井工开采对露天矿边帮稳定性影响研究*

葛勇勇 张红兵 赵洪宝 左建平 邢俊泷

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院;2.河南工程技术学校采矿系)

随着我国各露天煤矿开采历史的延长和国家土地保护意识的增强，露天矿开采深度和工作帮边坡角均呈明显被迫增大趋势。虽然增加边坡角的大小可以在一定程度上缓解对土地的破坏，但带来的安全隐患也随之增加，如露天矿边帮岩体结构劣化、滑坡危险增加等。因此，要解决在节约土地资源和解除安全隐患双重压力下尽可能多地回收煤炭资源问题，就必须解决开采工艺和技术上的瓶颈，这也使得露天与地下联合开采，或露天转地下开采工艺及所带来的科学问题成为研究领域的热点与难点。

如果在露天矿开采末期转入地下开采，将可以在较大程度上回收因露天开采工艺缺陷而导致的剩余煤炭资源，但是回收露天边帮下的煤炭资源时，可能带来露天矿高陡边帮的失稳问题，同时诱发井工开采部分的顶板事故，这极可能造成严重人员伤亡、财产损失，也会导致露天与地下联合开采、露天转地下开采工艺的彻底失败。因此，研究露天边帮下井工开采回收煤炭资源时，井工开采部分顶板岩层运动特点及对露天矿边帮稳定性的影响将十分关键。本研究以安太堡露天矿为工程背景，对井工开采露天边帮下剩余煤炭资源时的井工开采部分顶板岩层运动特点及对露天矿边帮稳定性进行了数值模拟。

1 工程背景与数值模型

1.1 工程背景

安太堡露天煤矿开采历史已近30 a，该矿的设计生产能力1 533万t/a，实际生产能力约为2 500万t/a，2012年1—9月已生产原煤约2 000万t。该矿主采煤层为4#、9#、11#3个煤层，其中4#煤层厚约10 m，9#煤层厚约14 m，9#煤层埋藏深度约为220 m。该矿设计工作帮边帮角35°，全矿分4个采区，即一、二、三及后备区，现已经基本完成了二、三采区的转向工作，而9#煤和4#煤以上平盘已经全部完成转向，如图1所示。因此，4#和9#煤层开采完毕后，将可能在边帮角范围内剩余大量的煤炭资源，本研究即以井工开采露天边帮内剩余的9#煤时的工作帮为研究对象，系统地研究井工开采露天边帮下剩余煤炭资源时的井工开采部分顶板岩层运动特点及对露天矿边帮稳定性的影响。

图1 安太堡露天矿实景

图2 三维数值模型

1.2 数值模型的建立

根据安太堡露天煤矿实际情况(图1)并做适当简化，采用数值模拟软件FLAC3D建立了该矿简易的三维数值模型，其尺寸为600 m×300 m×232 m，如图2所示。

经过合理简化和必要合并后，研究的地层主要涉及有4#煤层、9#煤层及其间的主要土层、岩层共12层，见表1。

按照实际的边帮角和开挖进度规划，逐层开挖形成最终的露天矿边帮条件，如图3所示。

表1 涉及地层及主要参数

图3 露天开采末期形成的露天边帮

形成露天边帮后，模拟井工开采9#煤层，自距模型左边界100 m处开始向露天边帮方向推进，推进速度为10 m/d，如图4所示。分别研究并分析推进过程中井工开采部分顶板运动特征及对露天边帮稳定性造成的影响。

图4 井工开采位置及推进方向

2 数值模拟结果及分析

根据建立的数值模型及设计的开采计划，得到了不同推进时井工开采部分顶板岩层运动特点及对露天矿边帮稳定性造成的影响。

2.1 井工开采顶板岩层运动特点

为了清楚准确地研究露天边帮下采煤煤层顶板运动特点，并消除数值模型因边界效应产生的影响，取模型Y=150 m(即模型中部)处平面为研究对象，对其在不同开挖距离下的Z方向应力、变形进行观察分析。数值模拟计算结果如图5、图6所示。

图5 顶板内Z方向的应力演化特点

分析图5、图6可知:

(1)井工开采前的露天边帮体内，Z方向的压应力、变形均自左至右呈非线性降低。这是因为形成露天边帮体时，自左至右需剥除的那部分岩土体量逐渐增加，其下部岩土体内受到的上覆岩土体自重应力逐渐减小，加之因岩土体剥除而导致的左边应力偏移的共同作用，导致露天边帮体内的应力、变形均呈非线性变化。

(2)随着井工开采的不断推进，在采场前后端均出现应力集中现象，且推进端应力集中要小于起始推进端应力集中，但应力集中总体呈逐渐增加趋势。这可能是因为在井工推进方向上边帮部分所受上覆自重应力呈逐渐减小趋势，在受到相同程度采动影响后所处应力环境较低的部分出现的应力集中自然较小所致。

(3)随着井工开采推进距离的增加，推进端应力集中增加不明显，而推进起始位置处应力集中增加非常明显。这可能是因为上覆自重应力的减小对应力集中的削弱作用与采动对应力集中的增加作用部分相互抵消，导致推进端应力集中增加不明显;而推进起始位置处仅有采动对应力集中的增加作用，从而导致其应力集中显著增加。

