基于RFPA的露井聯(lián)采下邊坡破壞機理分析

周 杰，李紹臣，馬丕梁

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院，北京 100013）

基于RFPA的露井聯(lián)采下邊坡破壞機理分析

周 杰1，李紹臣1，馬丕梁2

（1.煤炭科學(xué)研究總院安全分院，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院檢測分院，北京 100013）

為了研究露井聯(lián)合開采條件下的巖層活動規(guī)律，對邊坡破壞機理進(jìn)行深入分析，根據(jù)某礦露井聯(lián)合開采的技術(shù)條件和巖土體力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)建立數(shù)值計算模型，運用真實破裂過程分析軟件 （RFPA）對邊坡巖體隨工作面推進(jìn)時的變形、破壞情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對不同平盤位移量的分析，驗證了水平煤層露井聯(lián)采條件下邊坡巖體破壞規(guī)律存在3個破壞分區(qū)。根據(jù)分區(qū)情況對邊坡巖體的破壞特征進(jìn)行分析，進(jìn)而對整個邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

RFPA;露井聯(lián)采;變形分區(qū);邊坡破壞機理;聲發(fā)射

在礦產(chǎn)資源的開采方法上，淺部礦層一般采用露天開采的方法，而深部礦層采用井工開采的方法在經(jīng)濟上更有優(yōu)勢［1］。目前，為了發(fā)揮各自的優(yōu)越性，使經(jīng)濟效益最大化，露井聯(lián)采的模式已經(jīng)被各大礦區(qū)逐漸采用。露井聯(lián)采屬于復(fù)雜巖層結(jié)構(gòu)承受多次開挖、回填等受力過程的力學(xué)問題［2］，因此，探討露井聯(lián)合開采條件下的巖層活動規(guī)律，對邊坡破壞機理進(jìn)行深入分析，不僅具有重要的科學(xué)價值，而且在提高煤炭產(chǎn)量，減少煤炭資源的浪費，利于環(huán)境保護(hù)與治理等方面具有優(yōu)越性。

目前，國內(nèi)外研究邊坡破壞機理的方法有相似材料模擬試驗、Flac數(shù)值模擬等。本文采用基于彈性損傷理論，能夠?qū)r石的變形、破壞、移動全過程進(jìn)行模擬的真實破裂過程分析軟件——RFPA，對露井聯(lián)采下邊坡變形及破壞情況進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對露井聯(lián)采下邊坡破壞機理進(jìn)行分析。

1 數(shù)值試驗

1.1 數(shù)值試驗條件

某露天礦東南幫東部4號煤處于風(fēng)氧化帶，無井工開采價值，主采煤層為9號煤層。該區(qū)域開采將是先期露天開采形成上部幾個臺階，接著在露天礦邊坡下方進(jìn)行井工開采，屬于聯(lián)合開采模式。井工開采的9號煤層平均厚度13m，工作面煤層傾角2～7°，設(shè)計采高3.2m，平均放煤高度為5～10m，工作面寬度 240m［3］。

1.2 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ图捌鋮?shù)

RFPA露井聯(lián)采數(shù)值試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。模型沿水平方向取1000m，垂直方向取270m，基元大小2m×2m，總基元數(shù)67500個。每步開挖10m，近似等于每天的進(jìn)尺，開挖30步。兩個巖層之間加入了弱層?；膹椥阅Ａ?、單軸抗壓強度等參數(shù)按Weibull函數(shù)隨機分布來模擬巖石材料的不均質(zhì)性和各向異性。模型邊界條件為底部固定，頂部自由，左右兩側(cè)水平方向位移約束。在數(shù)值計算中，各巖層采用摩爾－庫倫強度準(zhǔn)則，其力學(xué)參數(shù)見表1。為了簡化計算，應(yīng)用平面應(yīng)變模型假設(shè)，共布置7個監(jiān)測點，用于分析井工開采對露天礦邊坡巖體的影響。

