王文軍，史靈杰，武懋

（1中煤平朔集團(tuán)有限公司東日升煤業(yè)有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集團(tuán)有限公司設(shè)計研究中心，山西朔州036006）

井采影響下露天礦邊坡巖層移動規(guī)律研究

王文軍1，史靈杰2，武懋2

（1中煤平朔集團(tuán)有限公司東日升煤業(yè)有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集團(tuán)有限公司設(shè)計研究中心，山西朔州036006）

在研究了Ⅱ型露井協(xié)采端幫變形機理，井工二礦采動影響下安家?guī)X露天礦邊坡位移的變形規(guī)律，得出井工二礦采動影響下露天礦邊坡位移呈現(xiàn)為典型邊坡蠕動變形規(guī)律的結(jié)論。

露井協(xié)采；井采三帶；邊坡位移；蠕動變形

0 引言

中煤平朔礦區(qū)是我國重要的億噸級煤炭生產(chǎn)基地，先后建立了安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦和東露天礦。近年來，為減少煤炭資源的浪費，在不適于露天開采區(qū)域?qū)嵭新短炀ぢ?lián)合開采的安全高效新模式，形成了中煤平朔集團(tuán)有限公司獨具特色的露天與井工聯(lián)合開采模式。

在安家?guī)X露天礦北部和安太堡露天礦南部之間的不采區(qū)建立了井工二礦。井工二礦工作面由北向南開采，開切眼位于安太堡露天礦南幫，停采線位于安家?guī)X礦北幫下部。井工二礦29209工作面采掘至安家?guī)X露天礦北幫下部時，安家?guī)X露天礦北幫邊坡連續(xù)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，并在1 330、1 280 m水平沿軟弱夾層出現(xiàn)層位錯動現(xiàn)象。通過邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，邊坡形成了明顯的滑體，從而對露天礦邊坡穩(wěn)定性造成影響。因此，需要對井工礦在開采過程中對露天礦邊坡沉陷變形區(qū)域、露井協(xié)采下露天礦邊坡穩(wěn)定性及井工礦合理停采線等問題進(jìn)行研究。

1 露井聯(lián)采模式簡介

在同一礦區(qū)中存在露天礦與井工礦開采，如果二者空間距離介于開采相互影響范圍內(nèi)，即可認(rèn)為其形成露井聯(lián)采模式。而露井聯(lián)采模式可按照露天礦與井工礦煤層空間賦存情況和開采時間先后順序，從空間與時間相互結(jié)合上可劃分為6種模型[1]。

1）按照煤層空間賦存情況，露井聯(lián)采分為Ⅰ型露井聯(lián)采和Ⅱ型露井聯(lián)采：Ⅰ型露井聯(lián)采，煤層為傾斜煤層，露天礦與井工礦不在同一水平面；Ⅱ型露井聯(lián)采，煤層為近水平或緩傾煤層，露采與井采在同一水平面。

2）按照煤層開采順序，露井聯(lián)采分為以下3種類型：Ⅰ型為先期進(jìn)行井工礦開采，后期進(jìn)行露天礦開采，即井工礦轉(zhuǎn)露天礦；Ⅱ型為先期進(jìn)行露天礦開采，后期進(jìn)行井工礦開采，即露天礦轉(zhuǎn)井工礦；Ⅲ型為露天礦與井工礦同時開采，即露井協(xié)采。

3）通過空間上將露井聯(lián)采分為Ⅰ型和Ⅱ型，從時間上將開采順序分為3種類型，從而可以將露井聯(lián)采分為6類模式，露井聯(lián)采模型如圖1所示。

圖1 露井聯(lián)采模型

中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X礦區(qū)為近水平煤層，在同一水平開采；其中安家?guī)X露天煤礦與井工二礦開采同時開采，按照上述標(biāo)準(zhǔn)安家?guī)X礦區(qū)為近水平露井協(xié)采，即Ⅱ型露井協(xié)采模式。

