多煤層開采條件下高陡山體變形控制

劉小平，田延哲，曹曉毅，劉元均

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553017)

0 引 言

受我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及煤炭資源稟賦條件限制，西南地區(qū)煤炭資源高強(qiáng)度開采對(duì)高陡山體穩(wěn)定性影響是一個(gè)長(zhǎng)期存在、不可逆轉(zhuǎn)的客觀事實(shí)。對(duì)于該地區(qū)煤炭資源開采引起坡體失穩(wěn)的減災(zāi)技術(shù)研究，許強(qiáng)等[1]、肖銳鏵等[2]、董秀軍等[3]、殷躍平等[4]的研究大多局限于災(zāi)害的事后調(diào)查與分析。對(duì)于由采礦誘發(fā)的重大滑坡災(zāi)害，在礦權(quán)劃界、礦區(qū)規(guī)劃、盤區(qū)接續(xù)、工作面設(shè)計(jì)等各個(gè)階段，政府及礦山企業(yè)并未能將煤炭開采與地表采動(dòng)山體失穩(wěn)變形綜合考慮，與控制山體變形相關(guān)的技術(shù)研究及生產(chǎn)管理工作缺乏，導(dǎo)致目前礦區(qū)采動(dòng)滑坡災(zāi)害防治工作長(zhǎng)期處于被動(dòng)。地下煤層開采誘發(fā)山體滑坡防治，與地表自然滑坡有很大不同，防治思路要由地面災(zāi)害體防治轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵麻_采過程控制，才能達(dá)到“標(biāo)本兼治”的目的。地下開采過程控制，又往往會(huì)與生產(chǎn)系統(tǒng)布置、瓦斯防治、生產(chǎn)接續(xù)等矛盾?；诖?，在充分考慮礦山生產(chǎn)實(shí)際，掌握山體地質(zhì)條件與地下開采空間關(guān)系的前提下，提出一種高陡山體下多煤層協(xié)調(diào)開采的思路與方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表山體變形的有效控制，并在西南某礦五盤區(qū)劃界、開采規(guī)劃中進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)采動(dòng)山體變形的有效控制。

1 采動(dòng)高陡山體滑坡災(zāi)害

1.1 地形地質(zhì)條件

西南地區(qū)位于處青藏高原、四川盆地及云貴高原的構(gòu)造過渡帶，受板塊間邊界與俯沖力的控制，地殼強(qiáng)烈抬升，形成了巨大的大陸地形坡降帶。長(zhǎng)江、雅魯藏布江、瀾滄江、怒江、大渡河等河流在該區(qū)域下切強(qiáng)烈，構(gòu)成高山峽谷地貌景觀[5-6]。山體高度低則百余米，高達(dá)1 000 m以上，坡體陡峭，坡度大都在50°以上。強(qiáng)烈的現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)、復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，使得該地區(qū)成為我國(guó)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)(圖1)。

1.2 煤炭資源賦存及開采

西南地區(qū)是我國(guó)南方重要的煤炭生產(chǎn)基地，目前已探明的煤炭資源儲(chǔ)量3 866萬t，約占全國(guó)總儲(chǔ)量的10%。該地區(qū)含煤地層主要為石炭系下統(tǒng)、二疊系中統(tǒng)、二疊系上統(tǒng)、三疊系上統(tǒng)、侏羅系下統(tǒng)和新近系。石炭系下統(tǒng)主要分布在滇東、黔西和黔東南一帶；二疊系中統(tǒng)主要分布在黔西北和黔東；二疊系上統(tǒng)主要分布在重慶江津和四川筠連；晚三疊系主要分布在四川、重慶等地；侏羅系下統(tǒng)主要分布在川北地區(qū)；新近系沉積主要分布在云南地區(qū)[7]。這些地區(qū)大多為高山、中低山地形地貌條件。

