不同井采方向邊幫煤開采邊坡穩(wěn)定性及控制措施

王文才，李俊鵬，王創(chuàng)業(yè)，陳世江，李仕璋

（1.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；2.山東魯碧建材有限公司，山東 濟(jì)南 271103）

邊幫煤是指受露天開采設(shè)計(jì)和技術(shù)條件限制滯留在露天平盤下及邊坡境界外煤炭資源的總稱[1]。具不完全統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有露天煤礦400 余座，積壓的邊幫煤資源儲(chǔ)量約為98～140 億t，占露天礦總資源量的14%～20%[2-4]。如何將邊坡下部賦存煤炭資源“吃干榨凈”，達(dá)到利用最大化、企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，是困擾所有露天煤礦的一大難題。邊幫煤回采會(huì)受露天和地下雙重采動(dòng)效應(yīng)影響，形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)多元的復(fù)合系統(tǒng)，一定程度上能提高資源的回收率，但也會(huì)加快邊坡巖體塑性區(qū)形成，使塑性區(qū)在內(nèi)部巖體中發(fā)育，此過程如在外部荷載作用下，邊坡極易發(fā)生塑性破壞和失穩(wěn)現(xiàn)象[5-8]。因此，邊幫煤回采邊坡變形破壞和失穩(wěn)機(jī)理成為現(xiàn)行采礦和巖土界各學(xué)者十分重視的研究課題。丁鑫品等[9]通過相似模擬對(duì)露天礦端幫煤柱回收井工開采工作面推進(jìn)方向的優(yōu)化進(jìn)行了分析；李正勝等[10]運(yùn)用自主研發(fā)錨固式多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)房柱式采空區(qū)影響下露天端幫煤開采安全控制技術(shù)進(jìn)行分析；Sibabrata Patnayak等[11]通過數(shù)值模擬對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采無煤柱保護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，闡述了露天和地下2種采動(dòng)效應(yīng)疊加對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；藍(lán)航等[12]采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)邊坡下采動(dòng)沉陷規(guī)律進(jìn)行研究；劉輝等[13]通過離散元數(shù)值模擬對(duì)大冶鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究；張亞民等[14]對(duì)高應(yīng)力區(qū)露天轉(zhuǎn)地下開采巖體移動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定影響進(jìn)行分析；史秀志等[15]采用數(shù)值模擬對(duì)復(fù)雜條件下露天轉(zhuǎn)地下采空區(qū)圍巖變形及破壞特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；楊宇江等[16]對(duì)露天轉(zhuǎn)地下境界礦柱安全厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；南存全等[17]提出了井工長壁采煤法對(duì)邊幫煤進(jìn)行回采，此項(xiàng)技術(shù)是解決露天礦邊幫厚煤層回采有效方法；朱建明等[18]通過相似和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)水平厚煤層露井聯(lián)采下邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行分析，闡述了露天邊坡的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程；喻梅[19]對(duì)端幫壓煤條帶開采下煤柱及坡體穩(wěn)定性機(jī)制進(jìn)行研究，闡述了端幫壓煤條帶開采圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)分布特征，得到了煤柱寬度；李海英等[20]對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過渡期巖移危害控制方法進(jìn)行研究，提出應(yīng)用誘導(dǎo)冒落技術(shù)控制掛幫礦地采巖移的方法不僅能改善露天地下安全生產(chǎn)條件，而且能擴(kuò)展露天地下同時(shí)開采時(shí)間與空間。鑒于此，采用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)邊幫壓煤井工開采不同回采方向下邊坡變形破壞及穩(wěn)定性及控制措施進(jìn)行分析。

1 數(shù)值結(jié)構(gòu)模型

采用數(shù)值模擬中的莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，巖土材料莫爾-庫倫模型及屈服準(zhǔn)則如圖1。

圖1 巖土材料莫爾-庫倫模型及屈服準(zhǔn)則Fig.1 Mohr-Coulomb model of geotechnical materials and yield criterion

由莫爾-庫侖屈服函數(shù)定義：

式中：fs為判據(jù)；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；σT為抗拉強(qiáng)度；c 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角。

當(dāng)fs＞0 時(shí)，模型將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖土體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則（σ3≥σT）判斷巖土體是否產(chǎn)生拉破壞。

