井采影响下露天矿边坡岩层移动规律研究

王文军，史灵杰，武懋

（1中煤平朔集团有限公司东日升煤业有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集团有限公司设计研究中心，山西朔州036006）

井采影响下露天矿边坡岩层移动规律研究

王文军1，史灵杰2，武懋2

（1中煤平朔集团有限公司东日升煤业有限公司，山西朔州036006；2中煤平朔集团有限公司设计研究中心，山西朔州036006）

在研究了Ⅱ型露井协采端帮变形机理，井工二矿采动影响下安家岭露天矿边坡位移的变形规律，得出井工二矿采动影响下露天矿边坡位移呈现为典型边坡蠕动变形规律的结论。

露井协采；井采三带；边坡位移；蠕动变形

0 引言

中煤平朔矿区是我国重要的亿吨级煤炭生产基地，先后建立了安太堡露天矿、安家岭露天矿和东露天矿。近年来，为减少煤炭资源的浪费，在不适于露天开采区域实行露天井工联合开采的安全高效新模式，形成了中煤平朔集团有限公司独具特色的露天与井工联合开采模式。

在安家岭露天矿北部和安太堡露天矿南部之间的不采区建立了井工二矿。井工二矿工作面由北向南开采，开切眼位于安太堡露天矿南帮，停采线位于安家岭矿北帮下部。井工二矿29209工作面采掘至安家岭露天矿北帮下部时，安家岭露天矿北帮边坡连续出现片帮现象，并在1 330、1 280 m水平沿软弱夹层出现层位错动现象。通过边坡监测数据分析，边坡形成了明显的滑体，从而对露天矿边坡稳定性造成影响。因此，需要对井工矿在开采过程中对露天矿边坡沉陷变形区域、露井协采下露天矿边坡稳定性及井工矿合理停采线等问题进行研究。

1 露井联采模式简介

在同一矿区中存在露天矿与井工矿开采，如果二者空间距离介于开采相互影响范围内，即可认为其形成露井联采模式。而露井联采模式可按照露天矿与井工矿煤层空间赋存情况和开采时间先后顺序，从空间与时间相互结合上可划分为6种模型[1]。

1）按照煤层空间赋存情况，露井联采分为Ⅰ型露井联采和Ⅱ型露井联采：Ⅰ型露井联采，煤层为倾斜煤层，露天矿与井工矿不在同一水平面；Ⅱ型露井联采，煤层为近水平或缓倾煤层，露采与井采在同一水平面。

2）按照煤层开采顺序，露井联采分为以下3种类型：Ⅰ型为先期进行井工矿开采，后期进行露天矿开采，即井工矿转露天矿；Ⅱ型为先期进行露天矿开采，后期进行井工矿开采，即露天矿转井工矿；Ⅲ型为露天矿与井工矿同时开采，即露井协采。

3）通过空间上将露井联采分为Ⅰ型和Ⅱ型，从时间上将开采顺序分为3种类型，从而可以将露井联采分为6类模式，露井联采模型如图1所示。

图1 露井联采模型

中煤平朔集团有限公司安家岭矿区为近水平煤层，在同一水平开采；其中安家岭露天煤矿与井工二矿开采同时开采，按照上述标准安家岭矿区为近水平露井协采，即Ⅱ型露井协采模式。

2 Ⅱ型露井协采模端帮变形破坏机理

露天井工联合开采相互耦合干扰，井工采动中对露天矿边坡的影响主要为“井采三带”破坏了露天矿边坡岩体，不仅使原生裂隙开裂，产生新的导水裂隙带，致使边坡系统水文地质条件改变；同时还改变了边坡岩体结构状况，导致边坡岩体变形，使边坡岩体强度进一步降低，乃至引起边坡失稳。因此，需要从“井采三带”高度对边坡破坏规律进行研究。

2.1 露井协采端帮位移影响区域

井工矿工作面根据上覆岩层位移的不同可以划分为3部分（“三带”）：垮落带、裂隙带和缓沉带[2]。

1）垮落带。在推进方向上不能始终保持传递水平力的联系。

2）裂隙带。在采场推进过程中能够以“传递岩梁”的形式周期性断裂运动，在推进方向上能始终保持传递水平力的联系，该部分岩层也是内应力场的主要压力来源。

3）缓沉带。在采场推进很长一段距离后才会开始运动，其运动缓慢，缓沉带运动的最终结果是在地表形成沉降盆地。垮落带与裂隙带的全部岩层为采场需控岩层范围。

2.1.1 垮落带高度

垮落带高度一般为采高的2~3倍。即mz=（2～3）h。

2.1.2 裂隙带的高度

裂隙带的高度是随着采场的推进而逐渐扩展的。实践证明，裂隙带中对采场矿压显现有明显影响的1~2个下位岩梁厚度，也即老顶，厚度大约为采高的4~6倍。即mLX=（4～6）h。

