安家?guī)X露天礦開采工作面穿越陷落柱方案分析

王 勝

（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽111000）

陷落柱類屬煤層下浮可溶巖層，在地下水沖蝕作用下，上覆巖體破碎、巖層失穩(wěn)，不斷發(fā)生塌落，形成上小下大的筒柱。當露天礦邊坡內(nèi)部含有陷落柱時，其對邊坡穩(wěn)定的影響不容輕視，輕則導致片幫，重則導致滑坡，平朔東露天礦就曾發(fā)生過邊坡受陷落柱影響導致的滑坡事故。因此針對陷落柱影響下邊坡失穩(wěn)的研究顯得尤為重要與迫切。目前應用較多的研究手段包含理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬試驗等，其中相似模擬試驗在模擬巖體垮落和變形破壞過程方面具有其他研究方法不可比擬的優(yōu)勢。國內(nèi)外針對相似模型試驗開展了大量研究，也已取得了一定的成果，如相似材料的選取、配合比、破壞準則、邊坡失穩(wěn)等問題都有了深入的了解和較清晰的認識［1－9］，但針對露天礦開采工作面經(jīng)過陷落柱時巖體應力演化與變形規(guī)律的研究相對較少，而文獻[10]也只是采用簡易模型分析了推采陷落柱工作面支承壓力演變規(guī)律。鑒于此，以安家?guī)X露天礦為研究背景，模擬陷落柱影響下邊坡不同開采方案，分析總結邊坡巖體應力分布規(guī)律，為安家?guī)X露天礦開采工作面穿越陷落柱提供最優(yōu)方案。

1 工程地質(zhì)概況

安家?guī)X露天礦邊坡北幫區(qū)域內(nèi)主要構造有蘆子溝背斜1 個，落差大于10 m 的斷層5 條，陷落柱1個。根據(jù)鉆探勘查確定了陷落柱邊界、陷落柱賦存條件、產(chǎn)狀及其影響范圍。

1）資料顯示B2302、N2802、XZK1 鉆孔內(nèi)巖心破碎嚴重、巖性混雜（多為角礫巖狀）、巖層傾角大小極不穩(wěn)定（從10°到近似垂直）。XZK1 鉆孔在117 m 見高1 m 的陷落空洞，說明以上孔內(nèi)巖層為陷落柱堆積所成。

2）ZK8 鉆孔內(nèi)巖心破碎較嚴重，巖層傾角變化不大（約8°左右），9#煤層重復，說明該孔位于陷落柱中部，且先形成斷層，后出現(xiàn)陷落。4-1#煤層底板標高比ZK9 鉆孔煤層底板標高低41.20 m，比ZK10鉆孔4-1#煤層底板標高低58.54 m。結合以往鉆孔資料、物探資料推斷陷落柱大體為整體陷落形成。但陷落柱邊部及局部由于巖層斷裂、陷落時間存在差異，造成巖性混雜、產(chǎn)狀不一、陷落空洞等現(xiàn)象。

3）ZK7、ZK9、ZK10 鉆孔內(nèi)破碎嚴重產(chǎn)狀變化較大（4°～18°之間），但煤層頂?shù)装鍢烁摺⒚簩雍穸燃皫r層間距與附近已知鉆孔資料基本相符，故推斷ZK7、ZK9、ZK10 鉆孔地層層序正常，位于陷落柱以外。

綜上，陷落柱邊部巖性極為破碎，地層產(chǎn)狀變化極大，南部傾向北東，傾角30°，西南部傾向南東，傾角52°，通過ZK7、ZK9、ZK10 鉆孔及實測陷落柱為橢圓形，長304 m，寬209 m，面積51 597 m2。

2 模擬試驗

模擬試驗是在確保幾何相似、運動相似以及動力相似的情況下，對物理模型盡量簡化，尤其是進行大比例模型試驗時，由于基巖層較厚，一般僅鋪設到一定厚度以滿足研究要求即可。試驗采用平面模型，裝置為槽鋼鋼架結構，模型前、后采用100 mm寬的可拆卸槽鋼護板進行定型、加固,根據(jù)已有的巖體物理力學參數(shù)確定模型試驗的相似材料配比。

2.1 方案設計與試驗過程

由于安家?guī)X露天礦北幫區(qū)域內(nèi)的陷落柱位于背斜東翼靠近背斜軸部，在陷落柱東側(cè)煤層底板出現(xiàn)迅速下降趨勢，且陷落柱區(qū)間為露天礦邊坡轉(zhuǎn)向區(qū)域，這將會在此區(qū)間形成凸邊坡。

