黑岱溝露天礦邊幫壓煤回采圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)研究

李 嵐，李 昕，關(guān) 眾

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天礦邊幫壓煤的井工回采會對露天礦邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，影響露天礦的正常生產(chǎn)運營[1-3]。目前，對于露天礦邊幫壓煤實施井工回采時采動影響下邊幫圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)的研究較少。為有效保障黑岱溝露天礦邊幫壓煤實施井工回采時工作面的安全，防止采動應(yīng)力降低邊幫圍巖穩(wěn)定性，結(jié)合露天礦邊幫壓煤區(qū)煤層和圍巖賦存條件，對采動影響下邊幫圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)進(jìn)行研究[4-6]。

1 邊幫圍巖穩(wěn)定性分析

1.1 邊幫壓煤區(qū)圍巖概況

黑岱溝煤礦邊幫壓煤區(qū)主要回采6#復(fù)合煤層，煤層平均厚度30.42 m，埋深50～150 m；預(yù)采用全厚綜采放頂煤采煤方法對其進(jìn)行回采。6#復(fù)合煤層頂板巖性變化較大，以黏土巖、泥巖為主，也有砂巖或粗粒砂巖，底板一般為泥巖、粉砂巖。煤層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，夾矸多達(dá)20 多層，夾矸巖性為黏土巖或泥巖、炭泥巖。煤巖力學(xué)試驗成果如下：

1）5#煤頂板黃砂巖。含水率0.6%，抗壓強度31.92 MPa，抗拉強度2.01 MPa，彈性模量3 030.5 MPa。

2）5#煤頂板黃砂巖(吸水軟化)。含水率6.35%，抗壓強度18.71 MPa，彈性模量2838.0 MPa。

3）6#煤頂板黃砂巖。含水率1.03%，抗壓強度25.41 MPa，抗拉強度1.09 MPa，內(nèi)摩擦角34.6°，黏聚力2.69 MPa，彈性模量2 523.7 MPa，泊松比0.35。

4）6#煤頂板黃砂巖(吸水軟化)。含水率5.38%，抗壓強度11.85 MPa，彈性模量2 493.8 MPa。

5）6#煤夾矸。含水率0.6%，抗壓強度23.24 MPa，抗拉強度1.64 MPa，彈性模量3 744.3 MPa。

6）6#煤。含水率2.14%，抗壓強度12.28 MPa，抗拉強度0.83 MPa，內(nèi)摩擦角32.3°，黏聚力2.15 MPa，彈性模量1 544.8 MPa，泊松比0.23。

7）6#煤底板泥巖。含水率1.0%，抗壓強度29.87 MPa，抗拉強度1.73 MPa，彈性模量3034.5 MPa。

8）排土場排棄物。內(nèi)摩擦角為35.1°，黏聚力為2.65 kPa。

1.2 邊幫穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析

首采區(qū)南幫隨著首采區(qū)工作面的推進(jìn)，與鄰近露天煤礦排土場形成了排土場-端幫復(fù)合邊坡。選取了4 個有代表性的剖面：南幫剖面1（SCQ-1）、南幫剖面2（SCQ-2）、南幫剖面3（SCQ-3）、南幫剖面4（SCQ-4）；采取了M-P 法、Bishop 法2 種計算方法對邊幫在自然狀態(tài)下局部、整體穩(wěn)定性分別進(jìn)行了計算分析，首采區(qū)現(xiàn)狀邊幫穩(wěn)定性分析結(jié)果見表1。

表1 首采區(qū)現(xiàn)狀邊幫穩(wěn)定性分析結(jié)果

從表1 中可以看出，目前，首采區(qū)南幫基本符合臨時邊幫Fs＞1.10 的要求，其中對邊幫煤回采起直接影響作用的臺階1 圍巖安全系數(shù)均大于1.10，穩(wěn)定性較好。局部區(qū)域臺階1 之上的臺階2 和臺階4 安全系數(shù)小于1.10，如：SCQ-1 剖面臺階4 計算所得安全系數(shù)為0.96，SCQ-3 剖面臺階2 計算所得安全系數(shù)為1.00，安全系數(shù)較小的原因是：SCQ-1 剖面臺階4 單臺階坡面角為47°，單臺階高度為33 m；SCQ-3剖面臺階2 為組合臺階，整體坡面角為40°，局部最陡區(qū)域達(dá)到64°，單臺階高度為35 m。安全系數(shù)較小區(qū)域均位于原排土場上，排棄物抗剪強度較低，對邊幫穩(wěn)定不利。雖然臺階2 及臺階4 距離工作面機(jī)尾較遠(yuǎn)，為保障邊幫煤的安全回采，南邊幫開采期間需要對邊幫圍巖活動進(jìn)行實時監(jiān)測。