2 Ⅱ型露井協(xié)采模端幫變形破壞機理

露天井工聯(lián)合開采相互耦合干擾，井工采動中對露天礦邊坡的影響主要為“井采三帶”破壞了露天礦邊坡巖體，不僅使原生裂隙開裂，產(chǎn)生新的導(dǎo)水裂隙帶，致使邊坡系統(tǒng)水文地質(zhì)條件改變；同時還改變了邊坡巖體結(jié)構(gòu)狀況，導(dǎo)致邊坡巖體變形，使邊坡巖體強度進(jìn)一步降低，乃至引起邊坡失穩(wěn)。因此，需要從“井采三帶”高度對邊坡破壞規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 露井協(xié)采端幫位移影響區(qū)域

井工礦工作面根據(jù)上覆巖層位移的不同可以劃分為3部分（“三帶”）：垮落帶、裂隙帶和緩沉帶[2]。

1）垮落帶。在推進(jìn)方向上不能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。

2）裂隙帶。在采場推進(jìn)過程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運動，在推進(jìn)方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系，該部分巖層也是內(nèi)應(yīng)力場的主要壓力來源。

3）緩沉帶。在采場推進(jìn)很長一段距離后才會開始運動，其運動緩慢，緩沉帶運動的最終結(jié)果是在地表形成沉降盆地?？迓鋷c裂隙帶的全部巖層為采場需控巖層范圍。

2.1.1 垮落帶高度

垮落帶高度一般為采高的2~3倍。即mz=（2～3）h。

2.1.2 裂隙帶的高度

裂隙帶的高度是隨著采場的推進(jìn)而逐漸擴展的。實踐證明，裂隙帶中對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的1~2個下位巖梁厚度，也即老頂，厚度大約為采高的4~6倍。即mLX=（4～6）h。

平朔礦區(qū)主要開采4#、9#、11#煤層，井工二礦開采過程中對安家?guī)X露天礦邊坡的影響是沿軟弱層向露天礦方向的位移。因此，在露天礦邊坡附近主要研究近距離煤層開采時“井采三帶”對露天礦邊坡影響高度，尤其是組合煤層開采時裂隙帶高度。平朔礦區(qū)煤層三帶高度計算參數(shù)：4#煤均厚11 m，9#煤均厚12 m，層間距35 m；巖移角59°。

根據(jù)礦山壓力與巖層控制理論，當(dāng)層間距小于下煤層開采形成的垮落帶高度，上下煤層的垮落帶高度重合。上煤層的裂隙帶高度按該層的厚度計算，下煤層裂隙帶最大高度按綜合開采厚度計算，取其中標(biāo)高最大值作為兩層煤的裂隙帶最大高度。

所以，4#煤和9#煤同時開采時垮落帶高度：Mz=mz4+mz4=46～69 m

4#煤和9#煤同時開采時裂隙帶高度：mLX=（4～6）h=44～66 m

即4#煤和9#煤同時開采時，取垮落帶與裂隙帶的最大值為上覆巖層破壞影響值，其影響最大為135 m，對應(yīng)露天礦邊坡主要影響區(qū)域為1 335 m水平左右。

2.2 露井協(xié)采端幫邊坡破壞機理

單一露天礦開采時端幫邊坡將應(yīng)力向邊坡臨空面釋放，從而引起邊坡變形，這種變形可通過對邊坡監(jiān)測獲得變化情況，并通過對數(shù)據(jù)分析可以確定露天礦邊坡的變形情況及邊坡滑動進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。

單一井工礦開采時，由于開采后形成地下巷道和采空區(qū)，破壞了巖體原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，形成新的應(yīng)力場，使采空區(qū)上覆巖體產(chǎn)生移動。

Ⅱ型露井協(xié)采模式中露天礦端幫邊坡受到露天礦開采和井工礦聯(lián)合采動影響，兩者之間的應(yīng)力場的相互疊加、相互作用，井采影響下邊坡巖體變形機制示意圖如圖2所示[3-6]。

