边帮压煤在不同回采条件下边坡变形破坏及稳定性分析

王文才，李俊鹏，王创业，陈世江，李仕璋

（1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271103）

边帮煤是指受露天开采技术和地质条件限制滞留在露天台阶下和边坡境界外煤炭资源的总称[1-3]。近年来，因边坡工程存在典型失稳特性，在岩土及采矿工程界备受重视，尤其是边帮煤回采中，边坡变形破坏及稳定性之间的关系越显复杂[4-5]。边帮煤回采过程中受露天和井工采动效应相互影响，会形成一个动态多元的复合系统，虽在一定程度上能提高资源的回收率，但也会加速边坡内部岩体裂隙发育，当裂隙发育至一定阶段后受外部荷载作用，边坡极易发生变形破坏和失稳现象[6-7]，从而造成人员伤亡和财产损失，也会制约煤炭资源回收和利用[8-9]。因此，针对边帮煤回采边坡变形破坏和失稳机理的研究成为采矿界众多学者研究的课题，并取得了不少成果。孟庆武等[10]利用靠帮开采的相关理论，提出了端帮靠帮开采边坡稳定性分析的2 种方法,建立了由靠帮开采带来的经济效益研究模型和节约的二次剥离成本计算模型，阐述了近水平露天煤矿实施端帮靠帮开采,在技术上是可行的,且具有很好的经济效益；刘宪权等[11]通过相似模拟和数值模拟实验对水平厚煤层露井联合开采下边坡破坏机理进行分析，阐述了露天边坡的破坏是一个渐进的过程；蓝航等[12]采用FLAC3D对露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律进行研究，阐述了台阶状边坡地表的移动范围比平地地表要小，变形更剧烈；喻梅[13]对端帮压煤条带开采下煤柱及坡体稳定性机制进行研究，阐述了端帮压煤条带开采围岩应力、变形及塑性区分布特征；朱建明等[14]采用相似和数值模拟对露井联采下边坡稳定性及其边界参数优化进行研究，阐述了地下开采开切眼位置对露天边坡的稳定起到关键作用；丁鑫品等[15]通过相似模拟对露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化进行研究，阐述了端帮煤柱回收边坡变形破坏的差异性；李正胜等[16]运用自主研发锚固式多点位移计对房柱式采空区影响下露天端帮煤开采安全控制技术进行研究，阐述了端帮位移趋势及采空区上部岩体存在明显的卸荷应力区域现象；王东等[17]采用数值模拟对褐煤露天矿端帮开采边坡支撑煤柱稳定进行研究，阐述了以煤柱拉伸剪切塑性区宽度为判据, 确定合理煤柱宽度；南存全等[18]提出了井工长壁采煤法，井工长壁煤法具有安全、高效、高采出率等优势，特别是长壁综采放顶煤采煤法，是解决露天矿边帮厚煤层回采有效方法。

通过上述分析发现，针对边帮煤回采的研究成果主要集中在边帮煤回采的可行性及经济效益的研究、边帮煤回采边坡变形破坏及稳定性的研究、边帮煤回采留设煤柱宽度及采煤工艺的研究，缺少针对边帮煤在不同回采方向、回采深度边坡变形破坏及稳定性方面的相关分析，鉴于此，在上述学者研究的基础上采用FLAC3D数值模拟方法对提出的观点进行分析，以期为今后类似矿山安全生产提供借鉴。

1 FLAC3D 数值结构模型及回采方案

1.1 边帮煤回采边坡数值模型

FLAC3D数值模型是采用显式拉格朗日算法和混合离散分区技术，可以对所研究岩土体受力特性进行准确模拟[19]。因此，采用FLAC3D软件结合所研究矿山岩土体力学参数[20]构建边帮煤回采边坡数值结构模型，本次边帮煤回采边坡结构模型采用摩尔-库伦本构模型。边坡数值结构模型及测点布置示意图如图1。

图1 边坡数值结构模型及测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of slope numerical model and monitoring points layout

