王振伟,丁鑫品,刘博文,李营作
(1.北方工业大学,北京 100144;2.煤炭科学研究总院,北京 100013;3.中国矿业大学(北京),北京 100083)
露井协采不同于露井联采,露井联采是在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,而露井协采是煤层近水平条件下利用井工开采方式回收露天矿端帮压滞煤炭资源的问题,因存在相互影响,露天和井工2 种开采方式之间更多的是一种平面上的协调[1-2]。由于露天矿边坡位于井工开采影响域内,使2 种开采方式采动影响域的一部分相互叠加,导致边坡岩体的变形机制趋于复杂且变形量增大[3-4]。
近年来,随着露井协采技术在矿山开采中的逐步推广,国内外学者围绕露井协采边坡稳定性的影响因素、复合采动影响下边坡的应力分布规律与变形破坏规律、露井协采时空关系及边界参数的确定方法、采动边坡稳定监测方法及预警方法等方面开展了一定程度的研究[5-10],虽然取得了一定的成果,但由于地质条件的复杂性与滑动破坏过程的不确定性,导致露井协采边坡失稳机理仍是一个没有得到很好解决的难题,在实际应用中存在较大局限性。为此,基于岩层控制的关键层理论,提出了控制露井协采边坡稳定的“关键层”概念,并以中煤平朔矿区井工二矿与安太堡露天矿之间的露井协采为例,采用“砌体梁”结构作为破断岩体的简化模型,完成了对露井协采“关键岩层”耦合作用下露天边坡滑移破坏深度的理论估算,最后采用RFPA 数值模拟和室内相似材料模拟试验对理论分析结果进行了验证。
岩体开挖将使岩体应力重分布,并产生岩体变形和破坏。对于岩质边坡,岩体内部的结构面往往是导致边坡失稳的主要因素,而边坡岩体中的软弱夹层则是实际边坡失稳的首要因素[11-12]。现有井工开采过程中,关键层是指对采场上覆岩体活动起控制作用的坚硬岩层[13-16],在露天开采过程中,将影响边坡稳定的软弱夹层称为露天开采的“关键弱层”。对于某些露井协采条件下的采动边坡,其受上覆关键层(坚硬岩层)和边坡内部“关键弱层”的共同影响,可将这2 种岩层合称为控制露井协采边坡稳定的“关键岩层”,并将“坚硬厚岩层”定义为I 类关键岩层、将“软弱薄岩层”定义为II 类关键岩层[17]。露井协采“关键岩层”耦合作用示意图如图1。
图1 露井协采“关键岩层”耦合作用示意图Fig.1 The coupling effect of the key strata in open-underground mining
在露天井工协调开采条件下,岩体变形破坏表现为露天和井工开采时采动效应相互叠加所导致的岩体变形破裂。对于先露天后井工开采条件下的露天矿边坡体,其岩土体变形破坏演化过程通常将经历以下4 个阶段:
1)表生改造阶段。表生改造是由于坡体开挖的卸荷作用产生的回弹变形,这种变形与边坡开挖同时发生,开挖停止后几乎没有后续变形,其变形的方向与临空面指向垂直。此外也会产生与变形相对应的卸荷破裂,但破裂方向平行于边坡临空面。
2)结构改造阶段。露天矿边坡下部的井工开采将引起直接顶的垮落,I 类关键岩层首先形成“固支梁”结构,上部岩层的重力在其上积聚并产生弯曲变形,同时对两侧岩体产生水平挤压力。随着开采的进行,关键岩层下部采空范围逐渐增大,当“固支梁”的跨度增大至I 类关键层的初次断裂步距时,关键层将破断形成“砌体梁结构”[18]。破断岩块的转动,将产生强大的水平挤压力,并在岩块间形成三铰拱式平衡,同时对结构外的岩体产生水平挤压作用。随着井采工作面的不断推进,“砌体梁结构”将以2种形式发生失稳:当“砌体梁结构”中岩块间咬合点的挤压力超过该咬合点接触面处的强度极限时,在一定条件下将导致岩块回转运动并产生变形失稳;当咬合点处的剪切力大于摩擦力时,“砌体梁结构”将出现滑落失稳,造成岩块间的水平作用力消失,其对两侧岩体的水平挤压作用也随之消失。
3)时效变形阶段。时效变形是在结构改造阶段结束后产生的渐变性变形,是边坡演变并最终失稳前的关键阶段。在这一阶段,边坡的变形并不伴随开挖过程的终止而停止,而是在开挖结束后,还将发生持续的变形。这种变形不完全取决于“开挖卸荷过程”的影响,甚至在量级上会超过开挖卸荷过程中的变形。更有甚者,开挖过程中,几乎没有卸荷响应,而在结束后,会有很大的变形发生。表现在变形监测曲线上,就是开挖结束后,位移还在继续发展,并可能保持一定的速率。
4)最终失稳或变形稳定阶段。在持续载荷作用及潜在滑面的长期强度(黏聚力c∞、内摩擦角φ∞)条件下,若潜在滑面提供的抗滑力大于滑体的下滑力,露井协采边坡的稳定性系数Fs∞>1,边坡时效变形速度逐渐减小直至变形稳定;若潜在滑面提供的抗滑力小于滑体下滑力,则边坡变形量将超过边坡稳定的许可变形量,并最终导致失稳滑坡。