圖2 井采影響下邊坡巖體變形機制示意圖

3 安家?guī)X露天礦雷達(dá)監(jiān)測資料

當(dāng)井工二礦29209工作面9#煤開采距離停采線200 m時，露天礦剝離至9#煤，井工二礦與安家?guī)X露天礦開采處于同一水平。井工采動下，在地表1 410 m水平區(qū)域出現(xiàn)平行邊坡走向的裂縫，邊坡初期變形速率不超過10 mm/d，后期最大變形速率達(dá)到2.6 mm/h，邊坡變形主要區(qū)間為1 280~1 375 m水平，其中1 330 m水平位移量最大；因此，29209工作面采動過程中，在地表1 410 m水平形成塌陷地裂縫，在1 280~1 375 m水平為工作面采動應(yīng)力釋放區(qū)域及邊坡變形區(qū)域[7]。

當(dāng)29211工作面開采9#煤時，該區(qū)域露天礦剝離至4#煤上部巖層。29211工作面靠近停采線時，井工礦采動對邊坡變形影響較大，最大變形速度達(dá)到80 mm/d，當(dāng)井工礦停止采動時露天邊坡變形趨于平緩，位移速率趨于0，井工采動邊坡影響1 330~ 1 400 m水平間，其位移在450～850 mm，其中1 360 m水平最大位移量達(dá)1.4 m，因此，井工采動對露天礦邊坡影響較大，井工采動應(yīng)力釋放區(qū)域在1 330~1 400 m，其中1 360 m水平為主要應(yīng)力釋放區(qū)域。

通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，井工二礦開采9#煤時，采動應(yīng)力釋放區(qū)域主要位于安家?guī)X露天礦邊坡1 280~1 375 m水平，與組合煤層開采下與裂隙帶的影響水平相近。由于安家?guī)X露天礦采深不同，邊坡29209區(qū)間最大變形位置為1330，而29211區(qū)間最大變形位置為1360，而安家?guī)X露天礦坑在井工二礦29209工作面對應(yīng)區(qū)間較29211工作面對應(yīng)區(qū)間采深增加30 m左右，邊坡變形最大區(qū)域減低30 m。29209、20211工作面累計位移如圖3、圖4。

因此，安家?guī)X露天礦邊坡受井工二礦開采“三帶”影響，主要為裂隙帶區(qū)域。安家?guī)X露天礦邊坡變形區(qū)域與井工二礦工作面之間的距離呈現(xiàn)比例關(guān)系，距離越近邊坡變形速率及位移增加越快；而安家?guī)X露天礦邊坡變形同時受到礦坑采深的影響，露天礦邊坡變形區(qū)域隨采深增加而向下延伸。

圖3 29209工作面累計位移

圖4 29211工作面累計位移

4 Ⅱ型露井協(xié)采數(shù)值研究

應(yīng)用有限元方法與離散元方法進(jìn)行結(jié)合的方法，模擬研究物體由連續(xù)體到非連續(xù)體的漸進(jìn)破壞過程。建立安家?guī)X露天礦與井工二礦9#煤工作面開采時空模型，用于研究Ⅱ型露井協(xié)采數(shù)值模型在井工礦不同停采位置時上覆巖層位移規(guī)律變形情況以及井工礦合理停采線位置，數(shù)值研究模型及邊坡位移監(jiān)測點布置如圖5，水平位移計算結(jié)果如圖6。

圖5 Ⅱ型露井協(xié)采剖面模型及監(jiān)測點布置

通過模擬井工二礦工作面推進(jìn)過程，得出井采上覆巖層及露天礦邊坡的變形規(guī)律。結(jié)果顯示井工二礦9#煤工作面上覆巖層出現(xiàn)明顯的“三帶”區(qū)域；在工作面靠近安家?guī)X露天礦過程中緩沉帶影響邊坡1 360 m以上水平，隨工作面向設(shè)計停采線推進(jìn)時，邊坡1 360 m以上區(qū)域出現(xiàn)明顯的向礦坑方向的水平位移，形成滑動趨勢。在實際開采中，井工二礦29209工作面在露天礦邊坡沿1280和1310兩處弱面出現(xiàn)滑動。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果相似，若工作面繼續(xù)推進(jìn)，將對邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

