露天煤礦邊坡下井采工作面推進方向優化研究

丁鑫品，李紹臣，李 偉，艾 暢，周 游

(煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京100013)

平朔礦區地質構造簡單，煤層平穩，近水平，埋藏淺，適宜于大規模的露天開采，是我國典型的淺埋深、薄基巖、“雙硬”大型露天礦區。由于單一露天開采方式，造成了端幫下煤炭資源的積壓和浪費。為了提高開采效率，最大限度地回采煤炭資源，平朔公司于2002年在安太堡露天礦和安家嶺露天礦之間建設了二號井工礦，率先在全國范圍內成功實現了由單一露天開采方式向露井協調開采方式的轉變。

露井平面協采不同于露井聯采，后者是傾斜或急傾斜煤層條件下，淺部采用露天開采，深部采用井工開采的上下部聯合開采模式;平朔礦區的平面露井協采問題，實質是煤層近水平條件下利用井工開采方式回收露天礦端幫煤柱的問題，因為存在相互影響，露天和井工兩種開采方式之間更多的是一種平面上的協調。

處于兩個露天礦之間的井工二礦，主采4號和9號煤層，工作面南北并排布置，由北向南推進，雙巷掘進，傾斜長壁綜合機械化放頂煤開采，自然垮落法管理頂板。井采工作面開切眼位置位于安太堡露天礦南端幫下部，停采線位置位于安家嶺露天礦北端幫下部，對于安太堡礦南端幫邊坡來說，井采工作面朝著遠離邊坡面的方向推進，稱其為“逆坡開采”，對于安家嶺礦北端幫邊坡來說，井采工作面朝著靠近邊坡面的方向推進，稱其為“順坡開采”。這兩種情況下，采動邊坡的變形破壞規律是否具有差異性?在回收煤炭資源和保證邊坡穩定方面誰更具優越性?平面露井協采條件下井采工作面推進方向如何優化等問題具有重要的研究價值。

1 平面露井協采下采動邊坡的變形破壞機理

以平朔礦區露井協采區域某地質剖面為研究對象，建立工程地質分析模型，采用相似材料模擬實驗和數值分析的方法對露井協采邊坡的變形破壞機理展開研究，研究模型見圖1所示。

井采工作面順坡開采和逆坡開采的典型相似材料模擬實驗照片見圖2所示，圖中S表示位移，F分表示某一巖梁施加給邊坡巖體的力。

如果以井采工作面煤壁煤層頂板位置為基點，依據巖層移動角和采空區垮落角繪制采空區移動邊界和垮落邊界，按照位移情況可以將采動邊坡上覆巖土體劃分為A，B，C三個區域。C區是位于垮落邊界內的巖體，井采后主要表現為豎直方向的沉降，水平位移量較小;B區是位于垮落邊界和移動邊界內的巖體，井采后由于C區巖體垮落而失去側向支撐作用，表現為朝向采空區方向一定程度的水平位移和一定程度的豎向沉降;A區是位于移動邊界外的巖體，一般情況不受井采影響，水平和豎直位移特征不明顯。順坡開采和逆坡開采過程中邊坡附近巖體變形破壞分區見圖3所示。

圖1 露井協采邊坡變形破壞機理研究模型

圖2 平面露井協采條件下采動邊坡的變形破壞特征

根據相似材料模擬實驗結果，采動邊坡變形破壞機理可以表述為:在井采工作面推進過程中，邊坡上部巖體因失去下部支撐而發生下沉，由于巖層的抗拉強度較小，在垮落邊界位置，基本頂巖梁先在兩側支座的上端裂開，而后在梁的中間底部破斷，隨著巖塊的轉動形成強大的水平擠壓力F分，該F分的合力F是邊坡上部平盤朝向臨空面方向移動的源動力，當該力大小超過某巖層接觸面的抗滑力時，該接觸面上部巖體將作為整體發生朝向臨空面的滑動，產生這種推動力的結構即為基本頂的“砌體梁”結構。

圖3 平面露井協采條件下采動邊坡附近巖體變形破壞分區

為了深入了解采空區垮落裂縫位置巖梁鉸接點的水平應力特征，在邊坡1330臺階巖體內布置3個水平應力監測點，編號分別為1330－1，1330－2和1330－3。數值分析結果表明:井采工作面逆坡開采條件下，在上覆巖層發生初次破斷的瞬間，各監測點的水平壓應力有明顯減小的現象，隨著工作面繼續推進，壓應力又逐漸增大，當積聚到一定程度時，由于1330臺階發生朝向邊坡臨空面的整體移動，應力突然釋放，最終水平應力遠小于原巖應力 (圖4)，從而進一步說明了破斷巖梁鉸接結構產生的推力是促使采動邊坡上部平盤發生水平移動的根本原因。

