邊幫煤采動影響下邊坡變形演化特征及失穩(wěn)形態(tài)分析

王文才 ，李俊鵬 ，王創(chuàng)業(yè) ，陳世江 ，王 鵬

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引 言

邊幫壓煤（端幫）是指受露天開采技術(shù)和地質(zhì)條件限制滯留在邊坡平盤下和境界外煤炭資源的總稱[1-2]。隨著露天開采向深部不斷延伸，邊坡臺階下滯留的煤炭資源會成倍增加，為減少資源浪費就需要對邊幫壓煤進(jìn)行回收[3]。對邊幫壓煤進(jìn)行開采會使邊坡平盤和內(nèi)部巖體受到二次擾動，形成一個動態(tài)多元的復(fù)合系統(tǒng)，從而引起因露天開采發(fā)生變形破壞的邊坡進(jìn)一步發(fā)育，最終可能發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象，帶來巨大經(jīng)濟損失并影響礦山的生產(chǎn)安全[4-6]。因此，針對邊幫資源開采過程中邊坡變形破壞及失穩(wěn)現(xiàn)狀眾多學(xué)者從以下2 個方面進(jìn)行研究，且取得了相當(dāng)多的研究成果：①露天轉(zhuǎn)地下開采：孫世國等[7-9]對露天轉(zhuǎn)地下開采誘發(fā)邊坡變形破壞進(jìn)行了研究，得出順坡開采邊坡變形破壞相比逆坡開采優(yōu)勢更大，且提出采用放坡減載、抗滑樁加固、預(yù)應(yīng)力錨索加固3 種方式對邊坡變形破壞進(jìn)行控制；李小雙等[10]以某礦山露天轉(zhuǎn)地下開采為背景，研究了不同邊坡角影響下采場上覆巖體的采動響應(yīng)特征，以揭示覆巖采動響應(yīng)的坡角影響效應(yīng)，得出坡高一定時，坡角過大或過小都不利于邊坡的穩(wěn)定，而是存在一個較為合適的中間值；朱建明等[11-12]采用相似模擬和數(shù)值模擬方法對露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出井工開采開切眼位置對露天邊坡的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，且利用數(shù)值模擬對邊界參數(shù)優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)開切眼與邊坡水平距離在原基礎(chǔ)上增加 20 m 時，邊坡的整體穩(wěn)定性將得到明顯改善，此方案已在現(xiàn)場驗證；藍(lán)航等[13]通過 FLAC3D數(shù)值模擬分析了露天轉(zhuǎn)地下開采露天邊坡的破壞規(guī)律，指出臺階狀邊坡地表的水平變形仍然呈現(xiàn)出采空區(qū)中間受壓，兩端受拉的特點，并得出了臺階狀邊坡在地下開采擾動下的穩(wěn)定性應(yīng)考慮采空區(qū)的時空效應(yīng)的規(guī)律；宋衛(wèi)東等[14]采用物理相似材料模型試驗和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，對露天轉(zhuǎn)地下開采過程中圍巖的破壞機理及移動范圍進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出隨著開采長度的增加，圍巖的破壞程度及范圍遞增、塑性區(qū)范圍不斷擴大，剪切破壞主要集中在兩側(cè)邊坡的邊腳部位；尹光志等[15]利用底摩擦模型試驗儀對露天轉(zhuǎn)地下邊坡變形破壞進(jìn)行了分析，得出邊坡的變形破壞特征可分為邊坡巖體小范圍微破裂和松動、邊坡巖體局部范圍失穩(wěn)破壞、邊坡巖體整體向采空區(qū)滑落失穩(wěn)破壞3 個階段，邊坡巖體變形破壞模式主要是采動邊坡巖體向采空的拉裂、破斷和滑移破壞。②邊幫（端幫）開采：殷志祥等[16-17]為了研究端幫特厚煤層開采引起邊坡變形破壞和應(yīng)力重新分布機理，采用FLAC3D數(shù)值模擬手段，以某露天礦為工程背景，分析了煤柱寬高和間距等重要影響參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，得出采用端幫采煤機對端幫煤進(jìn)行開采后邊坡角越大，穩(wěn)定系數(shù)越小、煤柱高度越高、寬度越小、間距越大，穩(wěn)定系數(shù)越小；尚濤等[18]分析了安家?guī)X露天煤礦端幫采煤與露天采排工程及邊坡變形破壞之間的時空關(guān)系,解釋了露天采、剝、排工程如何在時間和空間上影響端幫采煤的強度及邊坡變形破壞等；李志鵬[19]以黑岱溝露天礦留坑平硐開拓回收邊幫煤資源為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析邊幫煤開采不同井巷保護(hù)煤柱寬度對煤柱內(nèi)開拓巷道的保護(hù)作用，確定合理的井巷保護(hù)煤柱寬度，完善巷道布置圖，總結(jié)了邊幫煤開采留坑邊坡破壞和位移規(guī)律等，且得出邊幫煤開采需對留坑邊坡采取一定的治理措施；韓陽[20]以黑岱溝露天礦邊幫煤開采為研究背景，采用相似和數(shù)值模擬手段對長壁放頂煤采煤法回采邊幫煤引起地表移動規(guī)律、礦山壓力及邊坡變形破壞等問題進(jìn)行了研究，總結(jié)出采用放頂煤開采邊幫煤覆巖破壞及地表沉降變形規(guī)律;丁其樂[21]采用相似和數(shù)值模擬方法就端幫壓煤井工開采覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及力學(xué)行為、覆巖運動誘發(fā)坡體損傷演化機制、采動坡體穩(wěn)定性及其評價方法、覆巖運動及采動坡體變形控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了采動坡體的“橫四區(qū)”破壞模式；南存全等[22]采用相似模擬試驗和頂板壓力計算相結(jié)合的方法，以黑岱溝露天礦邊幫煤開采為研究對象，分析邊幫煤開采中頂板覆巖變形特點及推導(dǎo)建立了邊幫煤井工長壁開采工作面3 種頂板結(jié)構(gòu)條件下的頂板壓力計算解析公式；丁鑫品等[23]以鄂爾多斯地區(qū)端幫采煤為背景，綜合考慮“露采”與“巷采”2 種采動效應(yīng)疊加對邊坡穩(wěn)定的影響，構(gòu)建了近水平條件下端幫采場巖土體變形破壞的 3DEC 數(shù)值分析模型，研究了端幫壓煤開采全過程采場覆巖的變形移動和應(yīng)力分布規(guī)律，將采動邊坡變形破壞過程劃分為表生改造、結(jié)構(gòu)改造、時效變形和最終失穩(wěn)4 個階段。

