王文才，李俊鵬，王創(chuàng)業(yè)，陳世江，李仕璋

（1.內蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271103）

邊幫煤是指受露天開采技術和地質條件限制滯留在露天臺階下和邊坡境界外煤炭資源的總稱[1-3]。近年來，因邊坡工程存在典型失穩(wěn)特性，在巖土及采礦工程界備受重視，尤其是邊幫煤回采中，邊坡變形破壞及穩(wěn)定性之間的關系越顯復雜[4-5]。邊幫煤回采過程中受露天和井工采動效應相互影響，會形成一個動態(tài)多元的復合系統(tǒng)，雖在一定程度上能提高資源的回收率，但也會加速邊坡內部巖體裂隙發(fā)育，當裂隙發(fā)育至一定階段后受外部荷載作用，邊坡極易發(fā)生變形破壞和失穩(wěn)現象[6-7]，從而造成人員傷亡和財產損失，也會制約煤炭資源回收和利用[8-9]。因此，針對邊幫煤回采邊坡變形破壞和失穩(wěn)機理的研究成為采礦界眾多學者研究的課題，并取得了不少成果。孟慶武等[10]利用靠幫開采的相關理論，提出了端幫靠幫開采邊坡穩(wěn)定性分析的2 種方法,建立了由靠幫開采帶來的經濟效益研究模型和節(jié)約的二次剝離成本計算模型，闡述了近水平露天煤礦實施端幫靠幫開采,在技術上是可行的,且具有很好的經濟效益；劉憲權等[11]通過相似模擬和數值模擬實驗對水平厚煤層露井聯合開采下邊坡破壞機理進行分析，闡述了露天邊坡的破壞是一個漸進的過程；藍航等[12]采用FLAC3D對露天煤礦排土場邊坡下采動沉陷規(guī)律進行研究，闡述了臺階狀邊坡地表的移動范圍比平地地表要小，變形更劇烈；喻梅[13]對端幫壓煤條帶開采下煤柱及坡體穩(wěn)定性機制進行研究，闡述了端幫壓煤條帶開采圍巖應力、變形及塑性區(qū)分布特征；朱建明等[14]采用相似和數值模擬對露井聯采下邊坡穩(wěn)定性及其邊界參數優(yōu)化進行研究，闡述了地下開采開切眼位置對露天邊坡的穩(wěn)定起到關鍵作用；丁鑫品等[15]通過相似模擬對露天礦端幫煤柱回收井工開采工作面推進方向的優(yōu)化進行研究，闡述了端幫煤柱回收邊坡變形破壞的差異性；李正勝等[16]運用自主研發(fā)錨固式多點位移計對房柱式采空區(qū)影響下露天端幫煤開采安全控制技術進行研究，闡述了端幫位移趨勢及采空區(qū)上部巖體存在明顯的卸荷應力區(qū)域現象；王東等[17]采用數值模擬對褐煤露天礦端幫開采邊坡支撐煤柱穩(wěn)定進行研究，闡述了以煤柱拉伸剪切塑性區(qū)寬度為判據, 確定合理煤柱寬度；南存全等[18]提出了井工長壁采煤法，井工長壁煤法具有安全、高效、高采出率等優(yōu)勢，特別是長壁綜采放頂煤采煤法，是解決露天礦邊幫厚煤層回采有效方法。

通過上述分析發(fā)現，針對邊幫煤回采的研究成果主要集中在邊幫煤回采的可行性及經濟效益的研究、邊幫煤回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性的研究、邊幫煤回采留設煤柱寬度及采煤工藝的研究，缺少針對邊幫煤在不同回采方向、回采深度邊坡變形破壞及穩(wěn)定性方面的相關分析，鑒于此，在上述學者研究的基礎上采用FLAC3D數值模擬方法對提出的觀點進行分析，以期為今后類似礦山安全生產提供借鑒。

1 FLAC3D 數值結構模型及回采方案

1.1 邊幫煤回采邊坡數值模型

FLAC3D數值模型是采用顯式拉格朗日算法和混合離散分區(qū)技術，可以對所研究巖土體受力特性進行準確模擬[19]。因此，采用FLAC3D軟件結合所研究礦山巖土體力學參數[20]構建邊幫煤回采邊坡數值結構模型，本次邊幫煤回采邊坡結構模型采用摩爾-庫倫本構模型。邊坡數值結構模型及測點布置示意圖如圖1。

圖1 邊坡數值結構模型及測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of slope numerical model and monitoring points layout

