韓松辰 HAN Song-chen；孫世國(guó) SUN Shi-guo

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

我國(guó)有許多老礦區(qū)屬于露井聯(lián)采礦區(qū)，主要特點(diǎn)是淺層煤炭由露天開采，深部煤層由井工礦開采[1-2]，且兩者的采動(dòng)影響域相互包含或相互疊加，由此構(gòu)成了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)疊加破壞機(jī)制[3-5]。因此，隨著露天開采深度的增大，露天與井工礦新老采區(qū)的復(fù)合疊加作用機(jī)制更加復(fù)雜，從而形成了影響域的包含或嵌套關(guān)系，由此造成后續(xù)開采的衍生災(zāi)害或連鎖反應(yīng)[6-7]。本研究針對(duì)老虎臺(tái)礦地下采區(qū)開采對(duì)東露天礦安全影響問(wèn)題，利用Midas 和Flac3D數(shù)值模擬軟件，模擬地下井工采區(qū)開采完成后進(jìn)行露天采區(qū)開采，分析邊坡及地表移動(dòng)規(guī)律，總結(jié)井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采相互作用機(jī)理，對(duì)東露天礦及老虎臺(tái)礦安全生產(chǎn)具有重要意義[8-11]。

1 井工轉(zhuǎn)露天開采數(shù)值模擬模型的設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

撫順采煤沉陷區(qū)主要是從城市東部地域向市中心延續(xù)，西邊則是由南臺(tái)一街以西200m 處當(dāng)作起始點(diǎn)，東邊延伸至東洲區(qū)政府西側(cè)，北邊延伸至榆林路、礦電鐵北干線，南邊延伸到東露天礦北幫、龍鳳路以南?？傮w來(lái)看，其跨越了新?lián)岷蜄|洲兩個(gè)行政區(qū)，面積為17.38km2，在撫順?biāo)鶎?duì)應(yīng)的總面積占比達(dá)到了14.2%。撫順煤層厚度最大達(dá)到130m，平均厚度50m，垂直深度達(dá)478m，是世界上罕見的單一巨厚煤層[12]。

1.2 數(shù)值模擬模型的建立

由于Flac3D軟件對(duì)于復(fù)雜模型建立的呈現(xiàn)度有所欠缺，因此根據(jù)撫順礦務(wù)局的地質(zhì)資料采用Midas 軟件建立模型，使用Flac3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在計(jì)算井工全部十一個(gè)采區(qū)疊加開采的影響狀態(tài)下進(jìn)行露天延深開采。根據(jù)表1 露天開采的幾何參數(shù)，將露天采區(qū)按時(shí)序分為五步進(jìn)行開采，選取E5600 剖面為主斷面，各個(gè)采區(qū)按計(jì)劃開采順序進(jìn)行數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬模型依舊使用直角坐標(biāo)系，地下采空區(qū)位置及大小不變。

表1 露天各步開采幾何參數(shù)

其中露天走向開采長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4000m、南北方向傾向長(zhǎng)度為3600m，開采坑底標(biāo)高-200m。模型劃分為269714個(gè)單元，238343 個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖1 為井工轉(zhuǎn)露天開采數(shù)值模型單元?jiǎng)澐郑瑘D2 為E5600 剖面各采區(qū)分布簡(jiǎn)化圖，計(jì)算參數(shù)見表2。

圖1 數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)值模擬模型E5600 剖面各采區(qū)分布簡(jiǎn)化圖

2 井工轉(zhuǎn)露天開采誘發(fā)邊坡地表移動(dòng)規(guī)律分析

露天開采第五步誘發(fā)地表沉降及位移云圖如圖3 所示，由于露天開采是在井工十一步采區(qū)開采完成情況下進(jìn)行，沉陷區(qū)形狀近似呈現(xiàn)為橢圓，沉降位移分布主要在坑內(nèi)及坡肩，根據(jù)沉降量和水平位移量的變化特點(diǎn)來(lái)看，隨著露天采區(qū)不斷開采，水平移動(dòng)和沉降范圍逐漸增大；最大沉降值和最大水平移動(dòng)值逐步增大，且最大位移與沉降值的位置也隨開采范圍增大而產(chǎn)生變化；因此地表變形及最大變形值位置與井工和露天采區(qū)影響域的綜合疊加密切相關(guān)。

圖3 露天開采結(jié)束沉降及位移分布云圖

露天開采誘發(fā)老采區(qū)擾動(dòng)產(chǎn)生地表沉降位移變化，圖4 為露天開采后邊坡及地表沉降曲線。其中第一步露天開采后邊坡及地表最大沉降值為48mm，其位置處于N1750，基本位于各地下采區(qū)幾何中心位置；隨著工作面的推進(jìn)第五步露天開采后邊坡及地表最大下沉值為269mm，其位置處于N1796，與第一步最大下沉點(diǎn)位置對(duì)比，向北移動(dòng)46m，下沉值略有增大。

圖4 E5600 剖面露天各步開采地表沉降變化曲線圖

圖5 為露天開采后邊坡及地表位移曲線。其中第一步露天開采后邊坡及地表最大水平位移為78mm，處于N1250，基本位于地下采區(qū)-330 開采下山邊界位置；隨著工作面的推進(jìn)第五步露天開采后邊坡及地表最大水平位移值為633mm，其位置處于N1208，與第一步開采對(duì)比最大水平位移向南移了42m，位移值略有增大。

