黑岱沟露天矿边帮压煤回采围岩稳定性及控制技术研究

李 岚，李 昕，关 众

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天矿边帮压煤的井工回采会对露天矿边坡的稳定性产生影响，甚至导致边坡失稳，影响露天矿的正常生产运营[1-3]。目前，对于露天矿边帮压煤实施井工回采时采动影响下边帮围岩稳定性及控制技术的研究较少。为有效保障黑岱沟露天矿边帮压煤实施井工回采时工作面的安全，防止采动应力降低边帮围岩稳定性，结合露天矿边帮压煤区煤层和围岩赋存条件，对采动影响下边帮围岩稳定性及控制技术进行研究[4-6]。

1 边帮围岩稳定性分析

1.1 边帮压煤区围岩概况

黑岱沟煤矿边帮压煤区主要回采6#复合煤层，煤层平均厚度30.42 m，埋深50～150 m；预采用全厚综采放顶煤采煤方法对其进行回采。6#复合煤层顶板岩性变化较大，以黏土岩、泥岩为主，也有砂岩或粗粒砂岩，底板一般为泥岩、粉砂岩。煤层结构十分复杂，夹矸多达20 多层，夹矸岩性为黏土岩或泥岩、炭泥岩。煤岩力学试验成果如下：

1）5#煤顶板黄砂岩。含水率0.6%，抗压强度31.92 MPa，抗拉强度2.01 MPa，弹性模量3 030.5 MPa。

2）5#煤顶板黄砂岩(吸水软化)。含水率6.35%，抗压强度18.71 MPa，弹性模量2838.0 MPa。

3）6#煤顶板黄砂岩。含水率1.03%，抗压强度25.41 MPa，抗拉强度1.09 MPa，內摩擦角34.6°，黏聚力2.69 MPa，弹性模量2 523.7 MPa，泊松比0.35。

4）6#煤顶板黄砂岩(吸水软化)。含水率5.38%，抗压强度11.85 MPa，弹性模量2 493.8 MPa。

5）6#煤夹矸。含水率0.6%，抗压强度23.24 MPa，抗拉强度1.64 MPa，弹性模量3 744.3 MPa。

6）6#煤。含水率2.14%，抗压强度12.28 MPa，抗拉强度0.83 MPa，內摩擦角32.3°，黏聚力2.15 MPa，弹性模量1 544.8 MPa，泊松比0.23。

7）6#煤底板泥岩。含水率1.0%，抗压强度29.87 MPa，抗拉强度1.73 MPa，弹性模量3034.5 MPa。

8）排土场排弃物。內摩擦角为35.1°，黏聚力为2.65 kPa。

1.2 边帮稳定性现状分析

首采区南帮随着首采区工作面的推进，与邻近露天煤矿排土场形成了排土场-端帮复合边坡。选取了4 个有代表性的剖面：南帮剖面1（SCQ-1）、南帮剖面2（SCQ-2）、南帮剖面3（SCQ-3）、南帮剖面4（SCQ-4）；采取了M-P 法、Bishop 法2 种计算方法对边帮在自然状态下局部、整体稳定性分别进行了计算分析，首采区现状边帮稳定性分析结果见表1。

表1 首采区现状边帮稳定性分析结果

从表1 中可以看出，目前，首采区南帮基本符合临时边帮Fs＞1.10 的要求，其中对边帮煤回采起直接影响作用的台阶1 围岩安全系数均大于1.10，稳定性较好。局部区域台阶1 之上的台阶2 和台阶4 安全系数小于1.10，如：SCQ-1 剖面台阶4 计算所得安全系数为0.96，SCQ-3 剖面台阶2 计算所得安全系数为1.00，安全系数较小的原因是：SCQ-1 剖面台阶4 单台阶坡面角为47°，单台阶高度为33 m；SCQ-3剖面台阶2 为组合台阶，整体坡面角为40°，局部最陡区域达到64°，单台阶高度为35 m。安全系数较小区域均位于原排土场上，排弃物抗剪强度较低，对边帮稳定不利。虽然台阶2 及台阶4 距离工作面机尾较远，为保障边帮煤的安全回采，南边帮开采期间需要对边帮围岩活动进行实时监测。