模型長、寬、高分別為500、200、253.2 m，頂面采用自由邊界，其余幾個面均進行約束，模型共布置6排檢測線，每個平盤處布置1 排，分別位于1400 平盤～1340 平盤。其中1400 平盤為黃土和砂巖、1390平盤為砂巖、1380 平盤為粗砂巖、1370 平盤為粗砂巖、1350 平盤為中粗砂巖、1340 平盤為細砂巖，邊幫可采4#煤層（上煤層）位于1340 平盤下方，屬上組可采煤層，與地表垂直深度156 m，9#煤層（下煤層）位于上煤層下方，屬下組可采煤層，與地表垂直深度216.6 m，上煤層和下煤層之間的垂直距離為44 m。

1.2 邊幫煤回采方法及回采方案

通過文獻［18］分析可以知道井工長壁煤法具有安全、高效、高采出率等優(yōu)勢，特別是長壁綜采放頂煤采煤法是解決露天礦邊幫厚煤層回采有效方法。因此確定采用長壁綜采放頂煤采煤法對露天邊幫下滯留的資源進行回采，每次回采長度為10 m（對應礦山每天回采長度），采高為煤層厚度的1/2。通過上述邊幫煤回采邊坡結構模型的構建及分析提出邊幫煤在不同回采方向和回采深度2 種回采方案。不同回采方案邊坡數值結構模型如圖2。

圖2 不同回采方案邊坡數值結構模型Fig.2 Numerical structure model of slope with different mining schemes

2 不同回采方案邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

邊坡變形破壞和穩(wěn)定性降低現象實質上是由工作面頂、底板巖層塑性區(qū)的形成和擴展引起的。塑性區(qū)的大小和形態(tài)決定了邊坡內部巖體的破壞程度和對臺階穩(wěn)定性影響程度。由此，在上述邊幫煤回采邊坡結構模型基礎上進行回采得到邊坡塑性演化、平盤內應力曲線和位移曲線分布圖。

2.1 上煤層順坡回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

上煤層順坡回采邊坡塑性變形結構模型如圖3，上煤層順坡開采各平盤內應力變化曲線圖如圖4，上煤層順坡開采各平盤位移變化曲線圖如圖5。

圖3 上煤層順坡回采邊坡塑性變形結構模型Fig.3 Slope plastic deformation structure model for downhill mining of upper coal seam

圖5 上煤層順坡開采各平盤位移變化曲線圖Fig.5 Curves diagrams of the displacement change of each flat plate in downhill mining of upper coal seam

由圖3 和圖4 可知，上煤層邊幫煤順坡回采邊坡巖體塑性區(qū)演化和邊坡各平盤內應力變化特點為：①回采初期（0～140 m）：邊坡內部巖體原巖應力平衡發(fā)生破壞，工作面在均勻高應力作用下，塑性區(qū)首先出現在工作面頂板和底板，呈上下對稱分布；②回采中期（140～250 m）：頂板上方塑性區(qū)向上擴展，指向邊坡平盤，呈半蝶型分布，受回采影響，邊坡各平盤應力呈波形抖動狀況，主要集中在邊坡中部1390 平盤～1370 平盤處，上部1400 平盤和下部1350 平盤、1340 平盤主應力變化較小；③回采至停采線（250～300 m）：受偏高應力作用，“蝶形”塑性區(qū)范圍持續(xù)擴展，呈不規(guī)則形態(tài)分布，頂板塑性區(qū)逐步向邊坡中部平盤擴展，該階段的水平和垂直主應力及主應力差值不斷發(fā)生變化，使得塑性區(qū)逐步擴展至邊坡中部1370 平盤和1380 平盤處，邊坡發(fā)生變形破壞，穩(wěn)定性受到影響，存在失穩(wěn)現象。

圖4 上煤層順坡開采各平盤內應力變化曲線圖Fig.4 Curves diagram of internal stress change of each flat plate in downhill mining of upper coal seam