由此采用FLAC3D中的莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則及其fish 語言，結(jié)合所研究礦山煤層頂、底板巖石力學(xué)參數(shù)[21]編制邊坡數(shù)值模型，模型長、寬、高分別為500、200、242.2 m，頂面采用自由邊界，其余幾個(gè)面均進(jìn)行約束，模型共布置6 排檢測(cè)線，每個(gè)平盤處布置1排監(jiān)測(cè)線，分別位于1400 平盤～1340 平盤。

2 不同回采方向邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

邊坡變形破壞和穩(wěn)定性降低現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是由回采工作面頂、底板巖層變形破壞區(qū)的形成和發(fā)展引起的。變形破壞區(qū)的大小和形態(tài)決定了邊坡內(nèi)部巖體的破壞程度和對(duì)平盤穩(wěn)定性影響程度。由此，根據(jù)已建立不同回采方向的邊坡模型分析回采過程中變形破壞區(qū)發(fā)展演化規(guī)律及邊坡穩(wěn)定狀況。

2.1 順坡開采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

順坡開采邊坡變形破壞數(shù)值結(jié)構(gòu)模型如圖2，順坡開采各平盤位移變化曲線圖如圖3。

圖2 順坡開采邊坡變形破壞數(shù)值結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Slope plastic deformation structural model for downhill mining

圖3 順坡開采各平盤位移變化曲線圖Fig.3 Curves of displacement change of each flat plate in downhill mining

由圖2 和圖3 可知，邊坡內(nèi)部巖體塑性區(qū)形態(tài)特征及變形沉降隨開采長度增加差異較大，平盤位移變化趨勢(shì)呈由靜到動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，其特點(diǎn)分布為：

1）回采初期（0～140 m）。因井采擾動(dòng)使邊坡原巖應(yīng)力平衡發(fā)生改變，工作面在均勻高應(yīng)力作用下，內(nèi)部巖體破壞區(qū)域首先出現(xiàn)在工作面頂板和底板，呈上下對(duì)稱分布，但因塑性破壞區(qū)范圍較小，邊坡各平盤維持露天開采后狀態(tài)，不發(fā)生變形破壞現(xiàn)象。

2）回采中期（140～250 m）。在回采擾動(dòng)增大的基礎(chǔ)上，頂板破壞區(qū)向上擴(kuò)展，并指向邊坡平盤，此時(shí)破壞區(qū)逐步擴(kuò)展至邊坡中部1380 平盤和1370 平盤處，使得邊坡各平盤由靜止?fàn)顟B(tài)向變形破壞的活躍期轉(zhuǎn)變，位移值也發(fā)生線性變化，水平和垂直位移都指向采空區(qū)，上部和下部平盤變形破壞幅度略小，移動(dòng)趨勢(shì)和中部平盤一致。

3）回采至終采線（250～300 m）。受回采水平推力的增大和下部平盤及平盤后方巖層沉降的擠壓影響，頂板破壞區(qū)范圍持續(xù)向上擴(kuò)展。持續(xù)回采下頂板塑性區(qū)逐步向邊坡中部平盤處擴(kuò)展，該階段邊坡上部1400 平盤由向采空區(qū)移動(dòng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)變發(fā)生向露天礦坑移動(dòng)，且伴隨著向上抬升現(xiàn)象，水平移動(dòng)和垂直抬升值呈正態(tài)分布規(guī)律，隨回采長度增大而增大，此過程伴隨著破壞區(qū)持續(xù)向邊坡中部平盤處擴(kuò)展，使得邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。直至回采終止，指向露天礦坑的最大移動(dòng)區(qū)域?yàn)?400 平盤，水平位移值0.29 m，垂直抬升值0.22 m，指向采空區(qū)的最大移動(dòng)區(qū)域?yàn)檫吰轮胁?370 平盤，水平位移值0.79 m，垂直位移值1.23 m，此時(shí)邊坡最終發(fā)生指向采空區(qū)方向的失穩(wěn)變形，局部區(qū)域指向露天礦坑。

