導(dǎo)得出了邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算式，但由于引入了一很難準確獲得的中間未知量——巖體的變形參量，目前很少采用這一計算方法。王東等[11]將露井聯(lián)采逆傾邊坡的破壞模式劃分為3種類型，據(jù)此提出了露井聯(lián)采逆傾邊坡穩(wěn)定性的極限平衡法，但同樣由于很難獲得邊坡巖體的殘余強度值，該方法也沒有得到推廣使用。更為嚴重的是，由于露天礦不能人為選址，常常會遇到斷層、弱層等不良地質(zhì)構(gòu)造，使得原本受到復(fù)合采動影響下的邊坡巖移規(guī)律與滑移機制問題更為復(fù)雜。

總體上看，相似材料模擬試驗?zāi)軌蜉^好地體現(xiàn)復(fù)雜條件下巖體的變形與移動規(guī)律，為此，本項目基于該手段對露井聯(lián)采含斷層逆傾邊坡巖移規(guī)律進行研究，以揭示地下開采對露天礦邊坡巖體變形及穩(wěn)定性的影響，并將研究成果用于指導(dǎo)露天礦安全開采。

1　邊坡工程地質(zhì)條件

平莊西露天煤礦經(jīng)50余a回采，頂幫邊坡基本到界。受經(jīng)濟合理剝采比限制，由露天轉(zhuǎn)為地下回采，其中1#和2#煤為主要可采煤層，隨工作面推進采空區(qū)頂板垮落，造成露天礦邊坡出現(xiàn)不同程度的拉伸裂縫和沉降變形區(qū)，甚至有部分邊坡巖體發(fā)生滑移，很可能威脅到邊坡穩(wěn)定性。頂幫邊坡主要由散體狀玄武巖、新近系沉積巖、白堊系沉積巖、輝綠巖和煤構(gòu)成，煤層傾角5°～20°、累計厚50～60 m。新近系沉積巖發(fā)育4個弱層，編號分別為C、B、A4和A，將巖體分割成厚薄不等的層狀結(jié)構(gòu)。邊坡內(nèi)部存在影響邊坡穩(wěn)定性的2條大型正斷層F1、F3，與邊坡傾向基本相同。典型剖面的到界邊坡形態(tài)及地層、構(gòu)造分布見圖1。

2　相似材料模擬的構(gòu)建

2.1　模型的制作

模型構(gòu)建時嚴格遵守幾何相似、運動相似和動力相似等相似準則，各相似常數(shù)間應(yīng)滿足關(guān)系式（1）：

2.2　試驗方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際開采情況，試驗分3個階段：第1階段，自露天—井工2#煤分界處開切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進；第2階段，自露天—井工1#煤上分層分界處開切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進；第3階段，按照露天礦2006年、2007年、2008年和最終境界4個工程位置逐步進行露天開采。模擬模型的邊界條件為自重加載，拆模后的模型（見圖2（a））。為掌握開采過程中的巖移規(guī)律，共布置27個測點，在+668 m、+608 m、+548 m和+488 m形成4條水平測線，同時以五家四井停采線為界，在邊坡臨空及背向方向各形成3條和6條縱向測線（見圖2（b））。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1　露井聯(lián)采過程中覆巖及地表移動特征

圖3所示為試驗獲得的2#煤工作面推進過程中頂板巖移規(guī)律。工作面自開切眼推進至68 m時，工作面大采空區(qū)范圍內(nèi)基本頂砂巖破斷、發(fā)生初次垮落，基本頂上部巖石分層間出現(xiàn)微小離層，如圖3（a）推進至104 m時，基本頂砂巖第一次周期垮落，此時頂板上方堅硬巖層輝綠巖出現(xiàn)離層，隨基本頂砂巖冒落，輝綠巖巖層出現(xiàn)垮落，見圖3（b）所示。推進至146 m時，基本頂砂巖第二次周期垮落，離層繼續(xù)向上發(fā)展，老頂失穩(wěn)破斷、巖層垮落，見圖3（c）所示。推進至214 m時，基本頂砂巖第三次周期垮落，采空區(qū)前方首先出現(xiàn)跨距為32 m的基本頂砂巖垮落，隨后工作面后方出現(xiàn)跨距為36 m的基本頂砂巖垮落，見圖3（d）所示。推進至242 m時，基本頂砂巖第四次周期垮落，同時老頂出現(xiàn)大范圍垮落，見圖3（e）所示。推進至284 m時，基本頂砂巖第五次周期垮落，同時老頂出現(xiàn)大范圍垮落，見圖3（f）所示。隨工作面的推進，覆巖的運動與破壞以及工作面的來壓將重復(fù)上面的過程，并形成一定的來壓規(guī)律，由模擬試驗得到基本頂周期來壓步距為32～36 m，老頂周期來壓步距為78～96 m，煤層頂板砂巖上方輝綠巖的存在是頂板來壓步距較大的主要原因。

地下回采1#煤上分層過程中，推進頂板巖層基本上隨工作面隨采隨冒，周期性垮落步距為10～14 m。工作面推進至225 m時，覆巖離層發(fā)育到地表，形成塌陷。各測點均下沉，其中位于采空區(qū)較近的I4和I5測點下沉量最大為24 m，II4、III4、IV4這3個測點的下沉量依次為20 m、18 m和16 m，表明越接近采空區(qū)，巖體下沉越明顯。工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角形巖體沿斷層面發(fā)生下滑，如圖4所示。顯然，1#、2#煤回采后，采空區(qū)上方巖層達到了充分采動，據(jù)此可測得開切眼、工作面的巖層充分采動角分別為76°和62°。另外，可參照文獻[15]計算得出開切眼、工作面的邊界角分別為60°和55°。

圖5所示為露天回采過程中邊坡巖移情況，根據(jù)該階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開切眼巖層垮落線外側(cè)+584m標高以上巖體向邊坡臨空面發(fā)生了一定位移。

3.2　地下開采對露天礦邊坡變形與穩(wěn)定性的影響分析

分析試驗結(jié)果可知，露井聯(lián)采結(jié)束一段時間后，測點I1、I2、I3、II1、II2、II3、III1、III2、III3、IV1、IV2、IV3向左下方移動，測點III5、III6向露天坑方向產(chǎn)生明顯位移，表明工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角巖體沿斷層面發(fā)生下滑，對左側(cè)邊坡巖體施加了一個水平推力作用，使得該部分巖體的強度降低，從而引起邊坡穩(wěn)定性下降，同時導(dǎo)致沉陷坑下方巖體受到側(cè)向擠壓而發(fā)生破壞，如圖6所示。

4　結(jié)論

（1）地下回采2#煤過程中，基本頂初次垮落步距為68 m，基本頂周期來壓步距為32～36 m，老頂周期來壓步距為78～96 m；煤層頂板砂巖上方輝綠巖的存在是頂板來壓步距較大的主要原因。

（2）隨工作面沿1#煤上分層推進過程中，頂板周期垮落步距為10～14 m；推進至225 m時，離層區(qū)發(fā)育至地表，形成沉陷坑。

（3）井工回采后，煤層開切眼，工作面的充分采動角分別為76°和62°，對應(yīng)邊界角為60°和55°，據(jù)此圈定了地下開采形成的壓縮、拉伸變形區(qū)以及塌陷范圍。

（4）充分采動后，工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角巖體沿斷層面發(fā)生下滑，導(dǎo)致沉陷坑下方巖體受到側(cè)向擠壓而發(fā)生破壞，同時對+608 m以上巖體變形與穩(wěn)定性造成一定影響。