模型长、宽、高分别为500、200、253.2 m，顶面采用自由边界，其余几个面均进行约束，模型共布置6排检测线，每个平盘处布置1 排，分别位于1400 平盘～1340 平盘。其中1400 平盘为黄土和砂岩、1390平盘为砂岩、1380 平盘为粗砂岩、1370 平盘为粗砂岩、1350 平盘为中粗砂岩、1340 平盘为细砂岩，边帮可采4#煤层（上煤层）位于1340 平盘下方，属上组可采煤层，与地表垂直深度156 m，9#煤层（下煤层）位于上煤层下方，属下组可采煤层，与地表垂直深度216.6 m，上煤层和下煤层之间的垂直距离为44 m。

1.2 边帮煤回采方法及回采方案

通过文献［18］分析可以知道井工长壁煤法具有安全、高效、高采出率等优势，特别是长壁综采放顶煤采煤法是解决露天矿边帮厚煤层回采有效方法。因此确定采用长壁综采放顶煤采煤法对露天边帮下滞留的资源进行回采，每次回采长度为10 m（对应矿山每天回采长度），采高为煤层厚度的1/2。通过上述边帮煤回采边坡结构模型的构建及分析提出边帮煤在不同回采方向和回采深度2 种回采方案。不同回采方案边坡数值结构模型如图2。

图2 不同回采方案边坡数值结构模型Fig.2 Numerical structure model of slope with different mining schemes

2 不同回采方案边坡变形破坏及稳定性分析

边坡变形破坏和稳定性降低现象实质上是由工作面顶、底板岩层塑性区的形成和扩展引起的。塑性区的大小和形态决定了边坡内部岩体的破坏程度和对台阶稳定性影响程度。由此，在上述边帮煤回采边坡结构模型基础上进行回采得到边坡塑性演化、平盘内应力曲线和位移曲线分布图。

2.1 上煤层顺坡回采边坡变形破坏及稳定性分析

上煤层顺坡回采边坡塑性变形结构模型如图3，上煤层顺坡开采各平盘内应力变化曲线图如图4，上煤层顺坡开采各平盘位移变化曲线图如图5。

图3 上煤层顺坡回采边坡塑性变形结构模型Fig.3 Slope plastic deformation structure model for downhill mining of upper coal seam

图5 上煤层顺坡开采各平盘位移变化曲线图Fig.5 Curves diagrams of the displacement change of each flat plate in downhill mining of upper coal seam

由图3 和图4 可知，上煤层边帮煤顺坡回采边坡岩体塑性区演化和边坡各平盘内应力变化特点为：①回采初期（0～140 m）：边坡内部岩体原岩应力平衡发生破坏，工作面在均匀高应力作用下，塑性区首先出现在工作面顶板和底板，呈上下对称分布；②回采中期（140～250 m）：顶板上方塑性区向上扩展，指向边坡平盘，呈半蝶型分布，受回采影响，边坡各平盘应力呈波形抖动状况，主要集中在边坡中部1390 平盘～1370 平盘处，上部1400 平盘和下部1350 平盘、1340 平盘主应力变化较小；③回采至停采线（250～300 m）：受偏高应力作用，“蝶形”塑性区范围持续扩展，呈不规则形态分布，顶板塑性区逐步向边坡中部平盘扩展，该阶段的水平和垂直主应力及主应力差值不断发生变化，使得塑性区逐步扩展至边坡中部1370 平盘和1380 平盘处，边坡发生变形破坏，稳定性受到影响，存在失稳现象。

图4 上煤层顺坡开采各平盘内应力变化曲线图Fig.4 Curves diagram of internal stress change of each flat plate in downhill mining of upper coal seam