1.3 數(shù)值試驗結(jié)果分析

隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層變形、冒落破壞情況以及邊坡變形破壞情況如圖2所示。

圖1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測點位置

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值試驗結(jié)果

工作面推進(jìn)90m時，頂板初次垮落，地表出現(xiàn)零星拉張裂縫，如圖2（a）所示。

隨著工作面的推進(jìn)，頂板繼續(xù)冒落，地表的拉張裂縫不斷地發(fā)展、增多。當(dāng)工作面推進(jìn)到180m時，地表裂縫迅速向下發(fā)展，+1405平盤后方開始出現(xiàn)明顯裂縫，+1435及以上平盤已經(jīng)開始出現(xiàn)彎曲下沉，沉降變形增加較大，如圖2（b）。

當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時，邊坡裂隙與垮落帶裂隙貫通，采空區(qū)邊界兩側(cè)巖體向采空區(qū)內(nèi)傾斜、斷裂，+1405平盤變形破壞加劇，+1435及以上平盤已明顯失穩(wěn)，如圖2（c）。

2 露井聯(lián)采下邊坡破壞機理分析

2.1 邊坡巖體變形分析

通過本次數(shù)值試驗，可以得到露天礦邊坡巖體在井工開采影響下的位移量。分別采集1～7號監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù)繪制成位移曲線圖 （圖3）。其中，4～7號監(jiān)測點分別為+1435，+1405，+1375，+1360平盤的中點。在這里規(guī)定位移方向豎直向上為正，水平向右為正。

從圖3（b），（d），（e）中可以看出，2號監(jiān)測點和+1435，+1405平盤的巖體隨著工作面不斷開挖，逐漸向采空區(qū)傾斜。當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時，+1435平盤坡腳裂縫與采空區(qū)垮落帶裂縫貫通，并向采空區(qū)傾倒，平盤失穩(wěn)。+1405平盤不同位置，水平及垂直位移量差距較大，所以，受到井工開采的影響，+1405平盤巖體較破碎。

由圖3（c），（f），（g）可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，3號監(jiān)測點和+1375，+1360平盤附近的巖體有向自由面移動的趨勢。當(dāng)開挖至280m時，采空區(qū)裂縫貫通至+1435平盤坡腳，+1435及以上平盤垮落，使得平盤水平及垂直位移大幅減小，卸荷過后隨著開挖的進(jìn)行，+1373，+1360平盤的位移繼續(xù)增大。

2.2 邊坡巖體變形分區(qū)

根據(jù)數(shù)值試驗得到的邊坡內(nèi)部巖體位移量和邊坡平盤位移量 （圖3），并結(jié)合邊坡破壞特征 （圖2），可得出圖4所示的邊坡巖體破壞分區(qū)模型。

位于覆巖垮落邊界 （A區(qū)）內(nèi)的巖體，隨著9煤的開采而逐漸垮落，位移主要表現(xiàn)為垂直方向的沉降，水平方向位移較小。

位于覆巖垮落邊界與巖層移動邊界之間 （B區(qū)）的巖體，由于A區(qū)巖體的垮落而失去了左側(cè)的支撐，巖體向采空區(qū)傾斜、斷裂，故位移表現(xiàn)為向采空區(qū)的水平位移和垂直位移。

位于巖層移動邊界右方的巖體 （C區(qū)），由于B區(qū)的巖體向采空區(qū)移動，充填采空區(qū)，對C區(qū)的巖土體產(chǎn)生擠壓作用從而導(dǎo)致邊坡巖體向沒有約束的自由面方向移動，故C區(qū)巖體的位移主要表現(xiàn)為向右的水平位移。