1.3 采动对边帮围岩稳定性的影响

该露天矿边帮煤回采厚度较大（平均煤层厚度30.42 m），因此开采期间，顶板垮落带范围较大，煤层开采厚度按20.7 m（回收率68%）计算，垮落带按3 倍采高计算，则垮落带范围高达62.1 m。南帮压煤开采区直接影响安全开采的台阶1 覆岩高度约在50～60 m，均处于垮落带内，因此，该范围内存在岩梁铰接结构传递推力影响的可能性较小。

边帮围岩在采动影响下具有一定的稳定性，但为保障边帮压煤区的安全高效回采，回采期间需在进行边帮实时监测的基础上，通过控制顶煤放出率来实现对采动边帮上部岩土体运移规律的控制，从而保证采动边帮的稳定。即在垂直于边帮走向方向上，临近边帮临空面的区域时根据实际情况减小顶煤放出量或只采不放，在远离边帮临空面的区域适当增大顶煤放出量，尽量保证采空区周围边帮岩土体朝向远离边帮临空面的方向运动。

1.4 爆破震动对采动边帮稳定影响

在露天矿边帮压煤回采条件下，由于受到2 种采动效应的叠加影响，边帮岩体的完整性和强度明显降低，在这种条件下，各种诱发因素的共同作用，使边帮发生滑移的可能性显著增大，而爆破以其对附近边帮的强烈震动作用，无疑在滑坡事故发生的过程中扮演着推波助澜的角色。

借鉴国内安太堡露天矿南端帮露井协同开采实践可知[7]，爆破震动对边帮稳定的影响作用不大，但采动边帮始终处于比较复杂的应力和位移状态中，因此，南边帮开采过程中，需在实时监测基础上，采取针对性的控制爆破措施，主要包括：爆破孔布置、炸药量控制、爆源控制等措施。

2 边帮围岩稳定性控制技术

2.1 整体边帮挂网护坡

南帮工作面开采时，为保障边帮围岩稳定性，对南帮L 型工作面边帮进行整体挂网护坡。南帮工作面边帮整体挂网护坡示意图如图1。

图1 南帮工作面边帮整体挂网护坡示意图

护坡段沿走向690 m，护坡高度55 m，采用GPS2 型DO/08/300 柔性网（直径为8 mm 的钢丝绳编制成的网孔尺寸为300 mm×300 mm 的钢绳菱形网），纵向支撑绳为φ16 mm 钢丝绳，横向支撑绳为φ16 mm 钢丝绳，缝合绳为φ8 mm 钢丝绳。

具体实施方案：纵横交错的φ16 mm 纵向支撑绳和φ16 mm 横向支撑绳与4.5 m ×4.5 m 正方形模式布置的锚杆相联结进行预张拉，支撑绳构成的每个4.5 m×4.5 m 网格内铺设1 张D0/08/300/4×4 m型钢绳网，每张钢丝绳网与四周支撑绳间用缝合绳缝合连结并拉紧，这对坡面施以一定的法向预紧压力，从而提高表层岩土体的稳定性，有效阻止崩塌落石的发生，并将小部分落石限制在一定的空间内运动，同时，在钢绳网下铺设S0/2.2/50 型格栅网，以阻止小尺寸岩块的塌落。锚杆规格：长度3 m，拉拔力不低于80 kN。

