露天开挖诱发井采区覆岩与边坡相互扰动机理

韩松辰 HAN Song-chen；孙世国 SUN Shi-guo

（北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 引言

我国有许多老矿区属于露井联采矿区，主要特点是浅层煤炭由露天开采，深部煤层由井工矿开采[1-2]，且两者的采动影响域相互包含或相互叠加，由此构成了复杂的动态叠加破坏机制[3-5]。因此，随着露天开采深度的增大，露天与井工矿新老采区的复合叠加作用机制更加复杂，从而形成了影响域的包含或嵌套关系，由此造成后续开采的衍生灾害或连锁反应[6-7]。本研究针对老虎台矿地下采区开采对东露天矿安全影响问题，利用Midas 和Flac3D数值模拟软件，模拟地下井工采区开采完成后进行露天采区开采，分析边坡及地表移动规律，总结井工转露天复合开采相互作用机理，对东露天矿及老虎台矿安全生产具有重要意义[8-11]。

1 井工转露天开采数值模拟模型的设计

1.1 工程概况

抚顺采煤沉陷区主要是从城市东部地域向市中心延续，西边则是由南台一街以西200m 处当作起始点，东边延伸至东洲区政府西侧，北边延伸至榆林路、矿电铁北干线，南边延伸到东露天矿北帮、龙凤路以南。总体来看，其跨越了新抚和东洲两个行政区，面积为17.38km2，在抚顺所对应的总面积占比达到了14.2%。抚顺煤层厚度最大达到130m，平均厚度50m，垂直深度达478m，是世界上罕见的单一巨厚煤层[12]。

1.2 数值模拟模型的建立

由于Flac3D软件对于复杂模型建立的呈现度有所欠缺，因此根据抚顺矿务局的地质资料采用Midas 软件建立模型，使用Flac3D有限元软件进行数值模拟计算。在计算井工全部十一个采区叠加开采的影响状态下进行露天延深开采。根据表1 露天开采的几何参数，将露天采区按时序分为五步进行开采，选取E5600 剖面为主断面，各个采区按计划开采顺序进行数值模拟分析。数值模拟模型依旧使用直角坐标系，地下采空区位置及大小不变。

表1 露天各步开采几何参数

其中露天走向开采长度设计为4000m、南北方向倾向长度为3600m，开采坑底标高-200m。模型划分为269714个单元，238343 个节点。图1 为井工转露天开采数值模型单元划分，图2 为E5600 剖面各采区分布简化图，计算参数见表2。

图1 数值模拟模型设计

图2 数值模拟模型E5600 剖面各采区分布简化图

2 井工转露天开采诱发边坡地表移动规律分析

露天开采第五步诱发地表沉降及位移云图如图3 所示，由于露天开采是在井工十一步采区开采完成情况下进行，沉陷区形状近似呈现为椭圆，沉降位移分布主要在坑内及坡肩，根据沉降量和水平位移量的变化特点来看，随着露天采区不断开采，水平移动和沉降范围逐渐增大；最大沉降值和最大水平移动值逐步增大，且最大位移与沉降值的位置也随开采范围增大而产生变化；因此地表变形及最大变形值位置与井工和露天采区影响域的综合叠加密切相关。

图3 露天开采结束沉降及位移分布云图

露天开采诱发老采区扰动产生地表沉降位移变化，图4 为露天开采后边坡及地表沉降曲线。其中第一步露天开采后边坡及地表最大沉降值为48mm，其位置处于N1750，基本位于各地下采区几何中心位置；随着工作面的推进第五步露天开采后边坡及地表最大下沉值为269mm，其位置处于N1796，与第一步最大下沉点位置对比，向北移动46m，下沉值略有增大。

图4 E5600 剖面露天各步开采地表沉降变化曲线图

图5 为露天开采后边坡及地表位移曲线。其中第一步露天开采后边坡及地表最大水平位移为78mm，处于N1250，基本位于地下采区-330 开采下山边界位置；随着工作面的推进第五步露天开采后边坡及地表最大水平位移值为633mm，其位置处于N1208，与第一步开采对比最大水平位移向南移了42m，位移值略有增大。