綜上所述，通過對眾多學(xué)者研究成果分析發(fā)現(xiàn)，邊幫資源回收主要從露天轉(zhuǎn)地下和井工開采2 個方面進(jìn)行研究，研究成果主要以理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬為手段，對邊幫資源回收的巖體破壞、應(yīng)力分布和邊坡角、礦柱寬度、間距等對邊坡變形破壞及穩(wěn)定性的影響，雖然已經(jīng)在邊幫資源開采邊坡變形破壞和失穩(wěn)特性等方向取得了較多成果，但針對近水平厚煤層開采邊坡變形破壞及失穩(wěn)特性分析相對較少，且也缺少實際工程佐證。為此筆者提出：首先，通過采用不同相似配比制作標(biāo)準(zhǔn)試件與原巖相似強度進(jìn)行對比，確定與原巖符合的最終配比；其次，按確定的配比與實際工程成一定比例制作邊幫模型分析邊幫煤開采邊坡變形破壞演化特征及失穩(wěn)特性；最后，通過實際工程佐證上述分析。

1 相似材料選取及試驗分析

1.1 相似模擬試驗及材料選取

相似模擬是研究各類巖土體變形破壞規(guī)律和現(xiàn)象的試驗，相似理論作為相似試驗的理論基礎(chǔ)，是試驗?zāi)Ｐ秃驮椭g的橋梁，是自然界各工程狀況中不同相似現(xiàn)象的學(xué)說，要求試驗?zāi)Ｐ团c工程之間滿足的相似性質(zhì)和規(guī)律，即相似三定律[24]。

