露井聯(lián)采含斷層逆傾邊坡巖移規(guī)律試驗(yàn)研究

王　東　吳國(guó)輝　曹蘭柱　姜聚宇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新123000）

作為最大限度回收傾斜煤層的開(kāi)采方式，露井聯(lián)合開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，各種影響因素相互疊加干擾，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)。盡管邊坡穩(wěn)定性研究工作已開(kāi)展近200 a，但受限于開(kāi)采條件，外國(guó)學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題的研究[1]很少；上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用模型試驗(yàn)[2，3]、數(shù)值模擬[4，5]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[6]或綜合手段[7-14]研究露天礦邊坡巖體移動(dòng)規(guī)律和變形過(guò)程、開(kāi)采順序優(yōu)化及警戒煤柱寬度等問(wèn)題。孫世國(guó)等[7]系統(tǒng)探討了露井聯(lián)采條件下邊坡巖體的滑移機(jī)制，由其推導(dǎo)得出了邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式，但由于引入了一很難準(zhǔn)確獲得的中間未知量——巖體的變形參量，目前很少采用這一計(jì)算方法。王東等[11]將露井聯(lián)采逆傾邊坡的破壞模式劃分為3種類(lèi)型，據(jù)此提出了露井聯(lián)采逆傾邊坡穩(wěn)定性的極限平衡法，但同樣由于很難獲得邊坡巖體的殘余強(qiáng)度值，該方法也沒(méi)有得到推廣使用。更為嚴(yán)重的是，由于露天礦不能人為選址，常常會(huì)遇到斷層、弱層等不良地質(zhì)構(gòu)造，使得原本受到復(fù)合采動(dòng)影響下的邊坡巖移規(guī)律與滑移機(jī)制問(wèn)題更為復(fù)雜。

總體上看，相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地體現(xiàn)復(fù)雜條件下巖體的變形與移動(dòng)規(guī)律，為此，本項(xiàng)目基于該手段對(duì)露井聯(lián)采含斷層逆傾邊坡巖移規(guī)律進(jìn)行研究，以揭示地下開(kāi)采對(duì)露天礦邊坡巖體變形及穩(wěn)定性的影響，并將研究成果用于指導(dǎo)露天礦安全開(kāi)采。

1　邊坡工程地質(zhì)條件

平莊西露天煤礦經(jīng)50余a回采，頂幫邊坡基本到界。受經(jīng)濟(jì)合理剝采比限制，由露天轉(zhuǎn)為地下回采，其中1#和2#煤為主要可采煤層，隨工作面推進(jìn)采空區(qū)頂板垮落，造成露天礦邊坡出現(xiàn)不同程度的拉伸裂縫和沉降變形區(qū)，甚至有部分邊坡巖體發(fā)生滑移，很可能威脅到邊坡穩(wěn)定性。頂幫邊坡主要由散體狀玄武巖、新近系沉積巖、白堊系沉積巖、輝綠巖和煤構(gòu)成，煤層傾角5°～20°、累計(jì)厚50～60 m。新近系沉積巖發(fā)育4個(gè)弱層，編號(hào)分別為C、B、A4和A，將巖體分割成厚薄不等的層狀結(jié)構(gòu)。邊坡內(nèi)部存在影響邊坡穩(wěn)定性的2條大型正斷層F1、F3，與邊坡傾向基本相同。典型剖面的到界邊坡形態(tài)及地層、構(gòu)造分布見(jiàn)圖1。

2　相似材料模擬的構(gòu)建

2.1　模型的制作

模型構(gòu)建時(shí)嚴(yán)格遵守幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似等相似準(zhǔn)則，各相似常數(shù)間應(yīng)滿足關(guān)系式（1）：

2.2　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采情況，試驗(yàn)分3個(gè)階段：第1階段，自露天—井工2#煤分界處開(kāi)切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進(jìn)；第2階段，自露天—井工1#煤上分層分界處開(kāi)切眼，回采工作面朝F1斷層方向推進(jìn)；第3階段，按照露天礦2006年、2007年、2008年和最終境界4個(gè)工程位置逐步進(jìn)行露天開(kāi)采。模擬模型的邊界條件為自重加載，拆模后的模型（見(jiàn)圖2（a））。為掌握開(kāi)采過(guò)程中的巖移規(guī)律，共布置27個(gè)測(cè)點(diǎn)，在+668 m、+608 m、+548 m和+488 m形成4條水平測(cè)線，同時(shí)以五家四井停采線為界，在邊坡臨空及背向方向各形成3條和6條縱向測(cè)線（見(jiàn)圖2（b））。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　露井聯(lián)采過(guò)程中覆巖及地表移動(dòng)特征

