黑岱溝露天礦邊幫壓煤回采圍巖穩定性及控制技術研究

李 嵐，李 昕，關 眾

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天礦邊幫壓煤的井工回采會對露天礦邊坡的穩定性產生影響，甚至導致邊坡失穩，影響露天礦的正常生產運營[1-3]。目前，對于露天礦邊幫壓煤實施井工回采時采動影響下邊幫圍巖穩定性及控制技術的研究較少。為有效保障黑岱溝露天礦邊幫壓煤實施井工回采時工作面的安全，防止采動應力降低邊幫圍巖穩定性，結合露天礦邊幫壓煤區煤層和圍巖賦存條件，對采動影響下邊幫圍巖穩定性及控制技術進行研究[4-6]。

1 邊幫圍巖穩定性分析

1.1 邊幫壓煤區圍巖概況

黑岱溝煤礦邊幫壓煤區主要回采6#復合煤層，煤層平均厚度30.42 m，埋深50～150 m；預采用全厚綜采放頂煤采煤方法對其進行回采。6#復合煤層頂板巖性變化較大，以黏土巖、泥巖為主，也有砂巖或粗粒砂巖，底板一般為泥巖、粉砂巖。煤層結構十分復雜，夾矸多達20 多層，夾矸巖性為黏土巖或泥巖、炭泥巖。煤巖力學試驗成果如下：

1）5#煤頂板黃砂巖。含水率0.6%，抗壓強度31.92 MPa，抗拉強度2.01 MPa，彈性模量3 030.5 MPa。

2）5#煤頂板黃砂巖(吸水軟化)。含水率6.35%，抗壓強度18.71 MPa，彈性模量2838.0 MPa。

3）6#煤頂板黃砂巖。含水率1.03%，抗壓強度25.41 MPa，抗拉強度1.09 MPa，內摩擦角34.6°，黏聚力2.69 MPa，彈性模量2 523.7 MPa，泊松比0.35。

4）6#煤頂板黃砂巖(吸水軟化)。含水率5.38%，抗壓強度11.85 MPa，彈性模量2 493.8 MPa。

5）6#煤夾矸。含水率0.6%，抗壓強度23.24 MPa，抗拉強度1.64 MPa，彈性模量3 744.3 MPa。

6）6#煤。含水率2.14%，抗壓強度12.28 MPa，抗拉強度0.83 MPa，內摩擦角32.3°，黏聚力2.15 MPa，彈性模量1 544.8 MPa，泊松比0.23。

7）6#煤底板泥巖。含水率1.0%，抗壓強度29.87 MPa，抗拉強度1.73 MPa，彈性模量3034.5 MPa。

8）排土場排棄物。內摩擦角為35.1°，黏聚力為2.65 kPa。

1.2 邊幫穩定性現狀分析

首采區南幫隨著首采區工作面的推進，與鄰近露天煤礦排土場形成了排土場-端幫復合邊坡。選取了4 個有代表性的剖面：南幫剖面1（SCQ-1）、南幫剖面2（SCQ-2）、南幫剖面3（SCQ-3）、南幫剖面4（SCQ-4）；采取了M-P 法、Bishop 法2 種計算方法對邊幫在自然狀態下局部、整體穩定性分別進行了計算分析，首采區現狀邊幫穩定性分析結果見表1。

表1 首采區現狀邊幫穩定性分析結果

從表1 中可以看出，目前，首采區南幫基本符合臨時邊幫Fs＞1.10 的要求，其中對邊幫煤回采起直接影響作用的臺階1 圍巖安全系數均大于1.10，穩定性較好。局部區域臺階1 之上的臺階2 和臺階4 安全系數小于1.10，如：SCQ-1 剖面臺階4 計算所得安全系數為0.96，SCQ-3 剖面臺階2 計算所得安全系數為1.00，安全系數較小的原因是：SCQ-1 剖面臺階4 單臺階坡面角為47°，單臺階高度為33 m；SCQ-3剖面臺階2 為組合臺階，整體坡面角為40°，局部最陡區域達到64°，單臺階高度為35 m。安全系數較小區域均位于原排土場上，排棄物抗剪強度較低，對邊幫穩定不利。雖然臺階2 及臺階4 距離工作面機尾較遠，為保障邊幫煤的安全回采，南邊幫開采期間需要對邊幫圍巖活動進行實時監測。