幾何相似

時間相似

力相似

式中：Cl、Ct、Cf分別為幾何、時間和力相似常數(shù)；Lp、Tp、Fp為原型物理量；Lm、Tm、Fm為模型物理量。

根據(jù)相似三定律及相關(guān)文獻(xiàn)[25-29]總結(jié)出在相似材料試驗中所使用的材料主要可分為2 大類：①石英砂/骨料，石膏和甘油/膠結(jié)材[30-31]；②河砂/骨料，石膏和大白粉/膠結(jié)材料[32-33]，本著取材經(jīng)濟、環(huán)保等原則，確定試驗材料為河砂、石膏、大白粉。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)試件試驗方案設(shè)計

在礦山巖石力學(xué)指標(biāo)和文獻(xiàn)[31-34]基礎(chǔ)上，按相似試件制取流程制作2 組不同配比的標(biāo)準(zhǔn)試件，共計8 組24 個試件，試件高徑比為100 mm×50 mm（圖1）。配比1∶河沙為定值，大白粉、石膏/膠結(jié)材料為變值（表1）；配比2∶河沙、大白粉、石膏都為變值（表2）。將制作完成后試件進(jìn)行單軸抗壓、抗拉試驗，取抗壓、抗拉強度均值與原巖相似強度進(jìn)行對比，確定一組配比作為下文工程模型的最終配比。

表1 1 號相似材料配比Table 1 No.1 similar material ratio

表2 2 號相似材料配比Table 2 No.2 similar material ratio

圖1 試件模型Fig.1 Specimen model

1.3 試驗結(jié)果分析

按上述方案進(jìn)行試驗得到不同巖樣抗壓、抗拉強度值（表3、表4），根據(jù)文獻(xiàn)[34]研究成果和原巖力學(xué)參數(shù)（表5），確定試件抗拉、抗壓強度與原巖相似比為1∶200，計算得出原巖抗壓、抗拉的相似數(shù)（表6）。

表3 1 號相似材料模型試件強度試驗結(jié)果Table 3 Strength test results of No.1 similar material model specimens

表4 2 號相似材料模型試件強度試驗結(jié)果Table 4 Strength test results of No.2 similar material model specimens

表5 礦山主要巖石力學(xué)指標(biāo)Table 5 Main rock mechanics indexes of mines

表6 礦山主要巖石力學(xué)指標(biāo)相似值Table 6 Similar values of main rock mechanics indexes of mines

通過表3—表6 繪制成強度柱狀對比圖（圖2—圖4）?？芍?，配比1 中各巖樣抗拉、抗壓值及均值強度與原巖強度差值較大，呈負(fù)相關(guān)；配比2 差值較小，呈正相關(guān)，且擬合曲線與原巖趨勢也較為一致，可作為下文工程模型的最終配比。

圖2 原巖相似抗壓強度與不同配比對比Fig.2 Comparison of similar compressive strength and different ratios of original rock

圖3 原巖相似抗拉強度與不同配比對比Fig.3 Comparison of similar tensile strength of original rock and different ratios

圖4 原巖相似均值強度與不同配比對比Fig.4 Comparison of similar average strength of original rock and different ratios

2 工程概況及研究方案制定

2.1 工程概況

某露天礦東西長4.2～6.9 km，南北長2.7～7.1 km，面積38.6 km2，地質(zhì)儲量39.8 億t，礦區(qū)呈北高南低趨勢，海拔標(biāo)高一般為+1 240～ +1 420 m，煤層呈近水平分布，主要可采煤層為4 號煤（上煤層）和9 號煤（下煤層），平均厚度分別為11.6 m 和13.0 m，其中4 號煤賦存深度為124.4 m，9 號煤賦存深度為219 m，露天開采后最終邊坡角35°，邊坡主要巖體為不同粒徑的砂巖，平盤下滯留的煤炭資源總量約為8 700 萬t，煤層和平盤分布如圖5 所示。

圖5 露天礦山地質(zhì)剖面Fig.5 Geological section of open-pit mine

2.2 模型構(gòu)建與研究方案制定

根據(jù)所研究礦山工程地質(zhì)條件，對邊幫煤開采邊坡巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化（表7），結(jié)合相似模擬理論和實驗室條件采用長、寬、高分別為1.80、0.20、2.00 m的二維模擬試驗臺搭建邊幫煤開采邊坡結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)文獻(xiàn)[35]確定模型與實際工程的幾何相似比為1∶200。按上述試驗分析所確定的最終配比（表8）和幾何相似比進(jìn)行模型鋪裝，鋪裝完成后的模型長、寬、高分別為1.8、0.2、1.35 m，煤層由上到下依次為4 號（上煤層）和9 號（下煤層）煤層（圖6），依據(jù)文獻(xiàn)[24]確定位移相似比同樣為1∶200。