2.2 局部破碎及不稳定边帮进行锚网加固

南帮工作面边帮围岩支护方案示意图如图2。

图2 南帮工作面边帮围岩支护方案示意图

根据边帮稳定性计算分析，结合其他矿区边帮治理实践，在局部破碎及不稳定边帮确定如下围岩控制方案：钻孔孔径90 mm，每孔安装3 根φ15.24 mm 锚索；锚索采用φ15.24 mm、1×7 预应力钢绞线，垂直于边帮布置，锚索间排距为6 m×2.5 m，竖向锚索9 排，间距6 m，从上往下前5 排锚索长度为30 m，后4 排锚索长度20 m，全长锚固；锚索注浆采用P.C32.5 级水泥配制纯水泥浆，水灰比0.35～0.40；钢筋网采用6.2 m×2.7 m，直径为5 mm 的钢网，网格200 mm×200 mm；拉力400 kN。

3 边帮围岩动态监测

3.1 边帮围岩动态活动三维激光扫描动态监测

利用三维激光扫描仪对工作面回采期间边帮围岩形变进行实时动态监测，经过对采集数据结果分析总结滑坡范围的完整变形信息，然后通过不同时期对比、分析，从而掌握滑坡体的整体变形规律。根据监测分析进行实时针对性及时处理，防止边帮围岩大面积滑坡现象。

1）仪器设备技术参数。仪器测距长度达3 000 m，并配套使用高清晰的内置数码相机，扫描最大精度达4 mm，定位精度达8 mm，采样点速率大于10 000点/s，激光级别为III，仪器质量14 kg。

2）测站布设原则。测站布设主要分为测站位置选取和标靶创建。经过现场勘查后，明确目标周围环境和扫描范围后，根据扫描目标的大小、形状、位置和其它需要注意的相关属性后，最终确定扫描仪架设位置和架设次数，并明确作为控制点的标靶位置和个数。测站布设原则为：①使得扫描仪所架设的各个测站可以扫描到目标区域的的全部范围；②架设最少的测站数获取最多的扫描数据，减少不同幅数据的拼接误差和数据总量；③不同幅数据之间必须至少有3 个同名控制点，通过强制符合确定两幅数据拼接所必需的7 个自由度，最终将不同幅数据归化到统一的仪器坐标系下。

3）测站布设方案。在南帮测站区，连续进行边帮围岩的三维激光扫描，平均每周进行1 次，每次每测站扫描的两幅数据拼接在一起构成1 期数据。虽然南帮测区范围较小，但是由于地面三维激光扫描仪很难从1 个测站就可以完成对该区域所有扫描，因此，需要2 个已知测站来采集监测区域所有数据。南帮边帮煤扫描测站共计布置2 个，距离边帮300 m，间距300 m。

3.2 边帮围岩活动地音动态监测

利用ARES-5/E 地音监测系统仪对工作面回采期间边帮围岩裂隙扩展及破断进行实时动态监测，从而掌握滑坡体的整体破断规律[8]。根据监测分析进行针对性实时处理，防止边帮围岩大面积滑坡。地音监测系统探头布置图如图3。

图3 地音监测系统探头布置图

在南帮工作面回风巷侧边帮上布置8 个监测分站（8 个监测探头），来实现对工作面回采过程中支架前方及后方边帮围岩裂隙扩展及破断实时动态监测，掌握滑坡体的整体破断规律。

每个测站内分别布置1 个探头，共16 个探头，探测工作面前方800 m，后方50 m 范围内边帮围岩的破断规律。其中超前工作面50～800 m 位置处，分别在煤体上方35、70 m 处岩层各设置1 个探头；滞后工作面20 m 位置处，在煤体上方35、70 m 处岩层各设置1 个探头。

4 结语

1）通过对边帮围岩稳定性现状、开采对边帮围岩影响和爆破震动对采动边帮稳定影响的分析，得出黑岱沟露天矿边帮压煤的回采对边帮围岩的影响不大。

2）在采取整体边帮挂网护坡和局部破碎及不稳定边帮进行锚网加固的边帮围岩稳定性控制技术基础上，利用三维激光扫描及地音监测系统分别对工作面回采期间边帮围岩的动态活动进行实时动态监测，根据监测分析进行实时针对性处理，可以有效防止边帮围岩滑坡。