2.3 邊坡破壞特征分析及穩(wěn)定性評價

圖5給出了在井工開采過程中，邊坡巖體破壞的聲發(fā)射情況。

位于B區(qū)的巖體，在井工開挖過程中，首先在+1435平盤坡腳處出現(xiàn)拉伸破壞，隨著工作面推進(jìn)，A區(qū)巖體垮落，B區(qū)巖體失去側(cè)向支撐，出現(xiàn)大量的壓剪破壞區(qū)和拉伸破壞區(qū)，從圖2（c）中可以直觀的看出邊坡裂隙與垮落帶裂隙貫通，邊坡+1405平盤以上部分，即位于B區(qū)范圍內(nèi)的邊坡整體失穩(wěn)，表現(xiàn)為逐漸向采空區(qū)滑移、傾倒。

圖3 工作面推進(jìn)過程中的邊坡巖體變形情況

圖4 邊坡巖體破壞分區(qū)模型

圖5 邊坡巖體破壞聲發(fā)射情況

位于C區(qū)的巖體，由于受到來自B區(qū)巖體的擠壓力和自身下滑力的共同作用，首先在邊坡坡腳處出現(xiàn)剪切破壞，隨著開挖的進(jìn)行，C區(qū)巖體開始在上部出現(xiàn)少量壓剪破壞區(qū)。破壞區(qū)域并未貫通，僅僅在坡腳處形成了局部的剪切滑移出口，處在C區(qū)范圍內(nèi)的邊坡整體是穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬得出的邊坡位移量數(shù)據(jù)，對邊坡位移情況進(jìn)行分析，驗證了水平厚煤層露井聯(lián)采下邊坡巖體破壞規(guī)律存在3個分區(qū)。

（2）分析邊坡巖體破壞特征，并進(jìn)行穩(wěn)定性評價。處于B區(qū)范圍內(nèi)的邊坡由于失去A區(qū)巖體的支撐而向采空區(qū)滑移、傾倒，從而整體失穩(wěn);處在C區(qū)范圍內(nèi)的邊坡受到來自B區(qū)巖體的擠壓作用，上部巖體出現(xiàn)少量的壓剪破壞，坡腳處形成了局部的剪切滑移出口，但是破壞區(qū)域沒有貫通，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）真實破裂過程分析軟件RFPA能夠較合理地模擬出露井聯(lián)采下邊坡破壞過程，相對于相似材料模擬試驗有著無成本、耗時少、建模及試驗過程簡單、數(shù)據(jù)收集全面等優(yōu)點，而且能夠直觀地觀察井工開采引起的頂板垮落、邊坡變形、破壞等現(xiàn)象，是模擬此類問題的新方法。

［1］朱建明，張洪濤，周保精，等.井工開采對露井聯(lián)采邊坡穩(wěn)定影響的塑性極限分析 ［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（3）:344－350.

［2］劉向峰，何 峰，王振偉，等.露井聯(lián)采下巖體變形規(guī)律［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2010，29（2）:187－189.

［3］劉憲全.安太堡礦露井聯(lián)采邊幫參數(shù)與工作線長度優(yōu)化［D］.北京:北京科技大學(xué)，2008.

Mechanism of Slope Failure Based on RFPA in Open-underground Combined Mining

ZHOU Jie1，LI Shao-chen1，MA Pi-liang2
（1.Safety Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Detection Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

In order to research strata movement rule and slope failure mechanism in open-underground combined mining，a numerical simulation model was set up to analyze deformation and failure of slope rock during underground mining with RFPA based on mining technical condition and rock mechanic properties．3 failure partitions of slope rock were verified in open-underground combined mining by analyzing displacement of platform.On the basis of this，failure characteristic of slop rock was analyzed and slope stability was evaluated．

RFPA;open-underground combined mining;deformation partition;slope failure mechanism;acoustic emission

TD842.7

A

1006-6225（2012）02-0106-03

2011－12－01

煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展基金 （2011CX04）

周 杰 （1988－），男，安徽阜陽人，在讀碩士研究生，主要從事露天礦采礦技術(shù)、邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測的研究工作。

［責(zé)任編輯:藍(lán) 航］