由图3 和图5 可知，上煤层边帮煤顺坡回采边坡内部岩体塑性区演化和边坡各平盘位移变化特点为：①回采初期（0～140 m）：塑性破坏区范围较小，边坡各平盘维持露天开采后状态，不发生变形破坏现象；②回采中期（140～250 m）：在回采扰动和塑性区范围扩大的基础上，边坡各平盘由静止状态向变形破坏的活跃期转变，塑性区扩展至边坡中部1380平盘和1370 平盘，相对位移值变化趋势也最大，水平和垂直方向都指向采空区，上部和下部平盘变形破坏幅度略小，移动趋势和中部平盘一致；③回采至停采线（250～300 m）：受下部平盘及后方岩层沉降的挤压影响，边坡上部1400 平盘由向采空区移动趋势转变发生向露天矿坑移动，且伴随着向上抬升现象，水平移动和垂直抬升值呈正态分布，随回采长度增大而增大，此过程伴随着塑性区持续向边坡中部平盘处扩展，直至回采终止，指向露天矿坑的最大移动区域为1400 平盘，水平位移0.29 m，垂直抬升0.22 m，指向采空区的最大移动区域为边坡中部1370 平盘，水平位移0.79 m，垂直位移1.23 m。

综上所述，通过上述分析得出受回采影响边坡塑性区发育至边坡中部1380 平盘～1370 平盘处，平盘稳定性发生改变，且因受损的1380 平盘和1370平盘向采空区移动挤压影响边坡上部1400 平盘发生向露天矿坑移动趋势，使得边坡稳定性进一步降低，容易发生局部滑移现象。

2.2 上煤层逆坡回采边坡变形破坏及稳定性分析

上煤层逆坡回采边坡塑性变形结构模型如图6，上煤层逆坡回采各平盘内应力变化曲线图如图7，上煤层逆坡回采各平盘位移变化曲线图如图8。

图6 上煤层逆坡回采边坡塑性变形结构模型Fig.6 Plastic deformation structure models of reverse slope mining of upper coal seam

图7 上煤层逆坡回采各平盘内应力变化曲线图Fig.7 Curves diagrams of internal stress change of each flat plate in reverse slope mining of upper coal seam

图8 上煤层逆坡回采各平盘位移变化曲线图Fig.8 Curves diagrams of displacement change of each flat plate in reverse slope mining of upper coal seam

由图6 和图7 可知，上煤层边帮煤逆坡回采边坡内部岩体塑性区演化和边坡各平盘应力变化特点为：①回采初期（0～100 m）：边坡内部岩体受回采影响，原岩应力发生扰动，顶底板应力集中高于岩体承受的极限强度，顶底板岩体形成塑性破坏场域，范围随回采长度增大不断扩大，且边坡各平盘应力曲线由静止状态发生抖动，主要变化区域为边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘处；②回采中期（100～180 m）：顶底板塑性区范围不断扩大，顶板塑性区扩展范围比底板更为剧烈，且顶板塑性区对边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘不断形成扰动，使平盘主应力形成应力释放区，加大了应力波动范围，使得边坡平盘稳定性发生降低；③回采至停采线（180～220 m）：边坡平盘受偏高应力作用，塑性区范围扩展发育至边坡中部和下部平盘处，边坡稳定性发生改变，失稳现象突显。

由图6 和图8 可知，上煤层边帮煤顺坡回采边坡内部岩体塑性区演化和边坡各平盘位移变化特点为：①回采初期（0～100 m）：因边坡各平盘远离内部岩体塑性破坏区，边坡处于稳定状态，各平盘不发生移动变化，维持露天开采后边坡变形形态；②回采中期（100～180 m）：边坡内部塑性区范围持续发生扩展，逐步对边坡平盘形成影响，发生移动现象，移动趋势均呈正态分布，随回采长度的增加和塑性区范围的扩大位移值不断增大，最大移动平盘位于边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘，且此时塑性区范围以扩展至上述平盘处；③回采至停采线（180～220 m）：因1370 平盘和1350 平盘向采空区方向移动对1400 平盘形成挤压影响，平盘移动趋势发生改变，水平方向由向采空区移动趋势转变为向露天矿坑移动，垂直方向由向采空区下沉趋势转变为抬升移动，其它平盘维持向采空区移动趋势，直至回采终止，指向露天矿坑的最大移动区域为1400 平盘，水平位移值0.53 m，垂直抬升值0.28 m，指向采空区的最大移动区域为边坡中部1370 平盘，水平位移值0.94 m，垂直位移值1.32 m。

