采動(dòng)影響下露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析

張 巖，陳彥龍，樊進(jìn)城，任 鵬

(1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100120；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；5.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前內(nèi)蒙古煤礦形成了井工煤礦和露天煤礦交錯(cuò)分布的局面，多地采用露井聯(lián)采的方式，解決了端幫壓煤和排土場壓煤問題，一方面創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，另一方面也帶來了井工開采和露天開采相互影響的新問題[1-3]。井工開采對于露天開采的影響較大，采動(dòng)導(dǎo)致露天端幫或排土場產(chǎn)生沉降、塌陷和邊坡的滑移變形，進(jìn)而影響露天礦的安全生產(chǎn)[4]。

近年來，學(xué)者針對采動(dòng)影響下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究，張忠超等[5]通過對邊坡地表位移進(jìn)行長期監(jiān)測，獲得了井工開采擾動(dòng)下邊坡的變形破壞特征，通過建立統(tǒng)計(jì)模型，量化了井工開采擾動(dòng)和降雨等對邊坡位移的影響；孫世國等[6]分析了地下與露天復(fù)合開采下的邊坡失穩(wěn)機(jī)制，認(rèn)為地下采動(dòng)是影響邊坡穩(wěn)定性的主要原因；丁鑫品等[7]以平朔礦區(qū)露井協(xié)同開采為工程背景，分析了井工開采回收端幫滯留煤時(shí)順坡開采與逆坡開采下的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明順坡開采更安全且效率更高；龔聲武等[8]、柴紅保等[9]和賴秀英等[10]研究了采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)主要由采動(dòng)應(yīng)力集中引起，當(dāng)采空區(qū)在邊坡底部時(shí)對邊坡穩(wěn)定性影響最大，而采空區(qū)與邊坡面平行或垂直時(shí)對邊坡穩(wěn)定性影響較??；馮少杰等[11]通過數(shù)值計(jì)算也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，認(rèn)為采空區(qū)處于露天邊坡外部時(shí)反而有利于邊坡的穩(wěn)定。

學(xué)者對井工開采影響下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的研究，但由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以往的研究成果并不具有普適性。因此，筆者以哈烏素露天煤礦典型的黃土基底排土場為工程背景，分析了井工開采下黃土基底排土場邊坡失穩(wěn)機(jī)理，確定了井工開采下工作面的終采線位置，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

研究區(qū)域排土場排土標(biāo)高1 260 m，排土高度120 m，平盤寬度35 m，臺階高30 m，最終幫坡角23°。研究區(qū)主要開采4號和6號煤層。4號煤層平均煤厚5 m，平均傾角2°，平均埋深174 m；6號煤層平均煤厚25 m，平均傾角2°，平均埋深198 m。根據(jù)礦井的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，數(shù)值計(jì)算剖面選取4號和6號煤層工作面的中部(P1)，剖面線垂直于工作面和邊坡等高線。

2 數(shù)值計(jì)算模型及方案

根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)條件，利用PHASE2數(shù)值計(jì)算軟件建立的模型如圖2所示。模型規(guī)格為460 m×337 m(長×高)，模型的左右兩邊和底部均采用位移約束，采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 井工開采工作面布置示意

圖2 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件示意

由于礦區(qū)排土場下需要開采4號和6號煤層，煤層開采選擇下行開采順序，因此，數(shù)值計(jì)算時(shí)，首先回采4號煤層，確定4號煤層終采線位置后，再回采6號煤層并確定其終采線位置。工作面每次回采30 m，分析采動(dòng)對邊坡位移場、最大剪應(yīng)力和安全系數(shù)等的影響。此外，為了直觀反映邊坡的移動(dòng)變形特征，定量描述邊坡的位移變形量，在邊坡的各臺階和各個(gè)坡面上共設(shè)置30個(gè)測點(diǎn)。

3 4號煤層開采對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 邊坡位移變化特征

由圖3～圖5可以得出以下結(jié)論。

圖3 4號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移云圖

圖4 4號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡垂直位移云圖

圖5 4號煤層工作面不同推進(jìn)距離下各監(jiān)測點(diǎn)水平位移和垂直位移變化曲線

(1)當(dāng)推進(jìn)距離小于90 m時(shí)，邊坡表面水平位移和垂直位移主要受坡體變形的影響，受采動(dòng)影響較小，邊坡水平位移等值線呈“圓弧形”，邊坡垂直位移主要集中在邊坡坡頂；當(dāng)推進(jìn)距離超過90 m時(shí)，采動(dòng)對邊坡位移的影響逐漸趨于明顯。工作面頂板上方出現(xiàn)向左移動(dòng)的水平位移，垂直位移主要集中在工作面頂板上方覆巖內(nèi)；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到150 m后，邊坡最大水平位移和垂直位移趨于穩(wěn)定。隨著4號煤層工作面的繼續(xù)推進(jìn)，邊坡最大水平位移的位置從剖面內(nèi)部不斷向坡頂位置轉(zhuǎn)移，井工開采沉陷產(chǎn)生的下沉值貫穿到地表，工作面中部沉陷值最大，自工作面中部向兩側(cè)垂直位移值逐漸減小。