表7 巖石力學(xué)參數(shù)Table 7 Rock mechanical parameter

表8 巖石相似材料配比Table 8 Rock similar material ratio

圖6 邊坡結(jié)構(gòu)模型及開采設(shè)計Fig.6 Slope structure model and mining design

試驗過程采用天遠(yuǎn)三維攝影機對邊坡位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中邊坡變形破壞演化特征分析測點共布置11 行、18 列，由上到下分別為11、10, ···,1，由左向右依次為1、2, ···,18；邊坡變形失穩(wěn)形態(tài)分析結(jié)構(gòu)模型共布置6 行測點，每行3 個點，依據(jù)礦山地質(zhì)剖面圖平盤分布，由上到下依次為1 400、1 390、1 380、1 370、1 350、1 340 平盤，其中1 400 平盤位于第11 行測點，1 390 平盤位于第10 行測點，依次向下，各平盤變形值取所屬3 個測點的平均值（圖7）。

圖7 邊坡測點布置Fig.7 Layout of slope measuring points

由文獻(xiàn)[22]可知井工長壁采煤法具有安全、高效、高采出率等優(yōu)勢，特別是長壁綜采放頂煤采煤法對近水平邊幫厚煤層回采效果很好，因此采用長壁綜采放頂煤采煤法對邊幫壓煤進(jìn)行開采，工作面為傾向布置，依據(jù)實際工程情況預(yù)留10 cm（20 m）邊界煤柱，上下煤層均從右向左依次開采，每次開采長度5 cm（10 m）（對應(yīng)實際工程每天開采長度），上煤層設(shè)計開采長度115 cm（230 m）、下煤層設(shè)計開采長度160 cm（320 m），先采上煤層后采下煤層（圖6）。

3 邊幫煤開采邊坡變形演化特征及失穩(wěn)特性分析

3.1 上煤層開采邊坡變形破壞及演化特征分析

上煤層開采邊坡受井采擾動影響變形演化特征可以劃分為開采初期、中期、末期3 個階段（圖8），特征如下:

圖8 上煤層開采邊坡變形演化位移Fig.8 Deformation evolution displacement of slope in upper coal seam mining

1）開采初期0～45 cm（0～90 m）：因留設(shè)保護(hù)煤柱和邊坡內(nèi)部巖體承載結(jié)構(gòu)性關(guān)系，工作面開采至35 cm（70 m）前，采空區(qū)上部巖體穩(wěn)定性較好（圖8a、圖8b）；隨開采長度增加，在張拉力和巖體自重作用下基本頂最先發(fā)生垮落，從而誘發(fā)上部巖體變形破壞向上擴展，靠近采空區(qū)中心的巖體變形破壞特征越充分，兩幫巖體受端頭和留設(shè)煤柱支撐變形破壞高度較?。▓D8c、圖9）；開采至45 cm，邊坡內(nèi)部逐步形成懸臂梁、砌體梁、固支梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)位于端頭工作面后方，砌體梁結(jié)構(gòu)位于懸臂梁后方，固支梁位于垮落巖層上方（圖10）；此過程可稱為邊幫煤開采邊坡巖體變形破壞的表生改造階段，根據(jù)采動覆巖“豎三帶”理論判別方法[36-38]也可以將變形垮落的巖層稱為“豎三帶”中的垮落帶。

圖9 上煤層開采巖體垮落結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Caving structure model of upper coal seam mining rock mass

圖10 “懸臂梁?砌體梁?固支梁”結(jié)構(gòu)模型Fig.10 “Cantilever beam-masonry beam-fixed beam”structure model

