露天矿高陡边坡沿工作面走向围岩力学特征及上覆岩层运动研究

王俊峰，陈 娟

1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部，北京 100083

2.中国专利技术开发公司，北京 100083

1 概况

从20 世纪70 年代以来，很多露天开采的矿山都面临着一个共同的问题，即随着露天开采的延伸，剥离费用不断增加，所形成的高陡边坡将给矿山带来严重威胁，造成露天开采成本不断增加，多座露天矿相继开始转入地下开采阶段，如：凤凰山铜矿，铜官山铁矿等[1]。

抚顺西露天矿是多年风化的岩质边坡，岩体由岩块和一系列的不连续面组成的，这些不连续面包括：断面、节理裂隙和软弱夹层等，而岩体的强度取决于岩体强度、不连续面的分布形态和力学特征。在大多数情况下，不连续面的变形能力是岩块的几个数量级。因此，在研究时忽略岩块的变形，把岩块视为刚体，去研究受不同力学性质的不连续面控制的岩体运动规律，在本次研究中主要用到离散单元法，应用软件为UDEC2D3.10。

西露天矿北帮的地质构造特征主要有褶曲构造、断层构造和节理构造，构成北帮的始新世地层都具有相似的节理破坏类型，其层理和两组较发育的节理通常都呈直立[2]。

2 沿工作面走向开挖的动态过程模拟

2.1 模拟方案

数值模拟软件为UDEC2D3.10[3]。设计的计算模型如图1 所示（黑色体为煤）。模型的走向长度600 m ，垂直高度300 m，开采深度－280 m。煤层假设为水平煤层，厚度40 m。距煤层底板80 m 处是40 m 厚的油母页岩，其上部为厚160 m至20 m 不等的回填材料，材料的力学性能见表1。

图1 沿工作面走向岩层分布示意图

表1 模拟结果

本次模拟采用采放高为20 m 的方案，模拟开挖长度为200 m ，开挖推进步距为10m。

2.2.1 位移场特征

1）监测线上的位移特征

模型从开切眼（W1000 处）自西向东开始推进，分别在－220 m 标高煤层顶面、－180 m 标高油母页岩顶面、－160 m 标高回填材料中设置了三条监测线，分别监测竖向下沉位移。每条监测线上取60 个监测点，对应三条监测线下沉曲线如图所示。

图2 标高-220m 监测线位移下沉变化曲线

图3 标高-180m 监测线位移下沉变化曲线

由图2 可知：当工作面沿开采方向推进100 m 时，上覆煤层下沉位移发生明显增加，由推进到90 m 时1.61 m 的下沉量增加到3.40 m ，煤层发生破断。当推进至140 m 时，位移下沉量由130 m 处的5.07 m 增加到7.24 m ，上覆煤层发生周期破断。工作面继续推进到180 m ，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，达到0.5 m。

由图3 可知，初次破断、第一次周期破断和第二次周期破断仍然分别发生在工作面推进至100 m、140 m、180 m 处。值得注意的是，位移下沉量较－220 m 标高监测线上的位移下沉量有所减小。当工作面沿开采方向推进100 m 时，上覆煤层位移下沉量发生明显增加，由推进到90m 下沉1.13 m 增加到下沉2.30 m ，煤层发生初次破断。当推进至140 m 时，位移下沉量由130 m 处的2.95 m 增加到4.41 m ，上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180 m ，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，最大达到0.9 m。最大竖向位移下沉量由11 m 减小到5.98 m。这也说明：油母页岩强度大，有效控制了开采扰动引起竖向位移的向上传递。

图4 标高－160m 监测线位移下沉变化曲线

从图4 可知，当工作面沿开采方向推进100 m 时，上覆煤层位移下沉量发生明显增加，由推进到90 m 下沉0.88 m增加到下沉1.81 m ，煤层发生初次破断。当推进至140 m 时，位移下沉量由130 m 处的2.49 m 增加到3.29 m ，上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180 m ，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，最大达到0.75 m。回填材料与油母页岩和煤层同步协调变形。油母页岩顶面的最大下沉量减小为4.5 m。

2）上层覆岩的变形特征

模型从开切眼（W1000 m 处）开始推进，推进步距为10 m。当工作面推进到70 m 时，采空区顶板弯曲下沉较为明显，采空区直接顶在重力应力场及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动缓沉带和弯曲、断裂直至垮落，但老顶未发生破断。当工作面推进到100 m 时，岩层局部破坏与冒落，顶板的弯曲下沉更为明显。老顶以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向运动，产生断裂、离层。裂隙带由于岩层运动引起采场周围岩体内的应力重新分布，成层状弯曲岩层的下沉，使垮落破碎的岩块逐渐被压实。当工作面推进至140 m 和180 m 时，破断连续发生，并伴随冒落。当开采范围足够大时，成层状弯曲岩层将传至地表，在地表形成引起地表沉陷变形盆地。

2.2.2 上层覆岩的应力场特征

从工作面开切眼开始，采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。当工作面推进30 m 时，扰动影响的范围不大，此时除局部应力重分布以外，对上覆岩层影响不大。当工作面推进70 m 时，顶板围岩发生破坏，形成围岩松动区，此时的围岩应力显示出层状拱形结构，拱高大约为33 m ，上覆岩层的荷载通过拱形结构传递到采空区两帮。当工作面推进100 m 时，由于顶板发生了破断，说明直接顶已经发生冒落并在较小范围内形成拱形“小结构”。但此时在上层覆岩弯曲带中仍然存在一个拱形“大结构”传递上覆岩层荷载，从而形成围岩的自平衡结构。此时拱形大结构的拱高大约为65 m。工作面继续推进至140 m ，随着跨度的增加，拱内岩体的自重增加，单个拱形结构体无法承担上覆岩层荷载和自重，产生应力重分布形成了两个拱形小结构。影响上层覆岩范围分别达到60 m 和22 m。拱内岩体应力降低，并在重力作用下垮落形成垫层。当工作面推进到180 m 时，左侧的拱形结构体内垮落比较完全，影响到上层覆岩55m 范围，右侧拱形结构体应力处于重新调整中，并有逐步增加的趋势。

3 结论

通过对沿工作面走向的综放面及围岩的离散元分析，得出以下结论：

1）由不同监测线位移下沉曲线可知：当工作面推进到100 m、140 m、180 m 时，下沉量发生明显增加，说明上覆岩层在工作面推进过程中产生了破断；

2）上层覆岩的移动是非线形的，距顶板的距离越近，下沉量越大，其余监测点也出现整体下沉的现象。且各条监测点间存在一定程度的离层；

3）随着工作面的不断推进，覆岩运动范围逐渐扩大。采场上方的裂隙拱由小到大逐渐向上方岩层扩展，并呈现周期性跳跃发展；

4）从工作面开切眼开始，采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。并形成“拱形”的大结构和小结构以传递上层覆岩荷载和自重。拱内岩体在重力作用下垮落形成垫层。

[1]徐长佑.露天转地下开采[M].武汉：武汉工业大学出版社，1989，3.

[2]抚顺矿务局西露天矿北帮边坡稳定性研究[M].煤炭科学研究总院抚顺分院，1990，12.

[3]UDEC2D(3.10).User’s Manual Itasca Consulting Group Ind.Minnesota USA，1996.