平朔矿区主要开采4#、9#、11#煤层，井工二矿开采过程中对安家岭露天矿边坡的影响是沿软弱层向露天矿方向的位移。因此，在露天矿边坡附近主要研究近距离煤层开采时“井采三带”对露天矿边坡影响高度，尤其是组合煤层开采时裂隙带高度。平朔矿区煤层三带高度计算参数：4#煤均厚11 m，9#煤均厚12 m，层间距35 m；岩移角59°。

根据矿山压力与岩层控制理论，当层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度，上下煤层的垮落带高度重合。上煤层的裂隙带高度按该层的厚度计算，下煤层裂隙带最大高度按综合开采厚度计算，取其中标高最大值作为两层煤的裂隙带最大高度。

所以，4#煤和9#煤同时开采时垮落带高度：Mz=mz4+mz4=46～69 m

4#煤和9#煤同时开采时裂隙带高度：mLX=（4～6）h=44～66 m

即4#煤和9#煤同时开采时，取垮落带与裂隙带的最大值为上覆岩层破坏影响值，其影响最大为135 m，对应露天矿边坡主要影响区域为1 335 m水平左右。

2.2 露井协采端帮边坡破坏机理

单一露天矿开采时端帮边坡将应力向边坡临空面释放，从而引起边坡变形，这种变形可通过对边坡监测获得变化情况，并通过对数据分析可以确定露天矿边坡的变形情况及边坡滑动进行预测预报。

单一井工矿开采时，由于开采后形成地下巷道和采空区，破坏了岩体原来的应力平衡状态，形成新的应力场，使采空区上覆岩体产生移动。

Ⅱ型露井协采模式中露天矿端帮边坡受到露天矿开采和井工矿联合采动影响，两者之间的应力场的相互叠加、相互作用，井采影响下边坡岩体变形机制示意图如图2所示[3-6]。

图2 井采影响下边坡岩体变形机制示意图

3 安家岭露天矿雷达监测资料

当井工二矿29209工作面9#煤开采距离停采线200 m时，露天矿剥离至9#煤，井工二矿与安家岭露天矿开采处于同一水平。井工采动下，在地表1 410 m水平区域出现平行边坡走向的裂缝，边坡初期变形速率不超过10 mm/d，后期最大变形速率达到2.6 mm/h，边坡变形主要区间为1 280~1 375 m水平，其中1 330 m水平位移量最大；因此，29209工作面采动过程中，在地表1 410 m水平形成塌陷地裂缝，在1 280~1 375 m水平为工作面采动应力释放区域及边坡变形区域[7]。

当29211工作面开采9#煤时，该区域露天矿剥离至4#煤上部岩层。29211工作面靠近停采线时，井工矿采动对边坡变形影响较大，最大变形速度达到80 mm/d，当井工矿停止采动时露天边坡变形趋于平缓，位移速率趋于0，井工采动边坡影响1 330~ 1 400 m水平间，其位移在450～850 mm，其中1 360 m水平最大位移量达1.4 m，因此，井工采动对露天矿边坡影响较大，井工采动应力释放区域在1 330~1 400 m，其中1 360 m水平为主要应力释放区域。

通过对现场监测数据分析，井工二矿开采9#煤时，采动应力释放区域主要位于安家岭露天矿边坡1 280~1 375 m水平，与组合煤层开采下与裂隙带的影响水平相近。由于安家岭露天矿采深不同，边坡29209区间最大变形位置为1330，而29211区间最大变形位置为1360，而安家岭露天矿坑在井工二矿29209工作面对应区间较29211工作面对应区间采深增加30 m左右，边坡变形最大区域减低30 m。29209、20211工作面累计位移如图3、图4。

因此，安家岭露天矿边坡受井工二矿开采“三带”影响，主要为裂隙带区域。安家岭露天矿边坡变形区域与井工二矿工作面之间的距离呈现比例关系，距离越近边坡变形速率及位移增加越快；而安家岭露天矿边坡变形同时受到矿坑采深的影响，露天矿边坡变形区域随采深增加而向下延伸。

图3 29209工作面累计位移

图4 29211工作面累计位移

4 Ⅱ型露井协采数值研究

应用有限元方法与离散元方法进行结合的方法，模拟研究物体由连续体到非连续体的渐进破坏过程。建立安家岭露天矿与井工二矿9#煤工作面开采时空模型，用于研究Ⅱ型露井协采数值模型在井工矿不同停采位置时上覆岩层位移规律变形情况以及井工矿合理停采线位置，数值研究模型及边坡位移监测点布置如图5，水平位移计算结果如图6。