Ⅰ—滑坡崩塌泥石流高險(xiǎn)度區(qū);Ⅱ—滑坡崩塌泥石流較高險(xiǎn)度區(qū);Ⅲ—滑坡崩塌泥石流中險(xiǎn)度區(qū);Ⅳ—滑坡崩塌泥石流低險(xiǎn)度區(qū)圖1 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害滑坡、崩塌、泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Fig.1 Risk assessment diagram of landslides,collapses and debris flows of geological hazards in China

西南地區(qū)煤層變化大，構(gòu)造復(fù)雜，以中小型礦井為主，僅貴州省的小煤礦就有2 000余處。近年來，隨著國(guó)家煤炭企業(yè)兼并重組與煤炭資源整合政策的實(shí)施,在西南地區(qū)逐步發(fā)展起來了白龍山煤礦、小龍?zhí)兜V務(wù)局、昭通褐煤露天礦、鎮(zhèn)雄礦區(qū)、恩洪礦區(qū)等云貴億噸級(jí)煤炭基地[8]。新建的現(xiàn)代化礦井大都引進(jìn)長(zhǎng)臂采煤法、一次采全高、綜采放頂煤等先進(jìn)的采煤方法與裝備，開采規(guī)模及強(qiáng)度顯著提升，對(duì)復(fù)雜地表及地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞問題更加突出。

1.3 地下采煤誘發(fā)高陡山體失穩(wěn)重大地質(zhì)災(zāi)害

復(fù)雜地質(zhì)條件、脆弱生態(tài)環(huán)境下的煤炭資源高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致該地區(qū)近年來誘發(fā)的高陡山體失穩(wěn)災(zāi)害頻發(fā)(表1)。此類滑坡及崩塌等災(zāi)害，不僅會(huì)直接損毀煤礦井下和地面工程設(shè)施，還會(huì)誘發(fā)泥石流、堰塞湖等其他次生災(zāi)害，具有規(guī)模巨大，危害性強(qiáng)，災(zāi)害鏈長(zhǎng)，時(shí)間跨度大，致災(zāi)面積廣的特點(diǎn)。

表1 西南地區(qū)典型采動(dòng)崩塌地質(zhì)災(zāi)害案例Table 1 Typical mining collapse geological disaster cases in Southwest China

2 地下采煤高陡山體變形控制方法

2.1 山體變形失穩(wěn)因素分析

采動(dòng)坡體變形受地形條件、地層結(jié)構(gòu)和地下開采等共同控制。

1)地形地貌。西南地區(qū)地殼強(qiáng)烈抬升，河流下切強(qiáng)烈，地形落差巨大，溝谷縱橫，上部山體高聳陡峭，溝谷發(fā)育呈深“V”字型，山體兩側(cè)鄰空。高陡復(fù)雜地形地貌，為坡體失穩(wěn)提供高位勢(shì)能及運(yùn)動(dòng)條件。

2)巖性組合。西南山區(qū)坡體上部大多出露二疊系、三疊系的厚～巨厚層的堅(jiān)硬灰?guī)r，底部為含煤、鐵或鋁土礦等，構(gòu)成了“上硬下軟”穩(wěn)定性較差的坡體結(jié)構(gòu)。

3)巖體結(jié)構(gòu)。西南地區(qū)主要受印度板塊側(cè)壓作用，應(yīng)力場(chǎng)主要表現(xiàn)為水平方向的擠壓，巖體中發(fā)育多組節(jié)理裂隙，將巖體切割為大量不連續(xù)塊體?；?guī)r中巖溶、溶蝕作用強(qiáng)烈。在長(zhǎng)期的卸荷裂隙作用下，巖體完整性差。

4)開采條件[20]。采煤活動(dòng)引起山區(qū)地表移動(dòng)變形與工作面尺寸、采出率呈正比，工作面尺寸越大，回采率越高，地表變形量越大。地表破壞程度與采煤方法、工作面管理方式密切相關(guān)。相同條件下，長(zhǎng)臂式開采工作面尺寸大、回采率高，采動(dòng)滑坡發(fā)生概率大；房柱式、條帶式等部分開采的工作面尺寸較小，回采率較低，地表移動(dòng)破壞較小，滑坡發(fā)生概率較小。山區(qū)地表開采沉陷范圍與深厚比呈正比，地表破壞程度與深厚比呈反比，重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表的破壞程度遠(yuǎn)大于初次采動(dòng)。