圖3所示為試驗(yàn)獲得的2#煤工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板巖移規(guī)律。工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)至68 m時(shí)，工作面大采空區(qū)范圍內(nèi)基本頂砂巖破斷、發(fā)生初次垮落，基本頂上部巖石分層間出現(xiàn)微小離層，如圖3（a）推進(jìn)至104 m時(shí)，基本頂砂巖第一次周期垮落，此時(shí)頂板上方堅(jiān)硬巖層輝綠巖出現(xiàn)離層，隨基本頂砂巖冒落，輝綠巖巖層出現(xiàn)垮落，見(jiàn)圖3（b）所示。推進(jìn)至146 m時(shí)，基本頂砂巖第二次周期垮落，離層繼續(xù)向上發(fā)展，老頂失穩(wěn)破斷、巖層垮落，見(jiàn)圖3（c）所示。推進(jìn)至214 m時(shí)，基本頂砂巖第三次周期垮落，采空區(qū)前方首先出現(xiàn)跨距為32 m的基本頂砂巖垮落，隨后工作面后方出現(xiàn)跨距為36 m的基本頂砂巖垮落，見(jiàn)圖3（d）所示。推進(jìn)至242 m時(shí)，基本頂砂巖第四次周期垮落，同時(shí)老頂出現(xiàn)大范圍垮落，見(jiàn)圖3（e）所示。推進(jìn)至284 m時(shí)，基本頂砂巖第五次周期垮落，同時(shí)老頂出現(xiàn)大范圍垮落，見(jiàn)圖3（f）所示。隨工作面的推進(jìn)，覆巖的運(yùn)動(dòng)與破壞以及工作面的來(lái)壓將重復(fù)上面的過(guò)程，并形成一定的來(lái)壓規(guī)律，由模擬試驗(yàn)得到基本頂周期來(lái)壓步距為32～36 m，老頂周期來(lái)壓步距為78～96 m，煤層頂板砂巖上方輝綠巖的存在是頂板來(lái)壓步距較大的主要原因。

地下回采1#煤上分層過(guò)程中，推進(jìn)頂板巖層基本上隨工作面隨采隨冒，周期性垮落步距為10～14 m。工作面推進(jìn)至225 m時(shí)，覆巖離層發(fā)育到地表，形成塌陷。各測(cè)點(diǎn)均下沉，其中位于采空區(qū)較近的I4和I5測(cè)點(diǎn)下沉量最大為24 m，II4、III4、IV4這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的下沉量依次為20 m、18 m和16 m，表明越接近采空區(qū)，巖體下沉越明顯。工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角形巖體沿?cái)鄬用姘l(fā)生下滑，如圖4所示。顯然，1#、2#煤回采后，采空區(qū)上方巖層達(dá)到了充分采動(dòng)，據(jù)此可測(cè)得開(kāi)切眼、工作面的巖層充分采動(dòng)角分別為76°和62°。另外，可參照文獻(xiàn)[15]計(jì)算得出開(kāi)切眼、工作面的邊界角分別為60°和55°。

圖5所示為露天回采過(guò)程中邊坡巖移情況，根據(jù)該階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)切眼巖層垮落線外側(cè)+584m標(biāo)高以上巖體向邊坡臨空面發(fā)生了一定位移。

3.2　地下開(kāi)采對(duì)露天礦邊坡變形與穩(wěn)定性的影響分析

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，露井聯(lián)采結(jié)束一段時(shí)間后，測(cè)點(diǎn)I1、I2、I3、II1、II2、II3、III1、III2、III3、IV1、IV2、IV3向左下方移動(dòng)，測(cè)點(diǎn)III5、III6向露天坑方向產(chǎn)生明顯位移，表明工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角巖體沿?cái)鄬用姘l(fā)生下滑，對(duì)左側(cè)邊坡巖體施加了一個(gè)水平推力作用，使得該部分巖體的強(qiáng)度降低，從而引起邊坡穩(wěn)定性下降，同時(shí)導(dǎo)致沉陷坑下方巖體受到側(cè)向擠壓而發(fā)生破壞，如圖6所示。

4　結(jié)論

（1）地下回采2#煤過(guò)程中，基本頂初次垮落步距為68 m，基本頂周期來(lái)壓步距為32～36 m，老頂周期來(lái)壓步距為78～96 m；煤層頂板砂巖上方輝綠巖的存在是頂板來(lái)壓步距較大的主要原因。

（2）隨工作面沿1#煤上分層推進(jìn)過(guò)程中，頂板周期垮落步距為10～14 m；推進(jìn)至225 m時(shí)，離層區(qū)發(fā)育至地表，形成沉陷坑。

（3）井工回采后，煤層開(kāi)切眼，工作面的充分采動(dòng)角分別為76°和62°，對(duì)應(yīng)邊界角為60°和55°，據(jù)此圈定了地下開(kāi)采形成的壓縮、拉伸變形區(qū)以及塌陷范圍。

（4）充分采動(dòng)后，工作面巖層垮落線與F1斷層相交形成的倒三角巖體沿?cái)鄬用姘l(fā)生下滑，導(dǎo)致沉陷坑下方巖體受到側(cè)向擠壓而發(fā)生破壞，同時(shí)對(duì)+608 m以上巖體變形與穩(wěn)定性造成一定影響。