图6 顶板内Z方向的变形演化特点

(4)随着井工开采的不断推进，煤层顶板内原因为上覆岩层自重应力作用而产生的变形逐渐减小，且存在着明显的减小不均匀现象，呈左端减小程度小、右端减小程度大的趋势。这是因为削除部分岩土体后形成的露天边帮内，由于上覆岩层自重应力的逐渐减小导致其下伏岩层产生的压缩变形也逐渐减小，再受到相同程度采动作用后，其压缩变形发生的变化也将较小所致。

(5)随着井工开采的不断推进，煤层顶板内在靠近露天边帮的一侧将率先出现拉应力区，这也将是煤层顶板率先会破坏失稳的区域。

2.2 露天矿边帮稳定性造成的影响

随着露天边帮下井工开采的不断推进，由此产生的采动作用将逐渐作用于露天边帮之上，可能引起露天边帮的变形、破坏，甚至产生明显的运动。因此，研究露天边帮在井工开采采动作用影响下向自由方向(X方向)运移、变形规律，对于合理确定井工开采停采线、维护露天边帮稳定性至关重要。根据数值模拟结果，得到了不同井工推进度条件下的露天矿边帮向自由方向(即X方向)移动变形的特点，如图7所示。

图7 不同推进度时露天边帮向X方向运移特性

分析图7可知:

(1)经过露天开采后形成的露天边帮内部存在明显的拉应力区，拉应力区多位于边帮深部的中部，区域大小与边帮总高度有关。这可能是在进行露天开采时，边帮各个部分削除的上覆岩土体量不同，导致边帮内部各处被卸载量不同，从而在边帮内部局部区域出现拉应力区。

(2)经过露天开采后形成的露天边帮已经存在了向自由方向发生滑移运动的趋势与动力，其滑移动力即为上部边帮岩土体的自重力。分析可知，这种滑移动力的大小与边帮角大小密切相关，且超过某一临界值后，边帮体就会发生自动下滑。

(3)随着井工开采的不断推进，边帮体内应力将出现较大范围的拉应力区，且分布区域明显向边帮的自由方向偏转，这将有可能促使露天边帮向自由方向发生滑移。这可能是因为井工开采产生的采动作用，促使开采煤层的顶板具有向下运动的趋势，使采动影响范围的岩土体的边沿出现局部的拉应力区域，当这一区域与露天边帮自由面贯通后，将可能在此处形成滑移面的起始位置。

(4)随着井工开采的不断推进，露天边帮内拉应力区域的范围和大小不断增加，且在井工开采的自由端将出现明显的较大拉应力区域，如此区域与露天边帮自由面贯通，露天边帮将在上覆岩土体自重应力的推移、挤压下发生滑移，而非边帮体自身因素导致的滑移。这主要是因为井工开采产生的采动作用加剧了露天边帮坡脚处的岩体岩性的劣化，从而加速或加剧了露天边帮的滑移。

(5)根据上述分析可知，井工开采在向着边坡方向推进过程中，存在着一个既使露天边帮保持安全、又可实现尽量多回收煤炭的推进尺度，该尺度即为理想的井工开采理论尺度。

3 结论

(1)随着距露天开采地面停采线距离的不同，边帮体内压应力和压应变呈非线性减小趋势，压应力、压应变大小及减小的幅度与边帮角、上覆岩土体性质、埋深密切相关。

(2)随着井工开采的不断推进，其顶板内的应力集中呈不对称分布，即推进起始端应力集中大而推进端应力集中小;顶板岩层变形也呈非线性分布，变形较大的部分明显偏向推进起始端。

(3)露天边帮下开展的井工开采将促使边帮体内形成较大范围的拉应力区，且此区域的分布呈明显偏向边帮体自由端方向;导致边帮体发生滑移的主要因素将是边帮体上覆岩土体的挤压、推移与井工开采产生的采动作用对边坡体底部岩体岩性的劣化作用。

(4)存在着一个既使露天边帮保持安全、又可实现尽量多回收煤炭的推进尺度，该尺度即为理想的井工开采理论尺度。

［1］ 谷淡平，覃明彩，王启云.高边坡失稳分析及处理技术研究［J］. 岩土工程界，2010，12(10):52-56.

［2］ 赵洪宝，潘卫东.开挖对岩质边坡稳定性影响的数值模拟［J］.金属矿山，2011(7):32-35.

［3］ 王瑞龙.神华准能露天煤矿扩能方案研究［J］.露天采矿技术，2010(1):47-48.

［4］ 徐前卫，朱合华，丁文其，等.直立岩质边坡的渐进性破坏模型试验研究［J］.地下空间与工程学报，2010，6(2):33-37.

［5］ 赵洪宝.坡脚扰动对工作帮整体稳定性的影响［J］.金属矿山，2012(4):47-50.

［6］ 马 莎，胡金虎，万腾飞.暴雨诱发高填深挖路基边坡失稳分析［J］. 水土保持研究，2010，17(5):235-237.

［7］ 王根龙，伍法权，蔡晓光.考虑层间错动的顺层岩质边坡稳定性［J］. 水文地质工程地质，2010，37(2):55-59.