工作面與坡體之間的相對(duì)位置和坡體變形模式密切相關(guān)。上半坡采動(dòng)(圖3a)易于形成“推移式”滑坡，下半坡采動(dòng)(圖3b)易于形成“牽引式”滑坡。全坡采動(dòng)(圖3c、圖3d)因工作面推進(jìn)方向不同，坡體變形也有很大區(qū)別，順坡向開采易形成“推移式”滑坡，逆坡向開采易于形成“牽引式滑坡”。一般來講，工作面推進(jìn)方向?qū)ζ麦w變形模式的影響小于工作面與坡體相對(duì)位置的影響。

圖3 工作面位置不同對(duì)應(yīng)的采動(dòng)坡體變形模式Fig.3 Deformation pattern of mining slope body corresponding to different working face positions

2.2 采動(dòng)高陡山體變形特征

以貴州納雍中嶺滑坡為例[21]，邊坡高約280 m，坡度約50°，上陡下緩，上部為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組紫紅色泥巖、灰?guī)r及砂質(zhì)泥巖，下部是二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組—大隆組的燧石灰?guī)r以及龍?zhí)督M泥巖、粉砂巖夾煤線，“上硬下軟”近水平層狀地層結(jié)構(gòu)(圖4)。坡體下開采煤系地層為龍?zhí)督M，前期開采方式為小煤窯開采，工作面長(zhǎng)度在100 m左右，開采時(shí)間達(dá)到20 a之久，在坡面下形成大片采空區(qū)，變形前5～6 a采用機(jī)械化開采。

圖4 貴州納雍中嶺滑坡地質(zhì)剖面圖Fig.4 Geological section of landslide in Zhongling,Nayong,Guizhou

滑坡事后調(diào)查結(jié)果表明，中嶺滑坡體受到地表側(cè)向高陡鄰空面及地下采空的共同作用。開采引起的地表移動(dòng)可分解為重力場(chǎng)引起的沿坡體下山方向的位移分量和采礦活動(dòng)引起指向采空區(qū)的位移分量。地下煤炭開采范圍不斷增大，指向采空區(qū)的位移分量持續(xù)增加，在上部灰?guī)r與砂泥巖中逐步產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。巖體間產(chǎn)生離層或沿結(jié)構(gòu)面開裂形成豎向貫通裂縫，坡體向外側(cè)鄰空面的變形引起巖體發(fā)生傾倒變形，當(dāng)向外側(cè)移動(dòng)變形量超過巖體允許的變形閾值，引起坡體產(chǎn)生拉裂失穩(wěn)破壞，形成采動(dòng)滑坡或崩塌。中嶺滑坡破壞失穩(wěn)過程經(jīng)歷了“煤層開采—覆巖移動(dòng)破壞—坡體變形加劇—山體失穩(wěn)破壞”階段。地下煤炭資源開采是坡體變形之誘因，重力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)疊加引起的應(yīng)力集中，是引起巖體破壞失穩(wěn)之本質(zhì)。

2.3 采動(dòng)高陡坡體變形控制方法

西南地區(qū)煤層賦存具有煤層薄、開采層數(shù)多、層間距小，地應(yīng)力高、瓦斯含量高的特點(diǎn)。一方面，需要盡可能地增強(qiáng)開采對(duì)覆巖的擾動(dòng)及破壞，提高瓦斯抽采效率；優(yōu)先從淺部露頭向深部順坡開采，形成開采保護(hù)層，提高瓦斯防治效果。另一方面，需要從山體變形控制角度考慮，盡量減輕開采對(duì)覆巖的擾動(dòng)、逆坡開采。二者之間存在一定的矛盾。只能從采煤方法及工藝方面入手，才能達(dá)到山體變形控制的總體目標(biāo)。經(jīng)多方案對(duì)比論證(表2)，從經(jīng)濟(jì)性和效果上來看，協(xié)調(diào)開采是控制采動(dòng)坡體變形的可行途徑。

