馮少杰，高 晨，劉雷鵬，繆愛偉

(北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144)

目前，國內(nèi)礦山都面臨著一個共同問題，即隨著露天開采深入，剝采比不斷變大，露天剝離成本會不斷增加，另外經(jīng)過長期露天開采后的高陡邊坡也會嚴重威脅礦山的生產(chǎn)安全，大大增加了開采成本。為確保礦山可持續(xù)發(fā)展，一定深度內(nèi)是露天開采，深度之上就轉(zhuǎn)變?yōu)榫ら_采。露天復合開采情況下，一種開挖所帶來的影響不僅可以改變自身影響域內(nèi)巖體的應力場分布，也會干擾到另一種開挖體系的平衡狀態(tài)，所以由多重應力疊加影響下的復合開采條件方式與單一的開采方式相比還是有很大的不同[1-7]。雖然復合開采條件下礦山邊坡穩(wěn)定性的研究已經(jīng)逐漸成熟，但在開采過程中還是存在一些問題，而比較顯著的是復合開采下L型工作面開采邊坡穩(wěn)定性的影響[8]。為此，本文主要研究復合開采過程中導致上覆巖體的變形規(guī)律及對邊坡加固。

1 工程概況

烏海路天煤礦四采區(qū)井在中國內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市東南45km處，位于桌子山煤田公烏素精查區(qū)3-17號勘探線之間，行政區(qū)劃歸烏海市海南區(qū)公烏素鎮(zhèn)所有。礦區(qū)工作面的下部是1604回采工作面，而它的上部卻是原始露采剝離坑[9-12]。1602L型的工作面采用綜采放頂煤的工藝方式回采，設計的走向長度約為1350m，工作面的傾向長300m。

2 地下開采誘發(fā)上覆巖體變形規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

采用FLAC3D軟件進行模擬，以實測剖面I-I剖面為分析對象(見圖1)，建立數(shù)值模型。

圖1 I-I剖面地層分布圖

2.2 巖土參數(shù)選取

根據(jù)工程勘察資料及相關(guān)研究成果，確定數(shù)值模擬計算所需要巖石物理學參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土體主要物理力學性能指標

2.3 充分采動時邊坡巖體破壞影響規(guī)律

2.3.1 I-I剖面沿傾向開采充分采動時邊坡巖體破壞規(guī)律

如圖2所示模型走向長200m，傾向420m，高105m。排土場高15m，坡角35°，距離露天邊坡坡肩距離約30m。模型共有26292個節(jié)點，22776個單元。

數(shù)值模型中走向?qū)挾热?0m，沿傾向分開采8步開采，前4步每步開采寬度10m，后4步每步開采寬度25m，開采厚度為8m，開采位置如圖2所示，目的是模擬沿傾向開采過程中上覆巖體變形與破壞特點，巖體破壞判據(jù)采用莫爾-庫侖準則[13-14]。

如圖3和圖4為開挖后沿Z方向的應力圖和位移圖，通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，得出地表隨開挖下沉變化曲線圖(如圖5)。

圖2 沿傾向開采三維數(shù)值模型及開采位置

圖3 I-I剖面開挖40m后Z方向應力色譜圖

圖4 I-I剖面開挖40m后Z方向位移色譜圖

圖5 地表沉降隨開挖下沉變化曲線圖

如圖5所示可以看出，隨著開采寬度增大，沉降量逐漸增大，當開采寬度達到40m時，地表沉降值達到最大值6.76m，再增大開采寬度，沉降量不再遞增，從而上覆巖體進入充分采動階段?？梢钥闯觯S著開采寬度的增大，導致上覆巖體進入整體破壞狀態(tài)，從而使邊坡體原賦存條件發(fā)生了根本性改變，導致邊坡無法保證其穩(wěn)定性。

2.3.2 I-I剖面沿走向充分采動時對邊坡巖體破壞影響規(guī)律

如圖6所示模型走向長300m、傾向420m、高度為105m，排土場高15m，其坡角35°，距離露天坡肩距離約30m。模型共有13146個節(jié)點，11388個單元。

數(shù)值模擬中沿走向每一步開挖寬度5m，共10步，沿傾向?qū)挾热?00m，煤層開采厚度為8m，開采位置如圖6所示。目的是模擬分析沿走向開采對上覆巖體應力應變的影響規(guī)律，破壞判據(jù)仍采用莫爾-庫侖準則。

如圖7至圖9所示，分別為沿Y方向應力、Y方向位移和X方向位移圖，通過對數(shù)值模擬結(jié)果分析，得出地表水平位移和沉降隨開挖寬度變化曲線(如圖10和圖11)。