從圖7中可以看出，隨著9#煤工作面向邊坡方向推進(jìn)，1號監(jiān)測點位移量在工作面推進(jìn)至合理停采線1后，出現(xiàn)位移減緩，監(jiān)測點1區(qū)域處于沉降變形區(qū)域；露天礦平盤上部3~9號監(jiān)測點位移量隨井工二礦9#煤工作面的推進(jìn)而不斷增加，變形規(guī)律與邊坡蠕動變形規(guī)律相似[8]。在初始停采線到設(shè)計停采線期間，邊坡位移監(jiān)測結(jié)果顯示從等速變形階段到加速變形階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至設(shè)計停采線時，邊坡處于加速變形階段，若工作面超過設(shè)計停采線，邊坡巖體將處于滑坡危險階段。

圖6 水平位移計算結(jié)果

圖7 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

在對安家?guī)X露天礦與井工二礦聯(lián)合開采時空關(guān)系研究下，確定了安家?guī)X露天與井工二礦為近水平露井協(xié)采，即Ⅱ型露井協(xié)采模式；通過露井協(xié)采下井采“三帶”對安家?guī)X露天礦邊坡的影響范圍和邊坡的破壞機理的研究，結(jié)合安家?guī)X露天礦現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了井工采動影響下邊坡的主要變形區(qū)域與井工采動應(yīng)力釋放區(qū)域的關(guān)系；運用有限元與離散元相結(jié)合方法對井采影響下露天邊坡進(jìn)行數(shù)值研究，確定了露天礦變形規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)邊坡監(jiān)測分析，安家?guī)X露天礦邊坡變形區(qū)域與井工二礦工作面之間的距離呈現(xiàn)比例關(guān)系，距離越近邊坡變形速率及位移增加越快；安家?guī)X露天礦剝離深度不同，邊坡受井工礦采動影響變形位置不同，表現(xiàn)為安家?guī)X露天礦采深越深邊坡變形位置向下延伸，其中邊坡影響區(qū)域為1 280~1 375 m。

2）露井協(xié)采模型數(shù)值研究過程中，當(dāng)井工礦9#煤工作面靠近邊坡下部開采時，邊坡巖層水平位移明顯；若工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，邊坡沿煤層出現(xiàn)明顯水平滑動趨勢；邊坡位移與邊坡蠕動變形相似。

3）通過模擬研究，井工礦位于邊坡下部開采時，可誘發(fā)露天礦邊坡軟弱層出現(xiàn)蠕動變形，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑動破壞。

［1］煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院.井采影響下安家?guī)X礦露井時空關(guān)系于邊坡穩(wěn)定性研究［R］.撫順：煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，2013.

［2］徐楊青，吳西臣.井工開采對露天礦高邊坡穩(wěn)定性影響的研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010（18）：333-339.

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［8］徐志遠(yuǎn)，李紹臣，陳義東.露天煤礦蠕動邊坡變形破壞規(guī)律及其動態(tài)控制技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2005（S1）：15-17.

【責(zé)任編輯：張東旭】

Study on slope stratum moving law under the influence of underground mining

WANG Wenjun1,SHI Lingjie2,WU Mao2
(1.Dongrisheng Coal Co.,Ltd.,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.Design Research Center,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

By studying the end slope deformation mechanism ofⅡtype coordinated mining and the deformation law of slope displacement in Anjialing Open-pit Mine under the influence of the second coal mining,the article concludes that slope displacement appears as a typical slope creep deformation law.

coordinated mining;well mining three belt;slope displacement;creep deformation

TD325

B

1671－9816（2017）02－0014－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.004

王文軍，史靈杰，武懋.井采影響下露天礦邊坡巖層移動規(guī)律研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（2）：14-17.

2016-08-06

王文軍（1968—），男，山西朔州人，高級工程師，工程碩士，2016年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，一直從事煤礦安全、采掘、技術(shù)等管理工作。