由圖3 和圖5 可知，上煤層邊幫煤順坡回采邊坡內部巖體塑性區(qū)演化和邊坡各平盤位移變化特點為：①回采初期（0～140 m）：塑性破壞區(qū)范圍較小，邊坡各平盤維持露天開采后狀態(tài)，不發(fā)生變形破壞現象；②回采中期（140～250 m）：在回采擾動和塑性區(qū)范圍擴大的基礎上，邊坡各平盤由靜止狀態(tài)向變形破壞的活躍期轉變，塑性區(qū)擴展至邊坡中部1380平盤和1370 平盤，相對位移值變化趨勢也最大，水平和垂直方向都指向采空區(qū)，上部和下部平盤變形破壞幅度略小，移動趨勢和中部平盤一致；③回采至停采線（250～300 m）：受下部平盤及后方巖層沉降的擠壓影響，邊坡上部1400 平盤由向采空區(qū)移動趨勢轉變發(fā)生向露天礦坑移動，且伴隨著向上抬升現象，水平移動和垂直抬升值呈正態(tài)分布，隨回采長度增大而增大，此過程伴隨著塑性區(qū)持續(xù)向邊坡中部平盤處擴展，直至回采終止，指向露天礦坑的最大移動區(qū)域為1400 平盤，水平位移0.29 m，垂直抬升0.22 m，指向采空區(qū)的最大移動區(qū)域為邊坡中部1370 平盤，水平位移0.79 m，垂直位移1.23 m。

綜上所述，通過上述分析得出受回采影響邊坡塑性區(qū)發(fā)育至邊坡中部1380 平盤～1370 平盤處，平盤穩(wěn)定性發(fā)生改變，且因受損的1380 平盤和1370平盤向采空區(qū)移動擠壓影響邊坡上部1400 平盤發(fā)生向露天礦坑移動趨勢，使得邊坡穩(wěn)定性進一步降低，容易發(fā)生局部滑移現象。

2.2 上煤層逆坡回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

上煤層逆坡回采邊坡塑性變形結構模型如圖6，上煤層逆坡回采各平盤內應力變化曲線圖如圖7，上煤層逆坡回采各平盤位移變化曲線圖如圖8。

圖6 上煤層逆坡回采邊坡塑性變形結構模型Fig.6 Plastic deformation structure models of reverse slope mining of upper coal seam

圖7 上煤層逆坡回采各平盤內應力變化曲線圖Fig.7 Curves diagrams of internal stress change of each flat plate in reverse slope mining of upper coal seam

圖8 上煤層逆坡回采各平盤位移變化曲線圖Fig.8 Curves diagrams of displacement change of each flat plate in reverse slope mining of upper coal seam

由圖6 和圖7 可知，上煤層邊幫煤逆坡回采邊坡內部巖體塑性區(qū)演化和邊坡各平盤應力變化特點為：①回采初期（0～100 m）：邊坡內部巖體受回采影響，原巖應力發(fā)生擾動，頂底板應力集中高于巖體承受的極限強度，頂底板巖體形成塑性破壞場域，范圍隨回采長度增大不斷擴大，且邊坡各平盤應力曲線由靜止狀態(tài)發(fā)生抖動，主要變化區(qū)域為邊坡中部1370 平盤和下部1350 平盤處；②回采中期（100～180 m）：頂底板塑性區(qū)范圍不斷擴大，頂板塑性區(qū)擴展范圍比底板更為劇烈，且頂板塑性區(qū)對邊坡中部1370 平盤和下部1350 平盤不斷形成擾動，使平盤主應力形成應力釋放區(qū)，加大了應力波動范圍，使得邊坡平盤穩(wěn)定性發(fā)生降低；③回采至停采線（180～220 m）：邊坡平盤受偏高應力作用，塑性區(qū)范圍擴展發(fā)育至邊坡中部和下部平盤處，邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變，失穩(wěn)現象突顯。

由圖6 和圖8 可知，上煤層邊幫煤順坡回采邊坡內部巖體塑性區(qū)演化和邊坡各平盤位移變化特點為：①回采初期（0～100 m）：因邊坡各平盤遠離內部巖體塑性破壞區(qū)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，各平盤不發(fā)生移動變化，維持露天開采后邊坡變形形態(tài)；②回采中期（100～180 m）：邊坡內部塑性區(qū)范圍持續(xù)發(fā)生擴展，逐步對邊坡平盤形成影響，發(fā)生移動現象，移動趨勢均呈正態(tài)分布，隨回采長度的增加和塑性區(qū)范圍的擴大位移值不斷增大，最大移動平盤位于邊坡中部1370 平盤和下部1350 平盤，且此時塑性區(qū)范圍以擴展至上述平盤處；③回采至停采線（180～220 m）：因1370 平盤和1350 平盤向采空區(qū)方向移動對1400 平盤形成擠壓影響，平盤移動趨勢發(fā)生改變，水平方向由向采空區(qū)移動趨勢轉變?yōu)橄蚵短斓V坑移動，垂直方向由向采空區(qū)下沉趨勢轉變?yōu)樘苿?，其它平盤維持向采空區(qū)移動趨勢，直至回采終止，指向露天礦坑的最大移動區(qū)域為1400 平盤，水平位移值0.53 m，垂直抬升值0.28 m，指向采空區(qū)的最大移動區(qū)域為邊坡中部1370 平盤，水平位移值0.94 m，垂直位移值1.32 m。

