露天煤矿边坡下井采工作面推进方向优化研究

丁鑫品，李绍臣，李 伟，艾 畅，周 游

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013)

平朔矿区地质构造简单，煤层平稳，近水平，埋藏浅，适宜于大规模的露天开采，是我国典型的浅埋深、薄基岩、“双硬”大型露天矿区。由于单一露天开采方式，造成了端帮下煤炭资源的积压和浪费。为了提高开采效率，最大限度地回采煤炭资源，平朔公司于2002年在安太堡露天矿和安家岭露天矿之间建设了二号井工矿，率先在全国范围内成功实现了由单一露天开采方式向露井协调开采方式的转变。

露井平面协采不同于露井联采，后者是倾斜或急倾斜煤层条件下，浅部采用露天开采，深部采用井工开采的上下部联合开采模式;平朔矿区的平面露井协采问题，实质是煤层近水平条件下利用井工开采方式回收露天矿端帮煤柱的问题，因为存在相互影响，露天和井工两种开采方式之间更多的是一种平面上的协调。

处于两个露天矿之间的井工二矿，主采4号和9号煤层，工作面南北并排布置，由北向南推进，双巷掘进，倾斜长壁综合机械化放顶煤开采，自然垮落法管理顶板。井采工作面开切眼位置位于安太堡露天矿南端帮下部，停采线位置位于安家岭露天矿北端帮下部，对于安太堡矿南端帮边坡来说，井采工作面朝着远离边坡面的方向推进，称其为“逆坡开采”，对于安家岭矿北端帮边坡来说，井采工作面朝着靠近边坡面的方向推进，称其为“顺坡开采”。这两种情况下，采动边坡的变形破坏规律是否具有差异性?在回收煤炭资源和保证边坡稳定方面谁更具优越性?平面露井协采条件下井采工作面推进方向如何优化等问题具有重要的研究价值。

1 平面露井协采下采动边坡的变形破坏机理

以平朔矿区露井协采区域某地质剖面为研究对象，建立工程地质分析模型，采用相似材料模拟实验和数值分析的方法对露井协采边坡的变形破坏机理展开研究，研究模型见图1所示。

井采工作面顺坡开采和逆坡开采的典型相似材料模拟实验照片见图2所示，图中S表示位移，F分表示某一岩梁施加给边坡岩体的力。

如果以井采工作面煤壁煤层顶板位置为基点，依据岩层移动角和采空区垮落角绘制采空区移动边界和垮落边界，按照位移情况可以将采动边坡上覆岩土体划分为A，B，C三个区域。C区是位于垮落边界内的岩体，井采后主要表现为竖直方向的沉降，水平位移量较小;B区是位于垮落边界和移动边界内的岩体，井采后由于C区岩体垮落而失去侧向支撑作用，表现为朝向采空区方向一定程度的水平位移和一定程度的竖向沉降;A区是位于移动边界外的岩体，一般情况不受井采影响，水平和竖直位移特征不明显。顺坡开采和逆坡开采过程中边坡附近岩体变形破坏分区见图3所示。

图1 露井协采边坡变形破坏机理研究模型

图2 平面露井协采条件下采动边坡的变形破坏特征

根据相似材料模拟实验结果，采动边坡变形破坏机理可以表述为:在井采工作面推进过程中，边坡上部岩体因失去下部支撑而发生下沉，由于岩层的抗拉强度较小，在垮落边界位置，基本顶岩梁先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中间底部破断，随着岩块的转动形成强大的水平挤压力F分，该F分的合力F是边坡上部平盘朝向临空面方向移动的源动力，当该力大小超过某岩层接触面的抗滑力时，该接触面上部岩体将作为整体发生朝向临空面的滑动，产生这种推动力的结构即为基本顶的“砌体梁”结构。

图3 平面露井协采条件下采动边坡附近岩体变形破坏分区

为了深入了解采空区垮落裂缝位置岩梁铰接点的水平应力特征，在边坡1330台阶岩体内布置3个水平应力监测点，编号分别为1330－1，1330－2和1330－3。数值分析结果表明:井采工作面逆坡开采条件下，在上覆岩层发生初次破断的瞬间，各监测点的水平压应力有明显减小的现象，随着工作面继续推进，压应力又逐渐增大，当积聚到一定程度时，由于1330台阶发生朝向边坡临空面的整体移动，应力突然释放，最终水平应力远小于原岩应力 (图4)，从而进一步说明了破断岩梁铰接结构产生的推力是促使采动边坡上部平盘发生水平移动的根本原因。