(2)當(dāng)工作面由30 m推進(jìn)至120 m，3坡面以上各監(jiān)測點(diǎn)水平位移呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，1 200平盤、2坡面和3坡面最大水平位移值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，前期由于坡體變形使得水平位移值不斷增大，當(dāng)推進(jìn)到120 m時(shí)，受到井工開采沉陷的影響，坡體開始向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)，使得水平位移開始減??；整體來看，隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面的最大水平位移呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，當(dāng)推進(jìn)距離從30 m增加到180 m時(shí)，邊坡的最大水平位移由0.04 m增加到1.04 m。

(3)隨著推進(jìn)距離不斷增大，3坡面以上各測點(diǎn)垂直位移不斷增大，3坡面以下各臺階邊坡位移近似為零；邊坡最大垂直位移隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，待采動(dòng)影響貫通地表后，最大垂直位移值趨于穩(wěn)定。4號煤層工作面推進(jìn)距離由30 m增至180 m，工作面最大垂直位移由0.18 m增加到4.65 m。

3.2 最大剪應(yīng)變變化特征

4號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖6 4號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖

由圖6可知，當(dāng)推進(jìn)距離由0增至90 m時(shí)，邊坡主要受坡體自身變形影響，形成圓弧形滑移面，該滑移面從排棄物料延伸至坡底的黃土層。當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于120 m時(shí)，井工開采影響導(dǎo)致潛在滑面轉(zhuǎn)移，井工開采工作面覆巖上方剪應(yīng)變開始逐步發(fā)育，并逐步貫通至坡體表面，工作面兩端各形成一個(gè)潛在滑移面，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

3.3 安全系數(shù)及終采線位置

4號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置如圖7所示。

首先，“深港通”開通之后，從深市向港市的單向格蘭杰因果以及深市對港市沖擊具有較強(qiáng)持久度，看出深市處于兩地市場的引導(dǎo)地位，傳導(dǎo)過程中波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)會被放大。因此我們需要加強(qiáng)內(nèi)地股市制度的建設(shè)，預(yù)防股市風(fēng)險(xiǎn)的傳染輸出和國際炒家的風(fēng)險(xiǎn)輸入，重點(diǎn)完善公司退市、信息披露等股票市場機(jī)制，從而降低深圳股市波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)外溢。

由圖7可知，邊坡安全系數(shù)隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的變化規(guī)律，推進(jìn)距離由30 m增至90 m，該階段邊坡安全系數(shù)受采動(dòng)影響較小，安全系數(shù)由1.63降至1.61，降幅僅為1.23%；推進(jìn)距離由90 m增至180 m，安全系數(shù)由1.61降至1.13，降幅為29.81%，這表明采動(dòng)對邊坡安全具有顯著影響。為滿足邊坡安全系數(shù)大于1.2的要求，4號煤層工作面推進(jìn)距離最大為168 m，即距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為98 m。

圖7 4號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置

4 6號煤層開采對邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 邊坡位移變化特征

6號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移和垂直位移云圖如圖8和圖9所示；6號煤層工作面在不同推進(jìn)距離下邊坡監(jiān)測點(diǎn)水平位移和垂直位的變化曲線如圖10所示。

圖8 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡水平位移云圖

圖9 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下邊坡垂直位移云圖

圖10 6號煤層工作面不同推進(jìn)距離下各監(jiān)測點(diǎn)水平位移和垂直位移變化曲線

從圖8～圖10可以得出以下結(jié)論。

(1)隨著6號煤層工作面向前推進(jìn)，邊坡最大水平位移一直集中在坡頂。推進(jìn)距離大于90 m時(shí)，坡頂最大水平位移值范圍不斷增大，并不斷向1 230平盤方向發(fā)展；當(dāng)工作面推進(jìn)距離從30 m增至120 m時(shí)，4號煤層和6號煤層帶來的井工開采沉陷產(chǎn)生的下沉值逐步貫穿到地表。當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)小于90 m時(shí)，邊坡變形主要受4號煤層開采所形成的采空區(qū)的影響，4號煤層工作面中部的上覆巖層沉陷值最大，距離4號煤層工作面中心越遠(yuǎn)，垂直位移值越??；當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)到120 m時(shí)，6號煤層工作面中部的上覆巖層沉陷值最大。

(2)各臺階及坡面隨著6號煤層工作面的推進(jìn)，水平位移值逐漸增大，因4坡面位于4號煤層和6號煤層工作面的上方，受井工開采影響最為嚴(yán)重，其水平位移值最大。當(dāng)6號煤層工作面推進(jìn)距離從30 m增加到120 m時(shí)，邊坡的最大水平位移由1.08 m增加到5.50 m。

(3)隨著6號煤層工作面推進(jìn)距離的增加，3坡面以上各測點(diǎn)的垂直位移值不斷增大，其下各臺階邊坡垂直位移值近似為零。在同一推進(jìn)距離下，井工開采對坡頂(1 260平盤)和4坡面影響最大，地表沉陷最為嚴(yán)重。推進(jìn)距離從30 m增至120 m時(shí)，邊坡最大垂直位移從6.60 m增加到21.60 m。