綜上所述，上煤層逆坡開采邊坡內部巖體變形破壞及塑性區(qū)發(fā)育擴展趨勢與上煤層順坡開采較一致，但主要破壞區(qū)域變?yōu)檫吰轮胁?370 平盤和下部1350 平盤，且上部1400 平盤移動向露天礦坑移動值更大，邊坡失穩(wěn)現象凸顯。

2.3 下煤層順坡回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

下煤層回采邊坡塑性變形結構模型如圖9，下煤層回采各平盤內應力變化曲線圖如圖10，下煤層回采各平盤位移變化曲線圖如圖11。

圖9 下煤層回采邊坡塑性變形結構模型Fig.9 Plastic deformation structure models of slope in lower coal seam

由圖9 和圖10 可知，下煤層順坡回采邊坡內部巖體塑性區(qū)演化和各平盤應力變化特點為：①回采初期（0～175 m）：因采場巖體原有應力平衡影響，應力進行重組，使得頂底板巖體應力集中程度大于巖體強度使頂底板巖體發(fā)生塑性破壞現象，頂板塑性區(qū)擴展范圍較大，底板范圍較小；②回采中期（175～240 m）：因塑性區(qū)擴展影響，邊坡平盤內主應力發(fā)生變化，呈小幅上下抖動，邊坡內部巖體塑性區(qū)擴展范圍逐步向邊坡中部平盤發(fā)育；③回采至停采線（240～300 m）：主應力逐步活躍，抖動幅度加大，差值擴大，邊坡內部塑性區(qū)范圍繼續(xù)向邊坡中部1370平盤方向擴展；直至回采終止，塑性區(qū)擴展范圍未達到邊坡平盤處，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖10 下煤層回采各平盤內應力變化曲線圖Fig.10 Curves diagrams of internal stress change of each flat plate in the lower coal seam

由圖9 和圖11 可知，下煤層順坡回采邊坡內部巖體塑性區(qū)演化和各平盤位移變化特點分為：①回采初期（0～175 m）：因采場巖體塑性區(qū)破壞范圍較小，邊坡各平盤不受擾動，均處于穩(wěn)定狀態(tài)，位移不發(fā)生改變；②回采中期（175～240 m）：邊坡內部巖體塑性區(qū)逐步向邊坡平盤處發(fā)育，使得1370 平盤和1350 平盤發(fā)生向采空區(qū)方向移動，此過程也原本向采空區(qū)移動的1400 平盤受下部平盤移動擠壓影響發(fā)生翻轉移動，趨勢指向露天礦坑；③回采至停采線（240～300 m）：邊坡中部和下部各平盤持續(xù)向采空區(qū)方向移動，指向露天礦坑的1400 平盤位移值緩慢發(fā)生變化，直至回采終止，指向露天礦坑的最大移動區(qū)域為1400 平盤，水平位移0.11 m，垂直沉降0.24 m，指向采空區(qū)的最大移動區(qū)域為邊坡中部1370 平盤，水平位移0.78 m，垂直沉降0.88 m。

圖11 下煤層回采各平盤位移變化曲線圖Fig.11 Curves diagrams of the displacement change of each flat plate in the mining of the lower coal seam

綜上，隨著下煤層回采長度的持續(xù)增大，邊坡內部塑性區(qū)范圍也持續(xù)擴展；直至回采終止，中部1370 平盤和下部1350 平盤受回采擾動影響最大，且向采空區(qū)移動最大，上部1400 平盤向采空區(qū)移動較小，存在局部破壞現象，但邊坡穩(wěn)定性不受影響。

3 不同回采方向和回采深度邊坡穩(wěn)定性

邊幫煤回采邊坡變形破壞主要發(fā)生在邊坡中部1370 平盤和上部1400 平盤處，上部1400 平盤主要是因向露天礦坑移動使邊坡穩(wěn)定性降低，下部1370平盤主要是因向采空區(qū)移動使邊坡穩(wěn)定性降低，因此選取1400 平盤和1370 平盤水平位移值，結合上述分析對邊坡穩(wěn)定性狀況進行對比分析。

3.1 不同回采方向邊坡穩(wěn)定性

不同回采方向平盤變形對比表見表1。

表1 不同回采方向平盤變形對比表Table 1 Comparison table of flat plate deformation in different mining directions