1.3 采動對邊幫圍巖穩定性的影響

該露天礦邊幫煤回采厚度較大（平均煤層厚度30.42 m），因此開采期間，頂板垮落帶范圍較大，煤層開采厚度按20.7 m（回收率68%）計算，垮落帶按3 倍采高計算，則垮落帶范圍高達62.1 m。南幫壓煤開采區直接影響安全開采的臺階1 覆巖高度約在50～60 m，均處于垮落帶內，因此，該范圍內存在巖梁鉸接結構傳遞推力影響的可能性較小。

邊幫圍巖在采動影響下具有一定的穩定性，但為保障邊幫壓煤區的安全高效回采，回采期間需在進行邊幫實時監測的基礎上，通過控制頂煤放出率來實現對采動邊幫上部巖土體運移規律的控制，從而保證采動邊幫的穩定。即在垂直于邊幫走向方向上，臨近邊幫臨空面的區域時根據實際情況減小頂煤放出量或只采不放，在遠離邊幫臨空面的區域適當增大頂煤放出量，盡量保證采空區周圍邊幫巖土體朝向遠離邊幫臨空面的方向運動。

1.4 爆破震動對采動邊幫穩定影響

在露天礦邊幫壓煤回采條件下，由于受到2 種采動效應的疊加影響，邊幫巖體的完整性和強度明顯降低，在這種條件下，各種誘發因素的共同作用，使邊幫發生滑移的可能性顯著增大，而爆破以其對附近邊幫的強烈震動作用，無疑在滑坡事故發生的過程中扮演著推波助瀾的角色。

借鑒國內安太堡露天礦南端幫露井協同開采實踐可知[7]，爆破震動對邊幫穩定的影響作用不大，但采動邊幫始終處于比較復雜的應力和位移狀態中，因此，南邊幫開采過程中，需在實時監測基礎上，采取針對性的控制爆破措施，主要包括：爆破孔布置、炸藥量控制、爆源控制等措施。

2 邊幫圍巖穩定性控制技術

2.1 整體邊幫掛網護坡

南幫工作面開采時，為保障邊幫圍巖穩定性，對南幫L 型工作面邊幫進行整體掛網護坡。南幫工作面邊幫整體掛網護坡示意圖如圖1。

圖1 南幫工作面邊幫整體掛網護坡示意圖

護坡段沿走向690 m，護坡高度55 m，采用GPS2 型DO/08/300 柔性網（直徑為8 mm 的鋼絲繩編制成的網孔尺寸為300 mm×300 mm 的鋼繩菱形網），縱向支撐繩為φ16 mm 鋼絲繩，橫向支撐繩為φ16 mm 鋼絲繩，縫合繩為φ8 mm 鋼絲繩。

具體實施方案：縱橫交錯的φ16 mm 縱向支撐繩和φ16 mm 橫向支撐繩與4.5 m ×4.5 m 正方形模式布置的錨桿相聯結進行預張拉，支撐繩構成的每個4.5 m×4.5 m 網格內鋪設1 張D0/08/300/4×4 m型鋼繩網，每張鋼絲繩網與四周支撐繩間用縫合繩縫合連結并拉緊，這對坡面施以一定的法向預緊壓力，從而提高表層巖土體的穩定性，有效阻止崩塌落石的發生，并將小部分落石限制在一定的空間內運動，同時，在鋼繩網下鋪設S0/2.2/50 型格柵網，以阻止小尺寸巖塊的塌落。錨桿規格：長度3 m，拉拔力不低于80 kN。