表2 高陡山體下各類采煤方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of mining methods in high and steep mountains

協(xié)調(diào)開采是指多個(gè)煤層或工作面開采時(shí)，通過設(shè)置合理的煤層開采順序、各工作面之間的最佳距離、工作面回采順序、工作面接續(xù)時(shí)間，使開采一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形和開采另一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表移動(dòng)變形符號(hào)相反，相互抵消，以減少采動(dòng)引起的地表動(dòng)態(tài)變形或靜態(tài)變形量。

具體方法：多煤層開采時(shí)，當(dāng)上一煤層工作面開采引起的地表沉降進(jìn)入衰退期后再開采下一個(gè)煤層，將坡體總變形量逐步釋放，地表傾斜、曲率及水平變形的總量及速率控制在坡體允許范圍之內(nèi)。同一煤層多個(gè)工作面回采時(shí)，將引起的地表變形相互疊加，將對(duì)不均勻沉降及水平變形敏感的高陡山體，最大可能的控制在移動(dòng)盆地中間部位。多煤層多工作面協(xié)調(diào)開采過程中，不僅要控制地表傾斜、曲率及水平變形不能向坡體鄰空面方向持續(xù)增加，還要在某個(gè)階段向反方向發(fā)展，使得坡體在變形過程中巖體的構(gòu)性及穩(wěn)定性得到了一定程度的“自恢復(fù)”。一方面，通過延長(zhǎng)地表變形時(shí)間、降低變形速率的方法，將地下開采對(duì)山體穩(wěn)定性影響減輕。另一方面，通過控制地表移動(dòng)的方向，將坡體承載能力得到恢復(fù)，達(dá)到對(duì)山體變形總體保護(hù)的目的。

3 工程實(shí)例

3.1 地質(zhì)及采礦條件

圖5 發(fā)耳煤礦構(gòu)造綱要Fig.5 Structural outline of Faer Coal Mine

2)采礦條件。該盤區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t/a，服務(wù)年限約為64 a。開采煤層為二疊系龍?zhí)督M1、3、5、7煤，煤層厚度0.88～3.61 m，層間距5～35 m，埋深120～1 250 m，傾向長(zhǎng)壁采煤法，工作面長(zhǎng)度180 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 500～2 200 m/a，全部垮落法管理頂板。煤層特征見表3。

表3 五盤區(qū)可采煤層特征Table 3 Characteristics of minable coal seams

3)原開采設(shè)計(jì)方案。五盤區(qū)分為五上采區(qū)和五下采區(qū)(+780 m和+650 m水平)，均采用下山開采。開采1、3、5-2、5-3、7號(hào)煤層，自上而下逐層開采。工作面接續(xù)：由中部向南北方向雙翼交替開采，避免形成孤島開采。1號(hào)煤工作面接續(xù)順序：50103→50101→50102→50105→50104→50107→50106采煤工作面。3、5、7號(hào)煤工作面接續(xù)順序與1號(hào)煤層相同。

注：工作面編號(hào)規(guī)則是盤區(qū)編號(hào)(1位)+煤層編號(hào)(2位)+工作面編號(hào)(2位)圖6 五盤區(qū)設(shè)計(jì)開采平面Fig.6 Mining plan of the fifth panel

3.2 原開采設(shè)計(jì)方案條件下坡體變形數(shù)值模擬

采用離散單元法UDEC計(jì)算軟件對(duì)采動(dòng)坡體變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。巖石塊體本構(gòu)關(guān)系，選擇摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。選取的力學(xué)參數(shù)見表4。

節(jié)理力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，選擇庫(kù)侖滑移關(guān)系。在工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及工程地質(zhì)類別的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次數(shù)值模擬調(diào)參后，綜合選取節(jié)理力學(xué)參數(shù)(表5)。

表5 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 5 Mechanical parameters of joints