1）順坡可回采長度比逆坡多80 m，順坡回采更有利于企業(yè)發(fā)展，增大企業(yè)經濟效益。

2）順坡和逆坡回采塑性區(qū)均發(fā)育至邊坡中部1370 平盤處，但逆坡回采塑性區(qū)擴展范圍和深部均比順坡開采大，且1400 平盤和1370 平盤位移值均大于順坡開采，指向露天礦坑的1400 平盤位移值比順坡大0.24 m，指向采空區(qū)方向的1370 平盤位移值比順坡大0.15 m。

3）順坡回采對邊坡平盤造成的破壞程度較小，局部可能存在滑移現象，但不足使邊坡發(fā)生失穩(wěn)現象；逆坡回采使邊坡中部和下部平盤均發(fā)生向采空區(qū)方向的變形破壞，且邊坡平盤變形破壞程度較大，邊坡失穩(wěn)現象凸顯。

由此，在不同回采方向下，邊坡穩(wěn)定性和工作面回采方向有關，順坡回采相對逆坡回采邊坡穩(wěn)定性更好，回采長度更大，順坡回采邊坡穩(wěn)定性較好，存在局部失穩(wěn)現象，逆坡回采邊坡會發(fā)生失穩(wěn)現象。

3.2 不同回采深度邊坡穩(wěn)定性

不同回采深度平盤變形對比表見表2。

表2 不同回采深度平盤變形對比表Table 2 Comparison table of flat plate deformation at different mining depths

1）邊幫煤在相同回采長度和不同回采深度下，邊坡內部巖體變形破壞區(qū)域和程度不相同，使得塑性區(qū)發(fā)育高度也不相同。

2）因下煤層回采對邊坡中部和下部平盤擾動較小，使得上部1400 平盤形成的擠壓力較小，1400 平盤向露天采坑移動值比上煤層開采移小0.18 m。

3）在相同回采長度下，下煤層回采因回采深度較大，塑性區(qū)擴展范圍較大，但因距離邊坡各平盤較遠，塑性區(qū)范圍并沒有發(fā)育至邊坡中部1370 平盤和下部1350 平盤處，邊坡中部和下部平盤受擾動較小，而上煤層回采邊坡內部塑性區(qū)發(fā)育至邊坡中部1380 平盤～1370 平盤處，平盤穩(wěn)定性發(fā)生改變，且因受損的1380 平盤和1370 平盤向采空區(qū)擠壓移動使得邊坡上部1400 平盤發(fā)生向露天礦坑移動趨勢，邊坡穩(wěn)定性進一步降低，容易發(fā)生局部滑移現象。

由此可以得出，在回采長度一定下，邊坡穩(wěn)定性和回采深度有關，采深越大邊坡穩(wěn)定性越好。

4結 語

1）基于FLAC3D，結合塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律得出邊幫煤回采邊坡內部巖體塑性區(qū)擴展對邊坡各平盤內主應力和變形值影響較大，當塑性區(qū)擴展至某一平盤下部時，平盤內主應力波動劇烈，差值增大，致使邊坡平盤處巖體發(fā)生變形，邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變。

2）基于FLAC3D，構造邊幫煤在不同回采方向邊坡結構模型，進而從邊坡穩(wěn)定性機理對不同回采方向邊坡穩(wěn)定狀況進行分析，發(fā)現邊坡穩(wěn)定性狀況與回采方向有關，順坡回采采場巖體塑性發(fā)育強度和深度比逆坡回采弱，工作面回采長度長，邊坡中部1370 平盤和上部1400 平盤穩(wěn)定性存在衰減現象，存在局部失穩(wěn)情況；逆坡回采工作面長度小，且受回采影響穩(wěn)定性衰減的平盤存在剪切失穩(wěn)現象，由此可以得出順坡回采優(yōu)于逆坡回采。

3）基于FLAC3D，構造邊幫煤在不同回采深度下邊坡結構模型，從邊坡穩(wěn)定性機理對不同回采深度邊坡穩(wěn)定狀況進行分析，發(fā)現不同采深邊坡內部巖體塑性區(qū)發(fā)育深度和高度不相同，上下煤層回采都會在一定程度上使邊坡穩(wěn)定性降低，上煤層回采邊坡平盤存在局部失穩(wěn)現象，整體穩(wěn)定性較好，下煤層回采，因遠離邊坡平盤，塑性區(qū)發(fā)育高度未到達邊坡平盤處，固邊坡穩(wěn)定性較好，由此可以得出邊坡穩(wěn)定性和回采深度有關，采深越大邊坡穩(wěn)定性越好。