2.2 局部破碎及不穩定邊幫進行錨網加固

南幫工作面邊幫圍巖支護方案示意圖如圖2。

圖2 南幫工作面邊幫圍巖支護方案示意圖

根據邊幫穩定性計算分析，結合其他礦區邊幫治理實踐，在局部破碎及不穩定邊幫確定如下圍巖控制方案：鉆孔孔徑90 mm，每孔安裝3 根φ15.24 mm 錨索；錨索采用φ15.24 mm、1×7 預應力鋼絞線，垂直于邊幫布置，錨索間排距為6 m×2.5 m，豎向錨索9 排，間距6 m，從上往下前5 排錨索長度為30 m，后4 排錨索長度20 m，全長錨固；錨索注漿采用P.C32.5 級水泥配制純水泥漿，水灰比0.35～0.40；鋼筋網采用6.2 m×2.7 m，直徑為5 mm 的鋼網，網格200 mm×200 mm；拉力400 kN。

3 邊幫圍巖動態監測

3.1 邊幫圍巖動態活動三維激光掃描動態監測

利用三維激光掃描儀對工作面回采期間邊幫圍巖形變進行實時動態監測，經過對采集數據結果分析總結滑坡范圍的完整變形信息，然后通過不同時期對比、分析，從而掌握滑坡體的整體變形規律。根據監測分析進行實時針對性及時處理，防止邊幫圍巖大面積滑坡現象。

1）儀器設備技術參數。儀器測距長度達3 000 m，并配套使用高清晰的內置數碼相機，掃描最大精度達4 mm，定位精度達8 mm，采樣點速率大于10 000點/s，激光級別為III，儀器質量14 kg。

2）測站布設原則。測站布設主要分為測站位置選取和標靶創建。經過現場勘查后，明確目標周圍環境和掃描范圍后，根據掃描目標的大小、形狀、位置和其它需要注意的相關屬性后，最終確定掃描儀架設位置和架設次數，并明確作為控制點的標靶位置和個數。測站布設原則為：①使得掃描儀所架設的各個測站可以掃描到目標區域的的全部范圍；②架設最少的測站數獲取最多的掃描數據，減少不同幅數據的拼接誤差和數據總量；③不同幅數據之間必須至少有3 個同名控制點，通過強制符合確定兩幅數據拼接所必需的7 個自由度，最終將不同幅數據歸化到統一的儀器坐標系下。

3）測站布設方案。在南幫測站區，連續進行邊幫圍巖的三維激光掃描，平均每周進行1 次，每次每測站掃描的兩幅數據拼接在一起構成1 期數據。雖然南幫測區范圍較小，但是由于地面三維激光掃描儀很難從1 個測站就可以完成對該區域所有掃描，因此，需要2 個已知測站來采集監測區域所有數據。南幫邊幫煤掃描測站共計布置2 個，距離邊幫300 m，間距300 m。

3.2 邊幫圍巖活動地音動態監測

利用ARES-5/E 地音監測系統儀對工作面回采期間邊幫圍巖裂隙擴展及破斷進行實時動態監測，從而掌握滑坡體的整體破斷規律[8]。根據監測分析進行針對性實時處理，防止邊幫圍巖大面積滑坡。地音監測系統探頭布置圖如圖3。

圖3 地音監測系統探頭布置圖

在南幫工作面回風巷側邊幫上布置8 個監測分站（8 個監測探頭），來實現對工作面回采過程中支架前方及后方邊幫圍巖裂隙擴展及破斷實時動態監測，掌握滑坡體的整體破斷規律。

每個測站內分別布置1 個探頭，共16 個探頭，探測工作面前方800 m，后方50 m 范圍內邊幫圍巖的破斷規律。其中超前工作面50～800 m 位置處，分別在煤體上方35、70 m 處巖層各設置1 個探頭；滯后工作面20 m 位置處，在煤體上方35、70 m 處巖層各設置1 個探頭。

4 結語

1）通過對邊幫圍巖穩定性現狀、開采對邊幫圍巖影響和爆破震動對采動邊幫穩定影響的分析，得出黑岱溝露天礦邊幫壓煤的回采對邊幫圍巖的影響不大。

2）在采取整體邊幫掛網護坡和局部破碎及不穩定邊幫進行錨網加固的邊幫圍巖穩定性控制技術基礎上，利用三維激光掃描及地音監測系統分別對工作面回采期間邊幫圍巖的動態活動進行實時動態監測，根據監測分析進行實時針對性處理，可以有效防止邊幫圍巖滑坡。