邊界條件模型設(shè)置為二維平面應(yīng)變。左右邊界上設(shè)置為沿X軸方向固定，Y軸方向自由；底邊界設(shè)置為Y軸方向約束，X軸方向自由。荷載：重力，方向?yàn)閅軸方向。首先以10—10′典型計(jì)算剖面為計(jì)算模型(圖7)，模擬了自上而下5個(gè)煤層逐層開采過程中的坡體變形基本特征，為原開采設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置及計(jì)算策略提供經(jīng)驗(yàn)。

圖7 10—10′計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Grid division of 10—10′ calculation model

圖8為1號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果，圖8表明，1號(hào)煤層全部采出后，坡體塑性破壞為局部淺層，尚未影響至永寧組灰?guī)r高陡巖體，巖體裂隙不發(fā)育，地表水平位移與縱向位移接近零，煤層開采對(duì)地表移動(dòng)變形影響很小。

圖8 1號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果Fig.8 displacement cloud map after No.1 coal mining

圖9為3號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果，圖9表明，當(dāng)3號(hào)煤層全部采出，地表塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，以連續(xù)的地表移動(dòng)盆地為主，水平位移與縱向位移小于15 cm，在龍?zhí)督M砂泥巖地層中發(fā)育淺層滑坡，地表變形尚未影響永寧組灰?guī)r高陡巖體的穩(wěn)定性。

圖9 3號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果Fig.9 displacement cloud map after No.3 coal mining

圖10為5號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果，圖10表明，隨著5號(hào)煤層全部采出，地表水平位移達(dá)-2 m，縱向位移-3 m，地表塑性區(qū)發(fā)育范圍擴(kuò)大至永寧組灰?guī)r高陡巖體，坡體頂部水平位移量超過1.5 m，整體形成了大范圍的滑坡，地下開采對(duì)坡體整體穩(wěn)定性影響大。

圖10 5號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果Fig.10 Displacement cloud map after No.5 coal mining

圖11為7號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果，圖11表明，隨著7號(hào)煤層全部采出，整個(gè)山體塑性區(qū)分布范圍很廣，地表及覆巖內(nèi)部拉張裂隙非常發(fā)育，地表水平位移達(dá)-4 m，地表縱向位達(dá)-7.1 m，將可能會(huì)發(fā)生大規(guī)模的崩塌及滑坡災(zāi)害，永寧組灰?guī)r高陡巖體大范圍垮塌將嚴(yán)重威脅河流等安全。

圖11 7號(hào)煤全部開采后計(jì)算結(jié)果Fig.11 Displacement cloud map after No.7 coal mining

從上述煤層逐步開采引起地表及覆巖移動(dòng)的模擬過程來看(圖8—圖11)，地下開采范圍、煤層厚度、坡形與地表移動(dòng)變形密切相關(guān)?？v向移動(dòng)基本符合地表移動(dòng)沉降盆地特征，但水平移動(dòng)完全受地形坡向控制，沿坡體下山方向的水平位移可達(dá)-4 m。坡體底部的龍?zhí)督M砂泥巖地層發(fā)生淺層滑坡，坡體上部的永寧組灰?guī)r高陡巖體為大深層大規(guī)模破壞，隨著開采范圍的持續(xù)擴(kuò)大，整個(gè)山體將可能發(fā)生失穩(wěn)。多煤層開采過程中，山體將發(fā)生“煤層開采擾動(dòng)，覆巖開裂破壞，地表沉降變形，煤層重復(fù)采動(dòng)，坡體變形進(jìn)一步加劇，從局部破壞轉(zhuǎn)換為整體破壞”的災(zāi)害演化過程。

根據(jù)原開采設(shè)計(jì)方案，將五盤區(qū)劃分為84個(gè)采煤工作面。按照采區(qū)布置及工作面接續(xù)方案，設(shè)置18個(gè)模擬開采步：第1開采步為50101、5013工作面，第2開采步為50102、50302、55202、55302及50702工作面，第3開采步為50103、50303、55203、55303及50703工作面，……，第16開采步為50116、50316、55216、55316及50716，第17開采步為50117、50317、55217、55317及50717，第18開采步為55318及50718。根據(jù)此回采順序，對(duì)五盤區(qū)不同計(jì)算剖面進(jìn)行地下開采對(duì)坡體變形的數(shù)值模擬分析。