1.3 采動對邊幫圍巖穩(wěn)定性的影響

該露天礦邊幫煤回采厚度較大（平均煤層厚度30.42 m），因此開采期間，頂板垮落帶范圍較大，煤層開采厚度按20.7 m（回收率68%）計算，垮落帶按3 倍采高計算，則垮落帶范圍高達(dá)62.1 m。南幫壓煤開采區(qū)直接影響安全開采的臺階1 覆巖高度約在50～60 m，均處于垮落帶內(nèi)，因此，該范圍內(nèi)存在巖梁鉸接結(jié)構(gòu)傳遞推力影響的可能性較小。

邊幫圍巖在采動影響下具有一定的穩(wěn)定性，但為保障邊幫壓煤區(qū)的安全高效回采，回采期間需在進(jìn)行邊幫實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過控制頂煤放出率來實現(xiàn)對采動邊幫上部巖土體運移規(guī)律的控制，從而保證采動邊幫的穩(wěn)定。即在垂直于邊幫走向方向上，臨近邊幫臨空面的區(qū)域時根據(jù)實際情況減小頂煤放出量或只采不放，在遠(yuǎn)離邊幫臨空面的區(qū)域適當(dāng)增大頂煤放出量，盡量保證采空區(qū)周圍邊幫巖土體朝向遠(yuǎn)離邊幫臨空面的方向運動。

1.4 爆破震動對采動邊幫穩(wěn)定影響

在露天礦邊幫壓煤回采條件下，由于受到2 種采動效應(yīng)的疊加影響，邊幫巖體的完整性和強度明顯降低，在這種條件下，各種誘發(fā)因素的共同作用，使邊幫發(fā)生滑移的可能性顯著增大，而爆破以其對附近邊幫的強烈震動作用，無疑在滑坡事故發(fā)生的過程中扮演著推波助瀾的角色。

借鑒國內(nèi)安太堡露天礦南端幫露井協(xié)同開采實踐可知[7]，爆破震動對邊幫穩(wěn)定的影響作用不大，但采動邊幫始終處于比較復(fù)雜的應(yīng)力和位移狀態(tài)中，因此，南邊幫開采過程中，需在實時監(jiān)測基礎(chǔ)上，采取針對性的控制爆破措施，主要包括：爆破孔布置、炸藥量控制、爆源控制等措施。

2 邊幫圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

2.1 整體邊幫掛網(wǎng)護(hù)坡

南幫工作面開采時，為保障邊幫圍巖穩(wěn)定性，對南幫L 型工作面邊幫進(jìn)行整體掛網(wǎng)護(hù)坡。南幫工作面邊幫整體掛網(wǎng)護(hù)坡示意圖如圖1。

圖1 南幫工作面邊幫整體掛網(wǎng)護(hù)坡示意圖

護(hù)坡段沿走向690 m，護(hù)坡高度55 m，采用GPS2 型DO/08/300 柔性網(wǎng)（直徑為8 mm 的鋼絲繩編制成的網(wǎng)孔尺寸為300 mm×300 mm 的鋼繩菱形網(wǎng)），縱向支撐繩為φ16 mm 鋼絲繩，橫向支撐繩為φ16 mm 鋼絲繩，縫合繩為φ8 mm 鋼絲繩。

具體實施方案：縱橫交錯的φ16 mm 縱向支撐繩和φ16 mm 橫向支撐繩與4.5 m ×4.5 m 正方形模式布置的錨桿相聯(lián)結(jié)進(jìn)行預(yù)張拉，支撐繩構(gòu)成的每個4.5 m×4.5 m 網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)1 張D0/08/300/4×4 m型鋼繩網(wǎng)，每張鋼絲繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合繩縫合連結(jié)并拉緊，這對坡面施以一定的法向預(yù)緊壓力，從而提高表層巖土體的穩(wěn)定性，有效阻止崩塌落石的發(fā)生，并將小部分落石限制在一定的空間內(nèi)運動，同時，在鋼繩網(wǎng)下鋪設(shè)S0/2.2/50 型格柵網(wǎng)，以阻止小尺寸巖塊的塌落。錨桿規(guī)格：長度3 m，拉拔力不低于80 kN。

2.2 局部破碎及不穩(wěn)定邊幫進(jìn)行錨網(wǎng)加固

南幫工作面邊幫圍巖支護(hù)方案示意圖如圖2。

圖2 南幫工作面邊幫圍巖支護(hù)方案示意圖

根據(jù)邊幫穩(wěn)定性計算分析，結(jié)合其他礦區(qū)邊幫治理實踐，在局部破碎及不穩(wěn)定邊幫確定如下圍巖控制方案：鉆孔孔徑90 mm，每孔安裝3 根φ15.24 mm 錨索；錨索采用φ15.24 mm、1×7 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，垂直于邊幫布置，錨索間排距為6 m×2.5 m，豎向錨索9 排，間距6 m，從上往下前5 排錨索長度為30 m，后4 排錨索長度20 m，全長錨固；錨索注漿采用P.C32.5 級水泥配制純水泥漿，水灰比0.35～0.40；鋼筋網(wǎng)采用6.2 m×2.7 m，直徑為5 mm 的鋼網(wǎng)，網(wǎng)格200 mm×200 mm；拉力400 kN。