1）方案1：避讓陷落柱方案。經(jīng)過陷落柱時，繞過陷落柱，陷落柱區(qū)間內(nèi)放緩邊坡角，即上部邊坡進行削坡、下部邊坡平盤加寬，運輸系統(tǒng)跨過陷落柱后再進行降盤工作，避讓陷落柱方案模型開采結束如圖1。

2）方案2：提前降盤方案。將降盤位置提前至背斜軸西側(cè)，轉(zhuǎn)向位置與原運輸系統(tǒng)設計方案相同，提前降盤方案模型開采結束如圖2。

3）方案3：提前轉(zhuǎn)向并降盤方案。轉(zhuǎn)向和降盤同時進行，均位于背斜軸西翼，轉(zhuǎn)向主要在逆斷層影響區(qū)域和陷落柱區(qū)間，在經(jīng)過陷落柱后運輸系統(tǒng)恢復到原運輸系統(tǒng)設計方案上，提前轉(zhuǎn)向并降盤方案模型開采結束如圖3。

2.2 結果分析

圖1 避讓陷落柱方案模型開采結束Fig.1 End mining of avoiding collapse column scheme modeling

圖2 提前降盤方案模型開采結束Fig.2 End mining of dropping plate scheme modeling

圖3 提前轉(zhuǎn)向并降盤方案模型開采結束Fig.3 End mining of turning in advance and dropping plate scheme modeling

采用白光數(shù)字散斑監(jiān)測系統(tǒng)。首先采集邊坡工作面推進過程中不同時刻的散斑場，其次通過測量跟蹤點的光強變化獲取邊坡變形信息，最后通過圖像處理器得到變形場，從而再現(xiàn)工作面過陷落柱時邊坡變形演化過程。

1）避讓陷落柱方案。避讓陷落柱方案巖體變形演化過程如圖4。邊坡在開采前受自重影響，變形主要集中在陷落柱上部黃土層與基巖面，且黃土層沿基巖面出現(xiàn)鼓起趨勢。當4#煤上部巖層開挖時，導致坡體內(nèi)應力釋放，引起邊坡應力重分布，向邊坡臨空面出現(xiàn)位移趨勢。隨著開采不斷向下延伸，最大位移亦逐步向深部延伸。當9#煤、11#煤采出后，陷落柱破碎帶坡面處水平方向出現(xiàn)較大位移，可能形成局部片幫；而垂直方向上邊坡下部11#煤底部出現(xiàn)大位移區(qū)域，但尚未形成貫通面。由此可知該方案在邊坡開采過程中，其變形主要集中在陷落柱破碎帶區(qū)域，而邊坡未出現(xiàn)明顯的滑動趨勢。

圖4 避讓陷落柱方案巖體變形演化過程Fig.4 Rock mass deformation evolution process of avoiding collapse column scheme

2）提前降盤方案。提前降盤方案巖體變形演化過程如圖5。由于提前降盤減輕陷落柱上部載荷，而陷落柱南幫邊界①號區(qū)域內(nèi)巖體破碎，巖性較弱，在二者相互作用下邊坡水平方向出現(xiàn)滑動趨勢面，且已貫通，并將沿著9#煤頂板滑出；此外②號陷落柱區(qū)域中亦形成小范圍的滑動面，因此該方案存在不合理性。

3）提前轉(zhuǎn)向并降盤方案。提前轉(zhuǎn)向并降盤方案開采過程中位移演化過程如圖6。提前轉(zhuǎn)向并降盤方案中，采用向外削坡手段，進一步減小了陷落柱上部載荷。陷落柱南幫邊界區(qū)域水平方向出現(xiàn)明顯滑動面，陷落柱破碎帶出現(xiàn)變形區(qū)域；垂直方向陷落柱區(qū)域沿11#煤底板形成潛在滑動面，因此該方案不合理。

3 結 語

以安家?guī)X露天礦北幫區(qū)域陷落柱邊坡為研究對象，采用理論分析與模擬試驗手段，探討不同開采方案下邊坡內(nèi)部應力應變的分布及變化規(guī)律，檢驗設計方案的合理性。由試驗結果可知，“避讓陷落柱方案”為開采工作面穿越陷落柱的最優(yōu)方案。

圖5 提前降盤方案巖體變形演化過程Fig.5 Rock mass deformation evolution process of dropping plate scheme

圖6 提前轉(zhuǎn)向并降盤方案開采過程中位移演化過程Fig.6 Displacement evolution law of turning in advance and dropping plate scheme in the process of mining