圖5 E5600 剖面露天各步開采地表水平位移變化曲線圖

綜上最大位移、最大沉降值及其位置變化特點(diǎn)來(lái)看，隨著露天開采的延深，最大位移與最大沉降位置變化逐漸減小，說(shuō)明隨著露天延深開采其坡角逐漸增大后，受露天臨空面的增大和側(cè)向約束減小，邊坡向坑內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)邊界向南側(cè)擴(kuò)展且移動(dòng)速率減小，這就是所謂的活化效應(yīng)。

3 井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采相互作用機(jī)理

根據(jù)采礦工程的地應(yīng)力場(chǎng)分布及巖層移動(dòng)的一般規(guī)律，老虎臺(tái)礦在開采之前，地質(zhì)體處于未受到擾動(dòng)狀態(tài)，所有巖層的初始應(yīng)力為{σ0}，當(dāng)進(jìn)行井下開采之后，在開采區(qū)影響范圍內(nèi)的各個(gè)空間位置上的所有微小單元體的相對(duì)位置狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)地下采區(qū)的影響范圍原巖應(yīng)力為{σ1}；當(dāng)?shù)谝淮尉ら_采停止后，巖層應(yīng)力變化為{Δσ1}，巖層的應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定獲得重新平衡后的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為σ1±Δσ1=σ2。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行井工開采，每次井工開采的應(yīng)力變化為{Δσ2}{Δσ3}…{Δσi}，則新的影響域范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)變成{σ3}、{σ4}乃至{σi+1}，這其中{σi}都是經(jīng)由上一次的應(yīng)力狀態(tài){σi-1}應(yīng)力重分布而形成的。

3.1 井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采應(yīng)力場(chǎng)嵌套效應(yīng)

在井工開采的前提下進(jìn)行露天開采，由于露天采區(qū)處于之前井工采區(qū)工作面的最上部，第一步露天開采的應(yīng)力變化為{Δσi+1}，巖層的應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定獲得重新平衡后的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為σi±Δσi+1=σi+1。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行露天開采，每次露天開采的應(yīng)力變化為{Δσi+2}{Δσi+3}…{Δσi+n}，則新的影響域范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)變成{σi+2}、{σi+3}乃至{σi+n}。所以井工開采完成后形成的巖層平衡狀態(tài)被破壞，引發(fā)巖體內(nèi)部應(yīng)力新的變化，新應(yīng)力場(chǎng)是由前一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)疊加而成，最終的應(yīng)力狀態(tài)都與開挖過(guò)程的路徑有關(guān)，此為井工轉(zhuǎn)露天開采的嵌套效應(yīng)。

3.2 井工轉(zhuǎn)露天開采應(yīng)力場(chǎng)連鎖效應(yīng)

同時(shí)由于露天開采作為原井工采區(qū)工作面上部的一部分，兩種采動(dòng)的影響域相互包含，所以在進(jìn)行露天開采后不僅改變了邊坡巖體的應(yīng)力狀態(tài)，也直接誘發(fā)了原來(lái)處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體的重新活化，并同時(shí)不斷地產(chǎn)生移動(dòng)和變形，也因此再次影響了巖體內(nèi)的應(yīng)力分布特征。由于嵌套效應(yīng)產(chǎn)生的影響域變化，導(dǎo)致邊坡體應(yīng)力場(chǎng)演化特點(diǎn)不同于單一露天開挖條件下的應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，形成了一種地下開采轉(zhuǎn)為露天開采的連鎖效應(yīng)。

圖6 為井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采相互作用機(jī)理示意圖，圖7 為老虎臺(tái)礦E5600 剖面的露天開采剖面圖。井工采區(qū)開采完成后進(jìn)行露天采區(qū)的開采，隨著邊坡坡角的增加，邊坡輪廓也從最開始的A 線逐步推進(jìn)到E 線。隨著開采的不斷進(jìn)行，影響域逐步擴(kuò)大，對(duì)于地下采區(qū)整體的平衡體系而言，平衡力的外部條件被打破，力系平衡關(guān)系也被打破，使得平衡體內(nèi)部發(fā)生移動(dòng)并產(chǎn)生活化效應(yīng)從而形成了一種影響域的包含或嵌套關(guān)系。由于露天礦的不斷開采，原有地下采區(qū)上山方向一側(cè)的承載區(qū)的巖柱體積（I1I2I3I4）逐漸變小，露天采區(qū)臨空面的面積上升，導(dǎo)致巖柱自身抵抗負(fù)荷的能力下降，邊坡體就會(huì)受到“兩增一減”的作用，即由于邊坡體內(nèi)部應(yīng)力的變化量增加且原有地下采區(qū)工作面的上覆巖體滑移力增加，而邊坡本身坡腳處的抗載能力下降，因此發(fā)生滑坡的幾率增加。

圖6 井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采相互作用機(jī)理示意圖

圖7 E5600 露天采區(qū)剖面圖

4 結(jié)論

基于Midas 和FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)井工轉(zhuǎn)露天開采誘發(fā)邊坡及地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析得到了井工轉(zhuǎn)露天開采后地表沉降及位移變化曲線圖，隨著露天采區(qū)不斷開采，水平移動(dòng)和沉降范圍逐漸增大；最大沉降值和最大水平移動(dòng)值逐步增大，且最大位移與沉降值的位置也隨開采范圍增大而產(chǎn)生變化。最后總結(jié)了井工轉(zhuǎn)露天復(fù)合開采的相互作用機(jī)理，分析了滑坡幾率增加的原因，提出了井工轉(zhuǎn)露天開采應(yīng)力場(chǎng)的嵌套效應(yīng)及連鎖效應(yīng)。