图4 井采工作面推进过程中+1330台阶各监测点水平应力变化曲线

2 2种开采条件下边坡变形破坏的差异性

2.1 边坡岩体变形破坏范围

已有文献资料表明［1－3］:在露井协采条件下，井采工作面无论顺坡开采还是逆坡开采，工作面煤壁侧垮落角均小于开切眼侧垮落角，本次实验重复验证了上述现象，两者相差约为7～9°，分析原因为采空区上方岩梁结构的破断机制不同所致，开切眼侧垮落角源于采空区上覆岩体的固支梁结构破断，工作面煤壁侧垮落角源于采空区上覆岩体的悬臂梁结构破断。图5(a)中α1和β1分别为顺坡开采条件下工作面煤壁侧和开切眼侧的垮落角，α2和β2分别为逆坡开采条件下工作面煤壁侧和开切眼侧的垮落角。也就是说，在井采工作面开切眼或停采线位置相同的情况下，逆坡开采对边坡上部平盘的影响范围要大于顺坡开采的相应情况，即在边坡上部平盘变形破坏范围相同的情况下，顺坡开采可以比逆坡开采多回收长度为L的煤柱，经济效益显著，见图5(b)。

图5 井采工作面推进方向对边坡变形破坏范围的影响

2.2 边坡各平盘位移变化特征

相似材料模拟实验 (相似材料模拟实验相似比为1∶200)结果表明:顺坡开采条件下，伴随工作面煤壁位置岩梁铰接的不断向前移动，边坡岩体内部的水平推力F不断向前传递，当工作面煤壁至边坡临空面的水平距离减小到一定程度时，上部平盘才逐渐发生朝向临空面的移动，见图6(a)和图6(c);逆坡开采条件下，上述现象在采动裂隙发展至地表时就已经产生，边坡上部平盘变形移动量在短期内达到最大，同时，这种情况下边坡上部平盘沉降范围较广，沉降量较大，见图6(b)和图6(d)。分析产生以上现象的原因:井采工作面开切眼位置区域上覆岩梁破断可简化为固支梁结构破断，停采线位置区域上覆岩梁破断可简化为悬臂梁结构破断，通过比较可知，逆坡开采条件下边坡上覆岩梁旋转角度较大 (图2)，基于关键岩梁的变形失稳理论［4］，促使边坡上部平盘水平移动的力F与旋转角成正比，因此，在边坡下部隔离煤柱尺寸一定时，逆坡开采对边坡上部平盘变形移动影响程度较大，不利于边坡稳定。

图6 井采工作面推进方向对边坡上部平盘变形移动的影响

2.3 边坡岩体水平应力分布特征

在边坡下部隔离煤柱尺寸一定时，井采工作面逆坡开采和顺坡开采条件下边坡岩体水平应力等值线见图7所示。

由图7可以看出，井采工作面回采过程中，在采空区前、后煤壁位置正上方2个位置区域产生了水平应力集中，通过与相似材料模拟实验现象对比可知，破断岩梁的铰接结构是以上位置水平应力集中的根本原因。顺坡开采条件下边坡体内部水平应力最大值约3MPa，而在逆坡开采条件下该值约为9MPa，后者水平应力集中程度明显较大，从侧面解释了逆坡开采对边坡上部平盘变形移动影响程度较大的现象。

图7 井采工作面推进过程中边坡岩体水平应力等值线图

2.4 边坡稳定性对比分析

为了定量研究类似条件下顺坡开采和逆坡开采边坡变形破坏的差异性，以上述工程地质剖面为研究对象，建立稳定分析模型，采用极限平衡法对边坡稳定性进行了验算，验算过程中所需岩土体抗剪强度参数根据Hoek－Brown经验强度准则获得，以垮落裂缝为分界面，采空区垮落裂缝内侧岩土体采用受井采扰动的岩土体强度参数，垮落裂缝外侧岩土体采用未受井采扰动的岩土体强度参数，计算所需主要参数及计算结果如表1所示。

表1 顺坡开采和逆坡开采边坡稳定性对比分析

计算结果表明，在露井协采边界参数相同时，顺坡开采时露天矿边坡的稳定系数要明显大于逆坡开采时的相应情况，顺坡开采方式在进一步缩小露井协采边界参数、保证边坡稳定方面更具优势。

3 结论

(1)井采影响下，促使边坡上部平盘发生朝向临空面方向水平错动的力是由边坡正下方关键岩层的“砌体梁结构”提供的。

(2)顺坡开采或逆坡开采条件下，由于采空区上覆岩梁的破断机制不同所致，露井协采边坡变形破坏特征存在明显差异，主要表现在边坡岩体变形破坏范围、边坡上部平盘位移特征和边坡岩体水平应力分布特征等多个方面。

(3)通过对比分析，在平朔矿区类似地质条件和采矿条件下，当边坡下部隔离煤柱一定时，顺坡开采方式在保证边坡稳定方面更为有利，而在对边坡稳定影响程度一定的情况下，顺坡开采方式可进一步提高资源采出率，建议优先考虑。

［1］朱建明，等.露井联采技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［2］吴剑平，朱建明，成新元.露井联采下边界参数优化的相似材料模拟研究［J］.中国矿业，2008，17(9):79－82.

［3］朱建明，刘宪汉，吴剑平，等.露井联采下边坡稳定性的相似模拟研究［J］.工程地质学报，2009，2(17):206－211.

［4］钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003．