2.2 逆坡開采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性分析

逆坡開采邊坡塑性變形結(jié)構(gòu)模型如圖4，逆坡開采各平盤位移變化曲線圖如圖5。

圖4 逆坡開采邊坡塑性變形結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model of plastic deformation of slope in uphill mining

圖5 逆坡開采各平盤位移變化曲線圖Fig.5 Change curves of displacement of each flat plate in uphill mining

由圖4 和圖5 可知，同順坡回采相同，隨回采長度增加邊坡內(nèi)部巖體及平盤變形破壞區(qū)域和形態(tài)差異較大，平盤位移變化趨勢(shì)呈由靜到動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，其特點(diǎn)分布為：

1）回采初期（0～100 m）。邊坡內(nèi)部巖體受開挖影響，使得原巖應(yīng)力發(fā)生擾動(dòng)，回采工作面頂?shù)装逍纬勺冃纹茐膱?chǎng)域，范圍隨開采長度增大不斷擴(kuò)大，但因邊坡各平盤遠(yuǎn)離內(nèi)部巖體變形破壞區(qū)，所以各平盤不發(fā)生移動(dòng)變化，維持露天開采后形態(tài)和位移值。

2）回采中期（100～180 m）。因回采長度的增大，邊坡內(nèi)部巖體變形破壞區(qū)范圍持續(xù)向上擴(kuò)展，逐步對(duì)邊坡中部和下部平盤形成影響，發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象，移動(dòng)趨勢(shì)均呈正態(tài)分布，最大移動(dòng)平盤位于邊坡中部1370 平盤和下部1350 平盤，且此時(shí)變形破壞區(qū)范圍已擴(kuò)展至上述平盤處。

3）回采至終采線（180～220 m）。因上述回采使得變形破壞區(qū)范圍擴(kuò)展至邊坡中部和下部平盤處，使得平盤和后方的巖體向采空區(qū)方向不斷移動(dòng)對(duì)邊坡上部1400 平盤形成擠壓影響，平盤移動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生改變，水平方向由向采空區(qū)移動(dòng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚵短斓V坑移動(dòng)，垂直方向由向采空區(qū)下沉趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘苿?dòng)，其它平盤維持向采空區(qū)移動(dòng)趨勢(shì)，直至回采終止，指向露天礦坑的最大移動(dòng)區(qū)域?yàn)?400 平盤，水平位移值0.53 m，垂直抬升值0.28 m，指向采空區(qū)的最大移動(dòng)區(qū)域?yàn)檫吰轮胁?370 平盤，水平位移值0.94 m，垂直位移值1.32 m。

2.3 順坡和逆坡回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性

綜上所述，通過上述分析可以得出，順坡回采受回采擾動(dòng)影響邊坡破壞區(qū)發(fā)育至邊坡中部1380 平盤～1370 平盤處，平盤穩(wěn)定性發(fā)生破壞，且因受損的1380 平盤和1370 平盤向采空區(qū)移動(dòng)擠壓影響邊坡上部1400 平盤發(fā)生向露天礦坑移動(dòng)趨勢(shì)。直至回采終止，邊坡最終發(fā)生指向采空區(qū)方向的失穩(wěn)變形，1400 平盤局部失穩(wěn)變形區(qū)域指向露天礦坑。逆坡開采邊坡內(nèi)部巖體變形破區(qū)發(fā)育擴(kuò)展趨勢(shì)與順坡開采較一致，但主要破壞區(qū)域變?yōu)檫吰轮胁?370 平盤和下部1350 平盤，且上部1400 平盤移動(dòng)向露天礦坑移動(dòng)值更大，局部失穩(wěn)現(xiàn)象比順坡回采更為明顯。

3 邊幫煤回采邊坡變形破壞控制措施

提出采用回填壓腳和逆坡開采局部充填2 種方案對(duì)邊坡的變形破壞進(jìn)行控制。

3.1 回填壓腳對(duì)邊坡變形破壞進(jìn)行控制

邊幫煤回采是通過回采推力作用向前挺進(jìn)實(shí)現(xiàn)資源回收，而回采推力會(huì)削弱邊幫底部結(jié)構(gòu)的承載力，進(jìn)而造成邊坡變形破壞影響邊坡的穩(wěn)定性[22]，回采推力的影響效應(yīng)受邊幫形狀及回采煤層前方覆蓋物的影響。提出采用露天剝離的廢石及煤矸石對(duì)邊坡下部臺(tái)階進(jìn)行回填壓腳來控制邊坡的穩(wěn)定性?；靥顗耗_邊坡變形破壞結(jié)構(gòu)模型如圖6，回填壓腳邊坡各平盤位移變化曲線圖如圖7。