以五盤區(qū)坡體最為陡峭的6—6′剖面為例(圖12)，按原開采設(shè)計(jì)方案開采1、3、5及7號(hào)煤層，自上而下逐層開采進(jìn)行模擬計(jì)算。該剖面上對(duì)應(yīng)的開采步為第16步、第17步與第18步。

圖12 6—6′計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.12 Grid division of 6-6′calculation model

圖13為6—6′剖面第16步開采后數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖13表明，隨著第16步開采，梯子崖發(fā)生塑性變形破壞，梯子崖巖體裂隙擴(kuò)展，地表水平位移0～-0.8 m(梯子崖底部水平位移-0.8 m，上部-0.4 m)，地表縱向位移0～-3.5 m，梯子巖灰危巖體受采煤活動(dòng)影響強(qiáng)烈，會(huì)發(fā)生局部滑坡崩塌破壞。

圖14為6—6′剖面第17步開采后數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖14表明，隨著第17步開采，梯子崖整體發(fā)生塑性變形破壞，梯子崖頂部與底部大范圍發(fā)生巖體裂隙擴(kuò)展現(xiàn)象，梯子崖底部及底部水平位移分別達(dá)-1 m及-2 m，梯子崖底部縱向位移達(dá)到-12 m。

圖14 6—6′剖面第17步開采后數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.14 Numerical calculation results after 17th step of profile 6-6’

圖15為6—6′剖面第18步開采后數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖15表明，隨著第18步開采，梯子崖可能將發(fā)生整體塑性變形破壞，梯子崖頂部與底部大范圍發(fā)生裂隙擴(kuò)展，地表水平位移達(dá)-5 m(梯子崖頂部-3 m)，地表縱向位移可達(dá)-16 m(梯子崖底部-6～-8 m)，采煤活動(dòng)對(duì)坡體影響非常強(qiáng)烈，會(huì)發(fā)生大規(guī)模的崩塌破壞。

圖15 6-6′剖面第18步開采后數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.15 Numerical calculation results after 18th step of profile 6-6’

以上模擬結(jié)果表明，若按原開采設(shè)計(jì)方案下進(jìn)行煤炭資源開采，由淺部向深部逐步回采至梯子崖底部的過程中，地表將發(fā)生大范圍塑性區(qū)及巖體拉裂破壞現(xiàn)象。受巖性、坡形及地下采煤活動(dòng)影響，梯子崖灰?guī)r體縱向位移可達(dá)-8 m，向臨空面的水平位移可達(dá)-3 m，巨厚灰?guī)r體將發(fā)生大尺度、大規(guī)模的整體失穩(wěn)，誘發(fā)巨大規(guī)模的高位遠(yuǎn)程滑坡災(zāi)害。

3.3 基于多煤層協(xié)調(diào)開采的高陡山體變形控制方案

結(jié)合該煤礦瓦斯災(zāi)害抽采、滑坡災(zāi)害控制2個(gè)方面的實(shí)際需求，多方案比較后提出采用多煤層群協(xié)調(diào)開采的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地表山體變形的控制。工作面接續(xù)具體原則：

1)工作面接續(xù)順序。從山體變形控制角度考慮，遵循由深部向淺部進(jìn)行回采的原則。考慮到該煤礦工作面接續(xù)緊張等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際困難，在五上采區(qū)與五下采區(qū)留設(shè)寬20 m保護(hù)煤柱(+780 m)。以保護(hù)煤柱為界，五上采區(qū)由深部到淺部回采方式，五下采區(qū)淺部向深部進(jìn)行回采。