2）開采中期45～100 cm（90～200 m）：工作面持續(xù)開采，上覆巖層變形破壞遵循漸進(jìn)發(fā)展和循環(huán)往復(fù)演化特征，懸臂梁周期性斷裂誘發(fā)固支梁周期性垮落，周期性破壞的巖體形成支撐使工作面端頭形成新的懸臂梁結(jié)構(gòu)，垮落巖體上方形成新的固支梁結(jié)構(gòu)；開采至60 cm（120 m）時，因懸臂梁斷裂誘發(fā)上方固支梁發(fā)生破壞使得上方關(guān)鍵層斷裂，邊坡巖體變形破壞發(fā)展至邊坡上部平盤處，破壞巖層呈“金字塔”狀（圖11），使得邊坡最上部測點發(fā)生移動變化

圖11 邊坡平盤沉陷結(jié)構(gòu)模型Fig.11 Structural model of the flat plate subsidence on the upper part of the slope

（圖8d），開采至65 cm（130 m）時，變形下沉的巖體使邊坡上部測點11-1、11-2 發(fā)生下沉且存在向露天礦坑的橫向移動趨勢；開采至100 cm（200 m）時，邊坡上部平盤巖體變形破壞遵循漸近發(fā)展趨勢，隨開采長度增加變形破壞加大，此過程中邊坡中部第9 行測點受擾動也逐步發(fā)生沉降和水平移動現(xiàn)象，變形值較第11 行測點舒緩（圖8e），且此過程中變形破壞的巖體由向露天礦坑移動（注：露天礦坑移動是受露天開采影響）翻轉(zhuǎn)為向采空區(qū)移動，且使邊坡發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，強度降低；此過程為邊幫煤開采邊坡巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)改造階段，也可以將變形垮落的巖層稱為“豎三帶”中的裂隙帶。

3）開采末期100～115 cm（200～230 m）：邊坡上部巖體隨開采長度增加變形破壞進(jìn)一步擴展，開采至115 cm（230 m）時，邊坡第7、5 行測點均發(fā)生變形移動現(xiàn)象，沉降變形較水平變形更為劇烈，第7 行測點變形趨勢指向采空區(qū)，第5 行測點因邊坡上部巖體向下沉降擠壓影響變形趨勢指向露天礦坑，最大沉降變形為第9 行測點，變形值為?41.784 mm（?8.356 8 m），最大水平變形為第7 測點，變形值為?2.69 mm（?0.538 m）（圖8f），且此過程變形沉降的巖體近似沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，未采動區(qū)域巖體形成“未影響區(qū)”（圖12），采動區(qū)域形成近似的半“金字塔”狀的下沉盆地（圖12、圖13）；過程為邊幫煤開采邊坡巖體變形破壞的時效變形階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

圖12 邊幫煤開采巖層變形移動模型Fig.12 Deformation and movement model of rock strata in side coal mining

圖13 上煤層開采后邊坡破壞半“金字塔”結(jié)構(gòu)模型Fig.13 The semi-“pyramid”structure model of slope failure after mining of the upper coal seam

3.2 下煤層開采邊坡變形破壞及演化特征分析

下煤層開采邊坡受井采擾動影響變形演化特征可以劃分為開采初期、開采末期2 個階段（圖14、圖15），特征如下：

圖14 邊幫煤開采上煤層局部測點位移變化Fig.14 Displacement of local measured points in edge coal mining

圖15 下煤層開采邊坡變形演化位移Fig.15 Evolution displacement of slope deformation in lower coal seam mining

1）開采初期0～50 cm（0～100 m）：同上煤層開采邊坡內(nèi)部巖體變形破壞相同，工作面開采至50 cm（100 m）前，采空區(qū)上部頂板巖體穩(wěn)定性較好（圖16），只有部分泥巖發(fā)生沉降破壞（圖15a、圖15b），邊坡上部位移測點維持上煤層開采后狀況（圖14）；開采至50 cm（100 m）時，采空區(qū)上方頂板巖層達(dá)到極限跨距向采空區(qū)方向發(fā)生沉降變形，變形沉降的巖體以采空區(qū)為中心向兩幫減弱（圖15c、圖17）；此過程為邊幫煤開采邊坡巖體變形破壞的表生改造階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的垮落帶和裂隙帶。

圖16 下煤層開采頂板巖體結(jié)構(gòu)模型Fig.16 Structural model of roof rock mass in mining of lower coal seam

圖17 下煤層開采垮落巖體結(jié)構(gòu)模型Fig.17 Caving rock structure model of lower coal seam mining