3 邊幫圍巖動態(tài)監(jiān)測

3.1 邊幫圍巖動態(tài)活動三維激光掃描動態(tài)監(jiān)測

利用三維激光掃描儀對工作面回采期間邊幫圍巖形變進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，經(jīng)過對采集數(shù)據(jù)結(jié)果分析總結(jié)滑坡范圍的完整變形信息，然后通過不同時期對比、分析，從而掌握滑坡體的整體變形規(guī)律。根據(jù)監(jiān)測分析進(jìn)行實時針對性及時處理，防止邊幫圍巖大面積滑坡現(xiàn)象。

1）儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)。儀器測距長度達(dá)3 000 m，并配套使用高清晰的內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)，掃描最大精度達(dá)4 mm，定位精度達(dá)8 mm，采樣點速率大于10 000點/s，激光級別為III，儀器質(zhì)量14 kg。

2）測站布設(shè)原則。測站布設(shè)主要分為測站位置選取和標(biāo)靶創(chuàng)建。經(jīng)過現(xiàn)場勘查后，明確目標(biāo)周圍環(huán)境和掃描范圍后，根據(jù)掃描目標(biāo)的大小、形狀、位置和其它需要注意的相關(guān)屬性后，最終確定掃描儀架設(shè)位置和架設(shè)次數(shù)，并明確作為控制點的標(biāo)靶位置和個數(shù)。測站布設(shè)原則為：①使得掃描儀所架設(shè)的各個測站可以掃描到目標(biāo)區(qū)域的的全部范圍；②架設(shè)最少的測站數(shù)獲取最多的掃描數(shù)據(jù)，減少不同幅數(shù)據(jù)的拼接誤差和數(shù)據(jù)總量；③不同幅數(shù)據(jù)之間必須至少有3 個同名控制點，通過強制符合確定兩幅數(shù)據(jù)拼接所必需的7 個自由度，最終將不同幅數(shù)據(jù)歸化到統(tǒng)一的儀器坐標(biāo)系下。

3）測站布設(shè)方案。在南幫測站區(qū)，連續(xù)進(jìn)行邊幫圍巖的三維激光掃描，平均每周進(jìn)行1 次，每次每測站掃描的兩幅數(shù)據(jù)拼接在一起構(gòu)成1 期數(shù)據(jù)。雖然南幫測區(qū)范圍較小，但是由于地面三維激光掃描儀很難從1 個測站就可以完成對該區(qū)域所有掃描，因此，需要2 個已知測站來采集監(jiān)測區(qū)域所有數(shù)據(jù)。南幫邊幫煤掃描測站共計布置2 個，距離邊幫300 m，間距300 m。

3.2 邊幫圍巖活動地音動態(tài)監(jiān)測

利用ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)儀對工作面回采期間邊幫圍巖裂隙擴(kuò)展及破斷進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，從而掌握滑坡體的整體破斷規(guī)律[8]。根據(jù)監(jiān)測分析進(jìn)行針對性實時處理，防止邊幫圍巖大面積滑坡。地音監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置圖如圖3。

圖3 地音監(jiān)測系統(tǒng)探頭布置圖

在南幫工作面回風(fēng)巷側(cè)邊幫上布置8 個監(jiān)測分站（8 個監(jiān)測探頭），來實現(xiàn)對工作面回采過程中支架前方及后方邊幫圍巖裂隙擴(kuò)展及破斷實時動態(tài)監(jiān)測，掌握滑坡體的整體破斷規(guī)律。

每個測站內(nèi)分別布置1 個探頭，共16 個探頭，探測工作面前方800 m，后方50 m 范圍內(nèi)邊幫圍巖的破斷規(guī)律。其中超前工作面50～800 m 位置處，分別在煤體上方35、70 m 處巖層各設(shè)置1 個探頭；滯后工作面20 m 位置處，在煤體上方35、70 m 處巖層各設(shè)置1 個探頭。

4 結(jié)語

1）通過對邊幫圍巖穩(wěn)定性現(xiàn)狀、開采對邊幫圍巖影響和爆破震動對采動邊幫穩(wěn)定影響的分析，得出黑岱溝露天礦邊幫壓煤的回采對邊幫圍巖的影響不大。

2）在采取整體邊幫掛網(wǎng)護(hù)坡和局部破碎及不穩(wěn)定邊幫進(jìn)行錨網(wǎng)加固的邊幫圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)基礎(chǔ)上，利用三維激光掃描及地音監(jiān)測系統(tǒng)分別對工作面回采期間邊幫圍巖的動態(tài)活動進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測分析進(jìn)行實時針對性處理，可以有效防止邊幫圍巖滑坡。