图5 E5600 剖面露天各步开采地表水平位移变化曲线图

综上最大位移、最大沉降值及其位置变化特点来看，随着露天开采的延深，最大位移与最大沉降位置变化逐渐减小，说明随着露天延深开采其坡角逐渐增大后，受露天临空面的增大和侧向约束减小，边坡向坑内移动，移动边界向南侧扩展且移动速率减小，这就是所谓的活化效应。

3 井工转露天复合开采相互作用机理

根据采矿工程的地应力场分布及岩层移动的一般规律，老虎台矿在开采之前，地质体处于未受到扰动状态，所有岩层的初始应力为{σ0}，当进行井下开采之后，在开采区影响范围内的各个空间位置上的所有微小单元体的相对位置状态发生改变，此时地下采区的影响范围原岩应力为{σ1}；当第一次井工开采停止后，岩层应力变化为{Δσ1}，岩层的应力达到稳定获得重新平衡后的内部应力状态为σ1±Δσ1=σ2。在此基础上继续进行井工开采，每次井工开采的应力变化为{Δσ2}{Δσ3}…{Δσi}，则新的影响域范围内的应力状态将会变成{σ3}、{σ4}乃至{σi+1}，这其中{σi}都是经由上一次的应力状态{σi-1}应力重分布而形成的。

3.1 井工转露天复合开采应力场嵌套效应

在井工开采的前提下进行露天开采，由于露天采区处于之前井工采区工作面的最上部，第一步露天开采的应力变化为{Δσi+1}，岩层的应力达到稳定获得重新平衡后的内部应力状态为σi±Δσi+1=σi+1。在此基础上进行露天开采，每次露天开采的应力变化为{Δσi+2}{Δσi+3}…{Δσi+n}，则新的影响域范围内的应力状态将会变成{σi+2}、{σi+3}乃至{σi+n}。所以井工开采完成后形成的岩层平衡状态被破坏，引发岩体内部应力新的变化，新应力场是由前一个应力场叠加而成，最终的应力状态都与开挖过程的路径有关，此为井工转露天开采的嵌套效应。

3.2 井工转露天开采应力场连锁效应

同时由于露天开采作为原井工采区工作面上部的一部分，两种采动的影响域相互包含，所以在进行露天开采后不仅改变了边坡岩体的应力状态，也直接诱发了原来处于稳定状态的岩体的重新活化，并同时不断地产生移动和变形，也因此再次影响了岩体内的应力分布特征。由于嵌套效应产生的影响域变化，导致边坡体应力场演化特点不同于单一露天开挖条件下的应力场变化规律，形成了一种地下开采转为露天开采的连锁效应。

图6 为井工转露天复合开采相互作用机理示意图，图7 为老虎台矿E5600 剖面的露天开采剖面图。井工采区开采完成后进行露天采区的开采，随着边坡坡角的增加，边坡轮廓也从最开始的A 线逐步推进到E 线。随着开采的不断进行，影响域逐步扩大，对于地下采区整体的平衡体系而言，平衡力的外部条件被打破，力系平衡关系也被打破，使得平衡体内部发生移动并产生活化效应从而形成了一种影响域的包含或嵌套关系。由于露天矿的不断开采，原有地下采区上山方向一侧的承载区的岩柱体积（I1I2I3I4）逐渐变小，露天采区临空面的面积上升，导致岩柱自身抵抗负荷的能力下降，边坡体就会受到“两增一减”的作用，即由于边坡体内部应力的变化量增加且原有地下采区工作面的上覆岩体滑移力增加，而边坡本身坡脚处的抗载能力下降，因此发生滑坡的几率增加。

图6 井工转露天复合开采相互作用机理示意图

图7 E5600 露天采区剖面图

4 结论

基于Midas 和FLAC3D数值模拟软件进行建模分析，对井工转露天开采诱发边坡及地表移动规律进行了数值模拟研究，分析得到了井工转露天开采后地表沉降及位移变化曲线图，随着露天采区不断开采，水平移动和沉降范围逐渐增大；最大沉降值和最大水平移动值逐步增大，且最大位移与沉降值的位置也随开采范围增大而产生变化。最后总结了井工转露天复合开采的相互作用机理，分析了滑坡几率增加的原因，提出了井工转露天开采应力场的嵌套效应及连锁效应。