2）開采末期50～160 cm（100～320 m）：工作面持續(xù)開采工作面端頭形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，垮落巖體上方形成固支梁結(jié)構(gòu)；開采至60 cm（120 m）時，上下煤層之間的結(jié)構(gòu)性巖層受下煤層開采影響發(fā)生貫通式破壞，使得因上煤層開采破壞后的巖層重新發(fā)生變形（圖15d、圖18）；開采至160 cm（320 m），此過程貫通破壞區(qū)持續(xù)擴展，誘發(fā)邊坡上部第11 行測點所在巖體重新發(fā)生變形現(xiàn)象，垂直方向保持向采空區(qū)的緩慢下沉，水平方向維持向露天礦坑的緩慢移動，且使得第5 行測點所在巖體由指向露天礦坑移動翻轉(zhuǎn)為指向采空區(qū)方向的移動，待開采終止，最大沉降區(qū)和水平移動區(qū)均為第7 行測點所在巖體，分別為?58.94 mm（?11.788 m）、?5.27 mm（?1.054 m）（圖14a、c、d），此時下煤層上方變形破壞的巖體呈半“金字塔”狀（圖19），根據(jù)文獻(xiàn)[39]巖層移動判別理論也可稱為半“類曲線”狀（圖20）；此過程為邊幫煤開采邊坡巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)改造階段，變形垮落的巖層為“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

圖18 上下煤層覆巖貫通區(qū)結(jié)構(gòu)模型Fig.18 Structural model of the upper and lower coal seam overlying strata penetration zone

圖19 邊坡變形破壞結(jié)構(gòu)模型Fig.19 Slope deformation failure structure model

圖20 下煤層開采巖體變形破壞的“類曲線”模型Fig.20 “Curve like”model of rock mass deformation and failure in mining of lower coal seam

綜上所述，邊幫煤開采，邊坡巖體變形破壞主要是沿縱向變化，呈破壞下沉，局部呈橫向移動，整個開采過程變形破壞可以劃分為3 個階段，即表生改造階段、結(jié)構(gòu)改造階段、時效變形階段，上煤層開采結(jié)束后邊坡巖體變形破壞沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，形成“未影響區(qū)”的小型半“金字塔”狀的下沉盆地，下煤層開采結(jié)束后邊坡巖體呈半“類曲線”的“金字塔”狀。

3.3 邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)分析

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度，是確保露天礦持續(xù)、正常生產(chǎn)和周邊作業(yè)人員及設(shè)備安全的前提和基礎(chǔ)[40]。邊坡失穩(wěn)實質(zhì)上是工作面頂板巖層在受力作用下發(fā)生變形擴展造成邊坡平盤發(fā)生破壞，誘發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)可以劃分為2 種情況：①邊坡平盤指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)；②邊坡平盤指向露天礦坑的崩塌失穩(wěn)，指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)不會對礦山生產(chǎn)造成影響，指向露天礦坑的崩塌失穩(wěn)對礦山生產(chǎn)存在影響，由此，在邊坡變形破壞演化特征分析基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測手段展開對邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的分析，邊坡平盤如圖21 所示。

圖21 邊坡各平盤物理結(jié)構(gòu)模型Fig.21 Physical structure model of each flat plate of slope

3.3.1 邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的物理試驗分析

通過邊坡變形演化特征分析可知，上煤層開采，邊坡巖體變形破壞由基本頂開始逐次向上發(fā)育，直到工作面開采至60 cm（120 m）時，邊坡巖體變形破壞發(fā)育至邊坡上部1400 和1390 平盤，邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變，處于失穩(wěn)狀況（圖13）；工作面持續(xù)開采下邊坡失穩(wěn)狀況也在持續(xù)擴展，直至開采至115 cm（230 m）終采線，邊坡1400、1350、1340 平盤存在向露天礦坑局部崩塌失穩(wěn)可能，最大變形移動平盤為1400 平盤，變形值為0.92 mm（0.184 m），雖變形移動趨勢指向露天礦坑，但因變形值較小，故不影響礦山正常生產(chǎn)，1390、1380、1370 平盤發(fā)生指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)現(xiàn)象，變形移動最大的平盤為1390 平盤，變形值為?1.67 mm（?0.334 m）（圖22a），此過程中邊坡其余平盤均存在裂隙發(fā)育現(xiàn)象，裂隙平均寬度1.2 mm（0.24 m）左右（圖23a）。