综上所述，上煤层逆坡开采边坡内部岩体变形破坏及塑性区发育扩展趋势与上煤层顺坡开采较一致，但主要破坏区域变为边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘，且上部1400 平盘移动向露天矿坑移动值更大，边坡失稳现象凸显。

2.3 下煤层顺坡回采边坡变形破坏及稳定性分析

下煤层回采边坡塑性变形结构模型如图9，下煤层回采各平盘内应力变化曲线图如图10，下煤层回采各平盘位移变化曲线图如图11。

图9 下煤层回采边坡塑性变形结构模型Fig.9 Plastic deformation structure models of slope in lower coal seam

由图9 和图10 可知，下煤层顺坡回采边坡内部岩体塑性区演化和各平盘应力变化特点为：①回采初期（0～175 m）：因采场岩体原有应力平衡影响，应力进行重组，使得顶底板岩体应力集中程度大于岩体强度使顶底板岩体发生塑性破坏现象，顶板塑性区扩展范围较大，底板范围较小；②回采中期（175～240 m）：因塑性区扩展影响，边坡平盘内主应力发生变化，呈小幅上下抖动，边坡内部岩体塑性区扩展范围逐步向边坡中部平盘发育；③回采至停采线（240～300 m）：主应力逐步活跃，抖动幅度加大，差值扩大，边坡内部塑性区范围继续向边坡中部1370平盘方向扩展；直至回采终止，塑性区扩展范围未达到边坡平盘处，边坡稳定性较好。

图10 下煤层回采各平盘内应力变化曲线图Fig.10 Curves diagrams of internal stress change of each flat plate in the lower coal seam

由图9 和图11 可知，下煤层顺坡回采边坡内部岩体塑性区演化和各平盘位移变化特点分为：①回采初期（0～175 m）：因采场岩体塑性区破坏范围较小，边坡各平盘不受扰动，均处于稳定状态，位移不发生改变；②回采中期（175～240 m）：边坡内部岩体塑性区逐步向边坡平盘处发育，使得1370 平盘和1350 平盘发生向采空区方向移动，此过程也原本向采空区移动的1400 平盘受下部平盘移动挤压影响发生翻转移动，趋势指向露天矿坑；③回采至停采线（240～300 m）：边坡中部和下部各平盘持续向采空区方向移动，指向露天矿坑的1400 平盘位移值缓慢发生变化，直至回采终止，指向露天矿坑的最大移动区域为1400 平盘，水平位移0.11 m，垂直沉降0.24 m，指向采空区的最大移动区域为边坡中部1370 平盘，水平位移0.78 m，垂直沉降0.88 m。

图11 下煤层回采各平盘位移变化曲线图Fig.11 Curves diagrams of the displacement change of each flat plate in the mining of the lower coal seam

综上，随着下煤层回采长度的持续增大，边坡内部塑性区范围也持续扩展；直至回采终止，中部1370 平盘和下部1350 平盘受回采扰动影响最大，且向采空区移动最大，上部1400 平盘向采空区移动较小，存在局部破坏现象，但边坡稳定性不受影响。

3 不同回采方向和回采深度边坡稳定性

边帮煤回采边坡变形破坏主要发生在边坡中部1370 平盘和上部1400 平盘处，上部1400 平盘主要是因向露天矿坑移动使边坡稳定性降低，下部1370平盘主要是因向采空区移动使边坡稳定性降低，因此选取1400 平盘和1370 平盘水平位移值，结合上述分析对边坡稳定性状况进行对比分析。