4.2 最大剪應(yīng)變變化特征

6號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)推進(jìn)距離由30 m增至90 m時(shí)，邊坡主要受4號煤層工作面采動(dòng)的影響，4號煤層工作面終采線上方受剪切影響嚴(yán)重，且剪切面不斷向上發(fā)育，逐步形成一個(gè)潛在的滑移面。當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，6號煤層井工開采工作面頂板的沉陷使得工作面兩端受剪切影響嚴(yán)重，形成2個(gè)潛在滑移面，工作面兩端的上覆巖層均朝采空區(qū)方向滑動(dòng)。

圖11 6號煤層工作面推進(jìn)過程中最大剪應(yīng)變云圖

4.3 安全系數(shù)及終采線位置

6號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置如圖12所示。

由圖12可知，邊坡安全系數(shù)隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的變化規(guī)律，當(dāng)推進(jìn)距離由30 m增至90 m時(shí)，該階段邊坡安全系數(shù)受采動(dòng)影響較小，安全系數(shù)由1.24降至1.22，降幅僅為1.61%；當(dāng)推進(jìn)距離由90 m增至120 m時(shí)，安全系數(shù)由1.22降至0.97，降幅為20.49%，這表明采動(dòng)對邊坡安全具有顯著影響。為滿足邊坡安全系數(shù)大于1.2的要求，6號煤層工作面推進(jìn)距離最大為105 m，即距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為35 m。

圖12 6號煤層推進(jìn)過程中安全系數(shù)及終采線位置

5 現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證

在進(jìn)行井工開采之前，實(shí)測排土場黃土基底含水率約為10%，演化弱層厚度為0。本次布置了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(G9～G11)，G9監(jiān)測點(diǎn)位于4號煤層和6號煤層工作面上方，G10監(jiān)測點(diǎn)位于4號煤層終采線附近，G11監(jiān)測點(diǎn)位于邊坡坡底。各監(jiān)測點(diǎn)垂直位移和水平位移隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。由圖13可知，各監(jiān)測點(diǎn)垂直位移和水平位移在開采前期增幅較小，中期由于上覆巖層垮落導(dǎo)致測點(diǎn)位移值迅速增大，后期充分采動(dòng)下各測點(diǎn)位移值趨于穩(wěn)定；G9監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定的位移值最大，G10監(jiān)測點(diǎn)受井工開采影響相對較小，G11監(jiān)測點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn)，其垂直位移近似為0，但由于受自身坡體變形的影響，坡底存在一定的水平位移。

圖13 各測點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線

提取數(shù)值計(jì)算模型中對應(yīng)G9、G10和G11監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移和水平位移，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖14所示。

圖14 各測點(diǎn)位移對比

由圖14可知，數(shù)值模擬獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移分別為18 375.0、2 863.0、3.5 mm，水平位移分別為4 516、2 550、15 mm；現(xiàn)場實(shí)測獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移分別為20 265、3 661、21 mm，水平位移分別為5 399、3 422、534 mm。數(shù)值計(jì)算結(jié)果略小于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，但貼近于現(xiàn)場觀測值，數(shù)值計(jì)算所采用的參數(shù)充分考慮水浸和井工開采的綜合影響，但無法考慮采動(dòng)過程中外在條件的變化，比如，強(qiáng)降雨等外在因素的干擾。整體而言，數(shù)值計(jì)算誤差相對較小，計(jì)算結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)隨著4號煤層工作面的推進(jìn)，邊坡最大水平位移和垂直位移呈現(xiàn)先增大而后趨于穩(wěn)定的特征，最大水平位移由0.04 m增加到1.04 m，最大垂直位移由0.18 m增加到4.65 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于90 m時(shí)，邊坡主要呈圓弧形破壞模式，當(dāng)推進(jìn)距離大于90 m時(shí)，在4號煤層工作面兩端各形成一個(gè)潛在滑移面，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

(2)隨著6號煤層工作面的推進(jìn)，邊坡最大水平位移和垂直位移呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，最大水平位移由1.08 m增加到5.50 m，最大垂直位移由6.60 m增加到21.60 m；6號煤層回采至90 m時(shí)，工作面頂板方向形成一個(gè)潛在滑移面，回采至120 m時(shí)，工作面兩端各有一個(gè)潛在滑移面，且覆巖均朝采空區(qū)方向滑動(dòng)。

(3)4號煤層回采時(shí)，工作面終采線距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為98 m；6號煤層回采時(shí)，工作面終采線距離1 260平盤坡頂線右側(cè)的水平距離為35 m。

(4)現(xiàn)場監(jiān)測獲得的G9、G10和G11監(jiān)測點(diǎn)垂直位移和水平位移隨時(shí)間的增加整體呈現(xiàn)先緩慢增大后快速增大最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，其穩(wěn)定后的邊坡變形值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近。