圖22 上下煤開采各平盤位移變化Fig.22 Curves of displacement changes of flatplates in upper and lower coal mining

圖23 煤層開采平盤裂隙發(fā)育結(jié)構(gòu)模型Fig.23 Development structure model of flat disc fissures in coal seam mining

下煤層開采初期邊坡維持上煤層開采狀況，開采至60 m（120 m）時，上下煤層采空區(qū)發(fā)生貫通，邊坡失穩(wěn)狀況發(fā)生改變；開采至終采線160 cm（320 m）后，邊坡上部1400 平盤指向露天礦礦坑變形趨勢加大，變形值增大為1.72 mm（0.344 m）（圖22b），局部崩塌失穩(wěn)征兆加??；中部1390、1380、1370 平盤為指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)，最大變形平盤為1380，變形值為?3.41 mm（?0.682 m）（圖22b）；下部1350、1340 平盤由最初指向露天礦坑趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橹赶虿煽諈^(qū)方向的反傾向失穩(wěn)，指向采空區(qū)的平盤為1380，此過程中邊坡平盤裂隙不斷擴大，平均裂隙寬度5.8 mm（1.16 m）（圖22、圖23b）。

3.3.2 邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的現(xiàn)場監(jiān)測分析

邊幫煤開采邊坡變形失穩(wěn)的現(xiàn)場監(jiān)測手段采用SSR-X 雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)（圖24），所監(jiān)測各平盤變形數(shù)據(jù)整理后繪制成（圖25、圖26）數(shù)據(jù)曲線，此過程可采的上下煤層長度分別為232 m 和320 m，其余可采煤層均位于邊坡后方，開采時對邊坡穩(wěn)定性影響較小，故不做分析。

圖24 SSR-X 雷達(dá)監(jiān)測儀及成像模型Fig.24 SSR-X radar monitor and imaging model

圖25 上煤層開采邊坡平盤變形Fig.25 Deformation curve of upper coal seam mining slope

圖26 下煤層開采邊坡平盤變形Fig.26 Deformation curve of slope in mining of lower coal seam

通過現(xiàn)場觀測和數(shù)據(jù)監(jiān)測可知，上煤層開采初期邊坡各平盤不發(fā)生變形移動現(xiàn)象，直到開采至115 m時，邊坡內(nèi)部巖體變形破壞發(fā)育至邊坡平盤處，致使邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象，上部1400 和下部1350、1340 平盤發(fā)生向露天礦坑的水平拉伸變形，下部1390、1380、1370 平盤發(fā)生向采空區(qū)的反傾向拉伸移動變形，此過程中邊坡平盤存在局部破壞，烈度較低；開采至232 m 終采線，此過程邊坡各平盤變形移動趨勢維持失穩(wěn)后狀況，指向露天礦坑的最大變形平盤為1400，變形值為227.5 mm（0.227 5 m），且平盤局部有裂隙衍生，最大裂隙寬度250 mm（0.25 m）（圖25、圖26），因變形值和裂隙寬度均較小，所以不存在崩塌現(xiàn)象。

同物理試驗相同，上煤層開采結(jié)束后對下煤層進(jìn)行開采，開采至125 m 時，上下煤層發(fā)生貫通，使邊坡上部1400 平盤向露天礦坑的鄰空移動值不斷增長，下部平盤向采空區(qū)移動值也在不斷增大；繼續(xù)開采至285 m 時，下部1350、1340 平盤發(fā)生向采空區(qū)方向的翻轉(zhuǎn)變形；直至開采至320 m 終采線，邊坡上部1400 平盤向露天礦坑的變形值增大到376 mm（0.376 m）（圖26），且平盤局部區(qū)域發(fā)生崩塌現(xiàn)象（圖27a）和寬度不等裂隙，最大裂隙寬度接近900 mm（0.9 m）左右，最小寬度200 mm（0.2 m）左右（圖27b）。