圖6 回填壓腳邊坡變形破壞結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Plastic deformation structure model of backfill presser foot slope

圖7 回填壓腳邊坡各平盤位移變化曲線圖Fig.7 Displacement variation curves of each flat plate of backfill pressure foot slope

由圖6 和圖7 可知，采用回填壓腳對(duì)邊幫煤進(jìn)行回采邊坡內(nèi)部巖體變形破壞區(qū)擴(kuò)展范圍及平盤位移變化相比不采取措施均較小，其特點(diǎn)分布為：

1）回采初期（0～150 m）。邊坡內(nèi)部巖體變形破壞區(qū)擴(kuò)展趨勢(shì)與原模型擴(kuò)展相近，圍繞采空區(qū)頂?shù)装宕嬖谧冃伟l(fā)育現(xiàn)象，此過程因回采長度不足對(duì)邊坡平盤不存在擾動(dòng)，固邊坡穩(wěn)定性良好。

2）回采中期（150～225 m）。頂?shù)装遄冃纹茐膮^(qū)隨回采工作面增大繼續(xù)擴(kuò)展，逐步向邊坡平盤處進(jìn)行擴(kuò)展，此過程邊坡平盤發(fā)生向采空區(qū)方向的變形移動(dòng)現(xiàn)象，位移值均較小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不構(gòu)成影響；

3）回采至終采線（225～300 m）。因回填壓腳改變了邊坡原有結(jié)構(gòu)形態(tài)，變形區(qū)雖然隨回采長度增加持續(xù)向邊坡平盤處擴(kuò)展，但擴(kuò)展范圍得到了有效控制，回采結(jié)束邊坡最大水平和垂直位移均為邊坡下部1340 平盤，水平位移值0.04 m，垂直位移值0.47 m，其余平盤位移值依次遞減。

綜上所述，采用回填壓腳措施可以對(duì)邊坡原有結(jié)構(gòu)形態(tài)形成改變，在相同回采擾動(dòng)作用下能夠有效控制邊坡內(nèi)部巖體運(yùn)移破壞現(xiàn)象，遏制變形區(qū)擴(kuò)展發(fā)育，從而達(dá)到控制邊坡穩(wěn)定性的效果。

3.2 逆坡回采局部充填對(duì)邊坡變形進(jìn)行控制

充填開采對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)、煤炭資源綜合利用水平及綠色發(fā)展理念具有重要意義。實(shí)施充填開采不僅可以提高礦井安全生產(chǎn)程度，而且可以處置礦區(qū)固體廢棄物，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源協(xié)調(diào)發(fā)展[23]。提出采用逆坡回采局部充填方案對(duì)邊幫煤開采邊坡穩(wěn)定性狀況進(jìn)行控制，為了在經(jīng)濟(jì)和控制邊坡穩(wěn)定性兩方面都達(dá)到最佳，采用矸石膏體局部充填率定為80%，充填長度80 m。逆坡回采局部充填邊坡塑性變形結(jié)構(gòu)模型如圖8，逆坡回采局部充填平盤位移變化曲線圖如圖9。

圖8 逆坡回采局部充填邊坡塑性變形結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Plastic deformation structure of partially filled slope in uphill stopping model

圖9 逆坡回采局部充填平盤位移變化曲線圖Fig.9 Displacement variation curves of local backfill plate in uphill stoping

由圖8 和圖9 可知，采用逆坡回采局部充填對(duì)邊幫煤進(jìn)行回采，邊坡內(nèi)部巖體受充填體支撐塑性區(qū)擴(kuò)展范圍及平盤位移變化相比不采取措施均較小，其特點(diǎn)分布：

1）回采初期（0～100 m）。邊坡內(nèi)部巖體因回采擾動(dòng)影響發(fā)生變形破壞現(xiàn)象，且因采用逆坡回采邊幫煤擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)邊坡各平盤均存在影響，隨回采長度增大平盤位移值發(fā)生變化；