圖4 井采工作面推進過程中+1330臺階各監測點水平應力變化曲線

2 2種開采條件下邊坡變形破壞的差異性

2.1 邊坡巖體變形破壞范圍

已有文獻資料表明［1－3］:在露井協采條件下，井采工作面無論順坡開采還是逆坡開采，工作面煤壁側垮落角均小于開切眼側垮落角，本次實驗重復驗證了上述現象，兩者相差約為7～9°，分析原因為采空區上方巖梁結構的破斷機制不同所致，開切眼側垮落角源于采空區上覆巖體的固支梁結構破斷，工作面煤壁側垮落角源于采空區上覆巖體的懸臂梁結構破斷。圖5(a)中α1和β1分別為順坡開采條件下工作面煤壁側和開切眼側的垮落角，α2和β2分別為逆坡開采條件下工作面煤壁側和開切眼側的垮落角。也就是說，在井采工作面開切眼或停采線位置相同的情況下，逆坡開采對邊坡上部平盤的影響范圍要大于順坡開采的相應情況，即在邊坡上部平盤變形破壞范圍相同的情況下，順坡開采可以比逆坡開采多回收長度為L的煤柱，經濟效益顯著，見圖5(b)。

圖5 井采工作面推進方向對邊坡變形破壞范圍的影響

2.2 邊坡各平盤位移變化特征

相似材料模擬實驗 (相似材料模擬實驗相似比為1∶200)結果表明:順坡開采條件下，伴隨工作面煤壁位置巖梁鉸接的不斷向前移動，邊坡巖體內部的水平推力F不斷向前傳遞，當工作面煤壁至邊坡臨空面的水平距離減小到一定程度時，上部平盤才逐漸發生朝向臨空面的移動，見圖6(a)和圖6(c);逆坡開采條件下，上述現象在采動裂隙發展至地表時就已經產生，邊坡上部平盤變形移動量在短期內達到最大，同時，這種情況下邊坡上部平盤沉降范圍較廣，沉降量較大，見圖6(b)和圖6(d)。分析產生以上現象的原因:井采工作面開切眼位置區域上覆巖梁破斷可簡化為固支梁結構破斷，停采線位置區域上覆巖梁破斷可簡化為懸臂梁結構破斷，通過比較可知，逆坡開采條件下邊坡上覆巖梁旋轉角度較大 (圖2)，基于關鍵巖梁的變形失穩理論［4］，促使邊坡上部平盤水平移動的力F與旋轉角成正比，因此，在邊坡下部隔離煤柱尺寸一定時，逆坡開采對邊坡上部平盤變形移動影響程度較大，不利于邊坡穩定。

圖6 井采工作面推進方向對邊坡上部平盤變形移動的影響

2.3 邊坡巖體水平應力分布特征

在邊坡下部隔離煤柱尺寸一定時，井采工作面逆坡開采和順坡開采條件下邊坡巖體水平應力等值線見圖7所示。

由圖7可以看出，井采工作面回采過程中，在采空區前、后煤壁位置正上方2個位置區域產生了水平應力集中，通過與相似材料模擬實驗現象對比可知，破斷巖梁的鉸接結構是以上位置水平應力集中的根本原因。順坡開采條件下邊坡體內部水平應力最大值約3MPa，而在逆坡開采條件下該值約為9MPa，后者水平應力集中程度明顯較大，從側面解釋了逆坡開采對邊坡上部平盤變形移動影響程度較大的現象。

圖7 井采工作面推進過程中邊坡巖體水平應力等值線圖

2.4 邊坡穩定性對比分析

為了定量研究類似條件下順坡開采和逆坡開采邊坡變形破壞的差異性，以上述工程地質剖面為研究對象，建立穩定分析模型，采用極限平衡法對邊坡穩定性進行了驗算，驗算過程中所需巖土體抗剪強度參數根據Hoek－Brown經驗強度準則獲得，以垮落裂縫為分界面，采空區垮落裂縫內側巖土體采用受井采擾動的巖土體強度參數，垮落裂縫外側巖土體采用未受井采擾動的巖土體強度參數，計算所需主要參數及計算結果如表1所示。

表1 順坡開采和逆坡開采邊坡穩定性對比分析

計算結果表明，在露井協采邊界參數相同時，順坡開采時露天礦邊坡的穩定系數要明顯大于逆坡開采時的相應情況，順坡開采方式在進一步縮小露井協采邊界參數、保證邊坡穩定方面更具優勢。

3 結論

(1)井采影響下，促使邊坡上部平盤發生朝向臨空面方向水平錯動的力是由邊坡正下方關鍵巖層的“砌體梁結構”提供的。

(2)順坡開采或逆坡開采條件下，由于采空區上覆巖梁的破斷機制不同所致，露井協采邊坡變形破壞特征存在明顯差異，主要表現在邊坡巖體變形破壞范圍、邊坡上部平盤位移特征和邊坡巖體水平應力分布特征等多個方面。

(3)通過對比分析，在平朔礦區類似地質條件和采礦條件下，當邊坡下部隔離煤柱一定時，順坡開采方式在保證邊坡穩定方面更為有利，而在對邊坡穩定影響程度一定的情況下，順坡開采方式可進一步提高資源采出率，建議優先考慮。

［1］朱建明，等.露井聯采技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2003.

［2］吳劍平，朱建明，成新元.露井聯采下邊界參數優化的相似材料模擬研究［J］.中國礦業，2008，17(9):79－82.

［3］朱建明，劉憲漢，吳劍平，等.露井聯采下邊坡穩定性的相似模擬研究［J］.工程地質學報，2009，2(17):206－211.

［4］錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2003．