3.1 不同回采方向边坡稳定性

不同回采方向平盘变形对比表见表1。

表1 不同回采方向平盘变形对比表Table 1 Comparison table of flat plate deformation in different mining directions

1）顺坡可回采长度比逆坡多80 m，顺坡回采更有利于企业发展，增大企业经济效益。

2）顺坡和逆坡回采塑性区均发育至边坡中部1370 平盘处，但逆坡回采塑性区扩展范围和深部均比顺坡开采大，且1400 平盘和1370 平盘位移值均大于顺坡开采，指向露天矿坑的1400 平盘位移值比顺坡大0.24 m，指向采空区方向的1370 平盘位移值比顺坡大0.15 m。

3）顺坡回采对边坡平盘造成的破坏程度较小，局部可能存在滑移现象，但不足使边坡发生失稳现象；逆坡回采使边坡中部和下部平盘均发生向采空区方向的变形破坏，且边坡平盘变形破坏程度较大，边坡失稳现象凸显。

由此，在不同回采方向下，边坡稳定性和工作面回采方向有关，顺坡回采相对逆坡回采边坡稳定性更好，回采长度更大，顺坡回采边坡稳定性较好，存在局部失稳现象，逆坡回采边坡会发生失稳现象。

3.2 不同回采深度边坡稳定性

不同回采深度平盘变形对比表见表2。

表2 不同回采深度平盘变形对比表Table 2 Comparison table of flat plate deformation at different mining depths

1）边帮煤在相同回采长度和不同回采深度下，边坡内部岩体变形破坏区域和程度不相同，使得塑性区发育高度也不相同。

2）因下煤层回采对边坡中部和下部平盘扰动较小，使得上部1400 平盘形成的挤压力较小，1400 平盘向露天采坑移动值比上煤层开采移小0.18 m。

3）在相同回采长度下，下煤层回采因回采深度较大，塑性区扩展范围较大，但因距离边坡各平盘较远，塑性区范围并没有发育至边坡中部1370 平盘和下部1350 平盘处，边坡中部和下部平盘受扰动较小，而上煤层回采边坡内部塑性区发育至边坡中部1380 平盘～1370 平盘处，平盘稳定性发生改变，且因受损的1380 平盘和1370 平盘向采空区挤压移动使得边坡上部1400 平盘发生向露天矿坑移动趋势，边坡稳定性进一步降低，容易发生局部滑移现象。

由此可以得出，在回采长度一定下，边坡稳定性和回采深度有关，采深越大边坡稳定性越好。

4结 语

1）基于FLAC3D，结合塑性区发育规律得出边帮煤回采边坡内部岩体塑性区扩展对边坡各平盘内主应力和变形值影响较大，当塑性区扩展至某一平盘下部时，平盘内主应力波动剧烈，差值增大，致使边坡平盘处岩体发生变形，边坡稳定性发生改变。

2）基于FLAC3D，构造边帮煤在不同回采方向边坡结构模型，进而从边坡稳定性机理对不同回采方向边坡稳定状况进行分析，发现边坡稳定性状况与回采方向有关，顺坡回采采场岩体塑性发育强度和深度比逆坡回采弱，工作面回采长度长，边坡中部1370 平盘和上部1400 平盘稳定性存在衰减现象，存在局部失稳情况；逆坡回采工作面长度小，且受回采影响稳定性衰减的平盘存在剪切失稳现象，由此可以得出顺坡回采优于逆坡回采。

3）基于FLAC3D，构造边帮煤在不同回采深度下边坡结构模型，从边坡稳定性机理对不同回采深度边坡稳定状况进行分析，发现不同采深边坡内部岩体塑性区发育深度和高度不相同，上下煤层回采都会在一定程度上使边坡稳定性降低，上煤层回采边坡平盘存在局部失稳现象，整体稳定性较好，下煤层回采，因远离边坡平盘，塑性区发育高度未到达边坡平盘处，固边坡稳定性较好，由此可以得出边坡稳定性和回采深度有关，采深越大边坡稳定性越好。