为验证“关键岩层”耦合作用下露井协采边坡变形破坏理论分析结果的准确性,以安太堡露天矿南端帮P1 剖面为例,采用RFPA 软件构建露井协采边坡数值分析模型,模拟9#煤层背坡开采过程中边坡岩土体的变形破坏过程,9#煤层开切眼位置至边坡临空面水平距离为185 m,开挖步距为10 m,井采工作面推进距离为420 m。模型中,位于4#煤上部厚层砂岩段可视为控制上部岩层变形破坏的I 类关键岩层,4#煤顶板风氧化煤层可视为控制边坡稳定的II 类关键岩层,关键层作用数值模拟试验模型如图2。
图2 关键层作用数值模拟试验模型Fig.2 Numerical simulation test model of key strata effect
当工作面推进至80 m 时,直接顶初次垮落,垮落高度为8 m,当推进至130 m 时,基本顶初次断裂,随着工作面的不断推进,上部岩体逐渐出现离层并垮落,当推进至260 m 时,覆垮落范围发展至地表,开切眼一侧形成1 条直达地表的贯通裂缝,右侧垮落角已经形成,处于固支梁结构破断区的+1 405 m 平盘发生严重的沉降破坏,表现为朝向采空区一侧的旋转,平盘各点水平方向位移量为负值,该平盘虽然破碎严重,但发生朝向临空面方向滑动的可能性很小,此时由于岩梁铰接结构的存在,失去支承而发生下沉的岩土体对临空面附近的岩体施加水平推力F,促使+1 360 m 台阶以上各平盘沿层理面发生朝向临空面的水平移动。工作面继续向前推进,上部关键层的存在,致使基本顶不断形成悬臂梁结构又发生破断失稳,周期性垮落步距约为30~40 m。由于早期边坡的形成,导致井采过程中覆岩应力移动和重分布特征与单纯井工开采条件下的相应情况明显不同,尤其在台阶坡底处容易形成拉应力和剪应力集中区,这种情况下扩展到地表的拉裂缝或剪裂缝多集中在台阶坡底处,最终导致上覆岩体的剪切破断裂缝杂乱无序,与单纯井工开采相比缺乏规律性。当工作面推进至310 m 时,受采空区上部岩体垮落影响,边坡上部岩体土体发生朝向采空区的整体移动,+1 420 m 平盘上部表土层呈现曲面滑动趋势,+1 360 m 平盘后方岩土体对该平盘附近岩土体施加朝向临空面的挤压作用,同时由于该平盘下部赋存有强度较低的风氧化煤弱层,抗滑力不能抵抗关键硬岩层的挤压作用,最终导致+1 360 m 平盘及其上部岩土体发生整体朝向临空面的滑动,模拟结果与理论分析结果一致。
为进一步验证“关键岩层”耦合作用下露天边坡滑移破坏规律的理论分析和滑移面深度理论估算成果的可靠性,采用室内相似模拟试验对9#煤层B906 工作面背坡开采条件下露天边坡进行模拟分析,9#煤背坡开采相似材料模拟模型示意图如图3。选用重力应力条件下的二维模拟试验台进行试验[19-20],模型长为4 200 mm,宽为250 mm。模型几何比为1∶200,模型四周和底部为全约束,上部为自由面,左右两侧封闭。根据相似理论及牛顿第二定律确定各分层的物理力学参数,并从相似材料配比表中相应选出材料进行材料配制。试验胶结料采用石灰和石膏。模拟试验中选择密度和单轴抗压强度作为原型和模型的相似条件指标,间接考虑弹性模量、黏聚力、泊松比等指标。
图3 9#煤背坡开采相似材料模拟模型示意图Fig.3 Simulation model of 9# coal seam with similar materials under back slope mining
相似材料模拟试验结果表明,受井采沉陷影响破坏最严重的平盘为+1 405 m 平盘,破坏模式主要为沉降破坏,+1 330 m~+1 390 m 平盘主要发生朝向临空面的水平错动。在井工开采影响下,边坡各平盘变形破坏模式主要有2 种:分别为沉降滑移破坏和潜在滑移破坏,边坡上部个别平盘处于采空区垮落角范围内,井采工作面推进过程中,采空区上部岩体因失去下部支承而发生垮落,采动破坏逐渐向上扩展。在薄基岩、浅埋深、大采高的条件下,地表发生台阶下沉,上部平盘随之发生朝向采空区的沉降破坏,位移方向为竖直向下和远离临空面,随着时间的推移,沉降运动逐渐终止,由于受到爆破震动、运输载荷、以及降水等因素的影响,破碎岩土体极有可能产生朝向临空面的滑落失稳。在采空区岩体下沉过程中,处于垮落边界和移动边界之间的部分平盘,由于受到跨落边界处关键岩梁铰接结构施加的水平推力F 作用,极易发生沿软弱夹层的局部或整体错动。模拟试验结果与理论分析及数值模拟结果基本一致。
1)基于现有井工开采过程中的关键层理论,将影响露天矿边坡稳定的软弱薄岩层定义为“关键弱层”,并与上覆坚硬厚岩层合称为控制露井协采边坡稳定的“关键岩层”,其中坚硬厚岩层定义为“I 类表生改造阶段键岩层”,软弱薄岩层定义为“II 类关键岩层”。
2)提出了“关键岩层”耦合作用下的露井协采边坡变形破坏的4 个阶段理论,井工开采影响下露天矿边坡将经历表生改造、结构改造、时效变形和最终失稳(变形稳定)4 个变形破坏阶段。
3)采用相似材料模拟、数值分析相结合的方法研究了“关键岩层”耦合作用下露井协采边坡变形破坏特征和岩层移动规律。