圖6 沿走向開采三維數(shù)值模型及開采位置

圖7 I-I剖面開挖25m后Y方向應力變化色譜圖

圖8 I-I剖面開挖25m后Y方向位移分變化色譜圖

圖9 I-I剖面開挖25m后X方向位移分變化色譜圖

圖10 地表水平位移隨開挖寬度的變化曲線

圖11 地表沉降隨開挖寬度的變化曲線

從圖10可以看出，隨著工作面向前不斷推進，地表水平位移逐漸增大，開挖25m時最大水平位移值為0.49m，開挖50m時最大水平位移值為1.20m，且最大水平位移值隨著開挖的進行也在向前移動。從水平位移變化曲線來看，位于開切眼一側(cè)煤壁上方地表水平移動曲線的密集程度要比停采線一側(cè)煤壁上方大，原因在于隨著開采的不斷進行，采空區(qū)冒落巖石被壓實，上覆巖層移動也將逐漸停止，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖11可以看出，地表沉降曲線和水平位移曲線變化趨勢基本相同，開挖25m時達到充分采動，地表最大沉降為6.5m，開挖在開切眼一側(cè)地表沉降曲線比停采線一側(cè)地表沉降曲線要密。沉降曲線同樣是以采空區(qū)中心上方地表點作為對稱點，對地表沉降而言，距開切眼越近，開采經(jīng)歷的時間越長，地表下沉就越充分。

上覆巖體的破壞特點表現(xiàn)為：隨著開采寬度的不斷增加，上覆巖體的變形與破壞高度逐漸增大；當開采寬度達到25m時，變形波及到地表面，此時地表沉降變形值達到最大值6.5m，再增大沉降值不變，因此，開采寬度25m為走向充分開采條件。從地下開挖過程中上部巖體應力變化特點來看，隨著開采工作面沿走向不斷推進，采區(qū)上覆巖體塑性破壞區(qū)域不斷增大，最終整個上覆巖體均達到破壞狀態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采動影響超前影響角為44°，由此超前影響距離為32m，該段范圍內(nèi)邊坡也無法保證其穩(wěn)定性，因此，在工作面推進過程中，為了確保施工工程的安全，應對邊坡進行加固。

3 邊坡治理方案設計與優(yōu)化

3.1 邊坡治理方案設計

基于礦山工程資料，通過對露天礦在井內(nèi)進行開采時上覆巖體邊坡穩(wěn)定性的計算與分析，設計了3種礦山邊坡降低緩裝治理措施：(1)邊坡減載治理方案；(2)邊坡錨索加固方案；(3)減載與錨索聯(lián)合加固方案。

表2 邊坡治理方案效益指標

邊坡減載治理方案其優(yōu)點是削坡減載技術(shù)解決方案簡單而又易于加強治理管理，治理效果非常明顯，很容易實行，并且可以結(jié)合打掃灰場運輸路徑等因素來進行設計，從而有效的降低了灰場治理費用的成本；而缺點是施工期間采用了比較高的機械化操作和爆破施工，安全隱患也非常多，如果土石方從坑內(nèi)掉下來，滾落下來的碎石會造成施工過程中的安全事故，而且在斜坡上更容易產(chǎn)生新的安全隱患。

邊坡錨索加固方案其優(yōu)點是錨索施工不需要爆破開挖，對邊坡巖體的安全性不會有影響，能夠保證滑面力學性能不改變。加固完之后，后期養(yǎng)護成本較低，耐久性能高；而缺點是施工過程中工序較為復雜，難度較高，成本較大，隱蔽工程較多，導致質(zhì)量檢查的難度風場高。

減載與錨索聯(lián)合加固方案其優(yōu)點是對邊坡下山方向進行削坡減載有效增緩了邊坡，而且錨索的使用數(shù)量也大大減少，從而降低了成本。

邊坡治理方案的確定要從技術(shù)指標和經(jīng)濟指標兩方面綜合來確定，所以根據(jù)各方案優(yōu)缺點和表3可以發(fā)現(xiàn)減載后加固不僅有效的降低了施工難度，縮短工期，而且也最經(jīng)濟。所以此方案是合理的。

3.2 邊坡治理方案優(yōu)化

設計一排錨索，錨索規(guī)格為5×Φ15.2標準鋼絞線，錨固位置距第1個安全平臺距離為22m，長度為20m，錨固角為15°，錨索水平間距2m，錨索加固示意圖如圖12所示。

圖12 減載后邊坡錨索加固示意圖

計算加固后邊坡安全系數(shù)為1.21。由邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索加固費約為2118元/m，則單位長度的費用為7256元/m，總預算費用為979.6萬元。

4 結(jié)論

(1)邊坡安全性與開采量大小有關(guān)，隨著地下開采量的增大，邊坡巖體受擾動程度遞增，邊坡體的變形也愈加劇烈，當L型地下采區(qū)開采尺寸達到40m后，上覆巖體整體處于破壞狀態(tài)。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，沿傾向充分采動時，隨著開采深度的增大，導致上覆巖體進入整體破壞狀態(tài)。沿走向充分采動時，采動影響超前影響角為44°，由此超前影響距離為32m，該段范圍內(nèi)邊坡也無法保證其穩(wěn)定性。

(3)對邊坡治理方案進行了研究，提出了減載，預應力錨索，及減載后加固設計三種方案。對三種方案進行了技術(shù)和經(jīng)濟效益的對比分析，最終確定采用減載后錨索加固方案，加固后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。