图5 Ⅱ型露井协采剖面模型及监测点布置

通过模拟井工二矿工作面推进过程，得出井采上覆岩层及露天矿边坡的变形规律。结果显示井工二矿9#煤工作面上覆岩层出现明显的“三带”区域；在工作面靠近安家岭露天矿过程中缓沉带影响边坡1 360 m以上水平，随工作面向设计停采线推进时，边坡1 360 m以上区域出现明显的向矿坑方向的水平位移，形成滑动趋势。在实际开采中，井工二矿29209工作面在露天矿边坡沿1280和1310两处弱面出现滑动。模拟结果与现场实际监测结果相似，若工作面继续推进，将对边坡的稳定产生较大影响。

从图7中可以看出，随着9#煤工作面向边坡方向推进，1号监测点位移量在工作面推进至合理停采线1后，出现位移减缓，监测点1区域处于沉降变形区域；露天矿平盘上部3~9号监测点位移量随井工二矿9#煤工作面的推进而不断增加，变形规律与边坡蠕动变形规律相似[8]。在初始停采线到设计停采线期间，边坡位移监测结果显示从等速变形阶段到加速变形阶段。当工作面推进至设计停采线时，边坡处于加速变形阶段，若工作面超过设计停采线，边坡岩体将处于滑坡危险阶段。

图6 水平位移计算结果

图7 边坡监测数据结果

5 结论

在对安家岭露天矿与井工二矿联合开采时空关系研究下，确定了安家岭露天与井工二矿为近水平露井协采，即Ⅱ型露井协采模式；通过露井协采下井采“三带”对安家岭露天矿边坡的影响范围和边坡的破坏机理的研究，结合安家岭露天矿现场监测数据，确定了井工采动影响下边坡的主要变形区域与井工采动应力释放区域的关系；运用有限元与离散元相结合方法对井采影响下露天边坡进行数值研究，确定了露天矿变形规律，并得到以下结论：

1）根据边坡监测分析，安家岭露天矿边坡变形区域与井工二矿工作面之间的距离呈现比例关系，距离越近边坡变形速率及位移增加越快；安家岭露天矿剥离深度不同，边坡受井工矿采动影响变形位置不同，表现为安家岭露天矿采深越深边坡变形位置向下延伸，其中边坡影响区域为1 280~1 375 m。

2）露井协采模型数值研究过程中，当井工矿9#煤工作面靠近边坡下部开采时，边坡岩层水平位移明显；若工作面继续向前推进，边坡沿煤层出现明显水平滑动趋势；边坡位移与边坡蠕动变形相似。

3）通过模拟研究，井工矿位于边坡下部开采时，可诱发露天矿边坡软弱层出现蠕动变形，导致边坡出现滑动破坏。

［1］煤炭科学研究总院沈阳研究院.井采影响下安家岭矿露井时空关系于边坡稳定性研究［R］.抚顺：煤炭科学研究总院沈阳研究院，2013.

［2］徐杨青，吴西臣.井工开采对露天矿高边坡稳定性影响的研究［J］.工程地质学报，2010（18）：333-339.

［3］王振伟，王来贵，王建国.井采影响下边坡岩体变形破坏规律研究［J］.矿业研究与开发，2009（2）：13-15.

［4］秦建明，贺昌斌，邓有燃.安家岭露天矿复杂环境边坡稳定性研究与控制［J］.露天采矿技术，2010（6）：35-37.

［5］秦建明，宋子岭，尚文凯.安家岭露天矿井采影响下北帮边坡变形破坏机理研究［J］.露天采矿技术，2011（2）：22-24.

［6］李全生，张忠温，南培珠.多煤层开采相互采动的影响规律［J］.煤炭学报，2006（4）：425-428.

［7］邓增宾，李静涛.井工开采对露天矿边坡变形的影响规律研究［J］，露天采矿技术，2014（2）：6-8.

［8］徐志远，李绍臣，陈义东.露天煤矿蠕动边坡变形破坏规律及其动态控制技术研究［J］.露天采矿技术，2005（S1）：15-17.

【责任编辑：张东旭】

Study on slope stratum moving law under the influence of underground mining

WANG Wenjun1,SHI Lingjie2,WU Mao2
(1.Dongrisheng Coal Co.,Ltd.,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.Design Research Center,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

By studying the end slope deformation mechanism ofⅡtype coordinated mining and the deformation law of slope displacement in Anjialing Open-pit Mine under the influence of the second coal mining,the article concludes that slope displacement appears as a typical slope creep deformation law.

coordinated mining;well mining three belt;slope displacement;creep deformation

TD325

B

1671－9816（2017）02－0014－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.004

王文军，史灵杰，武懋.井采影响下露天矿边坡岩层移动规律研究［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：14-17.

2016-08-06

王文军（1968—），男，山西朔州人，高级工程师，工程硕士，2016年毕业于中国矿业大学，一直从事煤矿安全、采掘、技术等管理工作。