2）回采中期（100～225 m）。因邊坡各平盤所受荷載大小不一致使邊坡內(nèi)部破壞區(qū)擴(kuò)展范圍逐步呈不規(guī)則狀進(jìn)行擴(kuò)展，且此過程因工作面上方垮落的巖體受充填物支撐，破壞區(qū)范圍和速度得到有效控制，使得邊坡各平盤位移值呈緩慢增長。

3）回采至終采線（225～300 m）。因工作面區(qū)域的擴(kuò)大，使得缺少充填體支撐的覆巖繼續(xù)發(fā)生變形沉降現(xiàn)象，邊坡內(nèi)部破壞區(qū)范圍繼續(xù)擴(kuò)展，此過程邊坡各平盤位移值均呈線性增大趨勢(shì)，直至回采結(jié)束，受開采擾動(dòng)的破壞區(qū)發(fā)育趨勢(shì)指向邊坡中部1370 平盤和1380 平盤，但未對(duì)平盤形成破壞，邊坡穩(wěn)定性不受影響，邊坡最大水平和垂直位移均為下部1340 平盤，水平位移值0.065 m，垂直位移值0.43 m。

綜上所述，采用逆坡回采局部充填措施可以在回采初期對(duì)邊坡內(nèi)部變形破壞的覆巖形成有效支撐，從而達(dá)到遏制破壞區(qū)擴(kuò)展的效果，減緩邊坡平盤因工作面回采所造成的破壞，直至達(dá)到控制邊坡穩(wěn)定性的效果，分析發(fā)現(xiàn)直至工作面回采至停采線破壞區(qū)擴(kuò)展范圍未到達(dá)邊坡平盤下部，邊坡穩(wěn)定性較好。

4 結(jié) 語

1）根據(jù)邊幫煤賦存特點(diǎn)，提出采用順坡和逆坡2 種方案對(duì)邊幫煤進(jìn)行回采，分析結(jié)果顯示，邊坡穩(wěn)定性狀況與回采方向有關(guān)，順坡回采工作面長度大，采場(chǎng)巖體變形破壞發(fā)育強(qiáng)度和深度比逆坡回采弱，回采至停采線，邊坡中部1370 平盤和上部1400平盤穩(wěn)定性存在衰減，使局部存在滑移情況，失穩(wěn)現(xiàn)場(chǎng)指向采空區(qū)，對(duì)安全生產(chǎn)影響較?。荒嫫禄夭晒ぷ髅骈L度小，且受回采影響穩(wěn)定性衰減的平盤存在剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，由此可以得出在相同條件下回采邊幫煤，順坡優(yōu)于逆坡回采，且邊坡穩(wěn)定性更好。

2）根據(jù)邊幫煤回采邊坡變形破壞及穩(wěn)定性狀況提出采用回填壓腳方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行控制。分析結(jié)果表明，在邊幫煤回采過程中采用回填壓腳可以改變邊坡原有結(jié)構(gòu)形態(tài)，使邊幫煤在同等作用力下回采邊坡內(nèi)部巖體運(yùn)移狀況得到緩解，達(dá)到控制變形破壞區(qū)發(fā)育的目的，從而達(dá)到控制邊坡穩(wěn)定性的效果，直至回采至終采線，邊坡內(nèi)部破壞區(qū)未發(fā)育至邊坡平盤處，由此可以得出采用回填壓腳方式可以控制邊坡穩(wěn)定性。

3）通過邊幫煤回采邊坡變形破壞區(qū)發(fā)育形態(tài)和對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響提出采用逆坡回采局部充填方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行控制。結(jié)果表明，采用逆坡回采局部充填措施可以在回采初期對(duì)邊坡內(nèi)部變形破壞的巖體形成有效支撐，達(dá)到遏制破壞區(qū)擴(kuò)展的效果，減緩邊坡平盤因工作面回采所造成的破壞，直至達(dá)到控制邊坡穩(wěn)定性的效果，分析發(fā)現(xiàn)直至工作面回采至停采線破壞區(qū)擴(kuò)展范圍未到達(dá)邊坡平盤下部，邊坡穩(wěn)定性較好。