圖27 邊坡平盤局部滑移及移動Fig.27 Local slip and movement of slope flat plate

3.3.3 邊坡失穩(wěn)形態(tài)對比

通過上述邊幫煤開采邊坡失穩(wěn)形態(tài)的物理試驗和現(xiàn)場監(jiān)測分析可知：

上煤層開采至120 m 左右時，物理試驗和現(xiàn)場監(jiān)測顯示邊坡上部平盤巖體發(fā)生變形移動，由此判定此時邊坡發(fā)生失穩(wěn)；上煤層開采至終采線，物理試驗和現(xiàn)場監(jiān)測邊坡平盤變形移動趨勢均一致。

下煤層開采至120 m 左右時，上下煤層采空區(qū)發(fā)生貫通，邊坡平盤變形移動重新發(fā)生改變；直至開采至終采線，物理試驗和現(xiàn)場監(jiān)測邊坡平盤變形移動趨勢均一致，但1400 平盤的變形值存在差異，現(xiàn)場監(jiān)測變形值為376 mm（0.376 m），物理模型變形值為1.72 mm（0.344 m），且均存在局部失穩(wěn)崩塌現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1）通過相似定律引出2 種相似材料配比方案，針對2 種方案制作標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸抗拉、抗壓試驗，得出2 種配比試件的抗拉、抗壓強度，在通過相似原理對原巖抗壓、抗拉強度進(jìn)行縮放后與兩組方案所得強度值進(jìn)行對比，確定方案2 的強度值與原巖更為相符，由此將方案2 的配比作為物理結(jié)構(gòu)模型的最終配比。

2）根據(jù)邊幫煤開采邊坡變形演化特征可以將邊坡變形破壞劃分為3 個階段，分別為表生改造階段、結(jié)構(gòu)改造階段、時效變形階段；變形破壞后的巖體可以劃分為“豎三帶”，分別為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，表生改造階段隨工作面開采長度增加邊坡內(nèi)部巖體向采空區(qū)方向發(fā)生垮落，形成“豎三帶”中的垮落帶，此時邊坡穩(wěn)定性較好；結(jié)構(gòu)改造階段邊坡發(fā)生失穩(wěn)，垮落的巖體形成“三帶”中的裂隙帶；時效變形階段邊坡延續(xù)上一階段變形特征，最終形成“豎三帶”中的彎曲下沉帶。

3）按工作面開采長度可以將上煤層開采邊坡變形演化特征劃分為初期、中期、末期3 個階段，下煤層劃分為初期和末期2 個階段；上煤層開采初期：靠近采空區(qū)中心的巖體變形破壞高度較大，兩幫巖體受支撐變形破壞高度較小，且會形成懸臂梁、砌體梁、固支梁結(jié)構(gòu)；中期：上覆巖體遵循漸進(jìn)發(fā)展和循環(huán)往復(fù)的破壞規(guī)律，懸臂梁周期性斷裂誘發(fā)固支梁周期性垮落，直至固支梁上方的關(guān)鍵層斷裂，邊坡巖體變形破壞會發(fā)展至邊坡上部平盤處，循環(huán)往復(fù)規(guī)律終止；末期：邊坡巖體沿采空區(qū)中心向兩邊形成沉降減弱區(qū)，未采動區(qū)域巖體形成“未影響區(qū)”，采動區(qū)域形成對稱分布半“金字塔”狀的下沉盆地；下層煤開采初期: 邊坡內(nèi)部巖體變形破壞以采空區(qū)為中心向兩幫減弱，變形破壞程度和范圍均較?。幌聦用洪_采末期:上下煤層之間的結(jié)構(gòu)性巖層發(fā)生貫通式破壞，引發(fā)邊坡巖體沿垂直方向向采空區(qū)下沉，水平方向向露天礦坑的緩慢移動，直至開采終止變形破壞的巖體呈半“類曲線”狀。

4）通過物理試驗和現(xiàn)場監(jiān)測手段共同得出上煤層開采至120 m 左右時，因變形垮落巖體發(fā)育至邊坡平盤處使邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；下煤層開采至120 m左右時，上下煤層之間的采空區(qū)發(fā)生貫通，誘發(fā)因上煤層開采變形失穩(wěn)的邊坡重新發(fā)生移動，直至開采至320 m 終采線，邊坡上部1400 平盤存在局部崩塌失穩(wěn)區(qū)，失穩(wěn)區(qū)域較小，其余平盤均表現(xiàn)為指向采空區(qū)的反傾向失穩(wěn)。