2)工作面接續(xù)時(shí)間。同一位置的上下煤層工作面從時(shí)間上錯(cuò)開回采，延長(zhǎng)煤層開采誘發(fā)地表沉降的時(shí)間，待上層煤開采引起的地表沉降趨于穩(wěn)定后，再開采下層煤。① 五上采區(qū)資源埋深相對(duì)較淺，根據(jù)采動(dòng)條件下地表變形三階段特征，確定該塊段上下煤層回采時(shí)間間隔至少為2 a，以協(xié)調(diào)盤區(qū)工作面的整體接續(xù)布局，確保礦井生產(chǎn)能力。② 五下采區(qū)北翼埋深大，地表劇烈期更長(zhǎng)，且礦井瓦斯含量更高。為使得被保護(hù)層瓦斯充分釋放和上覆巖層充分穩(wěn)定，同一工作面位置上下煤層回采時(shí)間間隔控制在3 a以上，統(tǒng)籌兼顧地表山體變形控制與與瓦斯治理。

在確保將該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)能300萬t/a的前提下，將五盤區(qū)可采的5個(gè)煤層劃分為128個(gè)采煤工作面，規(guī)劃開采時(shí)間由2017年5月至2080年1月，礦井服務(wù)期限內(nèi)64 a(設(shè)計(jì)年限)。各個(gè)工作面接續(xù)協(xié)調(diào)開采工作面接續(xù)方案見表6和表7。

表6 +780 m水平以淺采區(qū)協(xié)調(diào)開采(工作面接續(xù))方案Table 6 Scheme of coordinated mining (working face connection)above +780 m

表7 +780 m水平以深協(xié)調(diào)開采(五下采區(qū)工作面接續(xù))方案Table 7 Scheme of coordinated mining (working face connection)below +780 m

3.4 高陡山體變形控制效果預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

以6—6′剖面為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬分析，評(píng)價(jià)多煤層群協(xié)調(diào)開采山體變形控制效果。為了真實(shí)模擬“上一個(gè)工作面開采沉降穩(wěn)定后、再開采下一個(gè)工作面”巖層移動(dòng)與破壞過程，數(shù)值計(jì)算時(shí)將上一個(gè)工作面開采引起的巖層裂隙(新增加及擴(kuò)展)作為下一個(gè)工作面開采模型的初始條件。計(jì)算參數(shù)與表4及表5保持一致。根據(jù)表6及表7的優(yōu)化后工作面接續(xù)順序，將6—6′剖面劃分為10個(gè)開采步采掘，分別為第18開采步、第19開采步、第24開采步、第25開采步、第30開采步、第31開采步、第36開采步、第37開采步、第42開采步和第43開采步。

第18步開采后，灣河北側(cè)坡體發(fā)生塑性變形破壞。永寧組灰?guī)r受到采煤活動(dòng)影響，巖體產(chǎn)生部分破裂，坡體底部塑性區(qū)形成，巖體破裂面發(fā)育，地表水平位移-0.2～0.6 m，地表縱向位移0.4～1.2 m，梯子崖灰?guī)r開始受到采煤活動(dòng)影響。

第43步開采后，灣河北側(cè)坡體發(fā)生塑性變形破壞。永寧組灰?guī)r受到采煤活動(dòng)影響，地表水平位移0～-3 m，地表縱向位移-2～-10 m，梯子崖灰?guī)r整體受到開采沉陷影響。

將原開采設(shè)計(jì)方案與協(xié)調(diào)開采方案條件下的坡體變形特征進(jìn)行對(duì)比分析，煤層開采引起覆巖塑性區(qū)及破裂區(qū)總體發(fā)育趨勢(shì)基本一致，下山方向龍?zhí)督M泥沙巖地層塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)大，覆巖內(nèi)部及地表破裂程度基本相當(dāng)。地表水平位移變化差異顯著，原開采設(shè)計(jì)方案條件下，永寧組灰?guī)r水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，地表形成了大范圍水平移動(dòng)變形區(qū)，從形態(tài)上看似一個(gè)巨大的滑坡體；協(xié)調(diào)開采方案條件下，地表水平變形明顯減少，且在整個(gè)坡體內(nèi)部分布較為均勻，未形成明顯的水平移動(dòng)區(qū)域。地表縱向位移發(fā)育范圍及發(fā)展趨勢(shì)基本一致，協(xié)調(diào)開采方案條件下坡體的縱向位移沿上山方向發(fā)育略大，但沉降總量基本相當(dāng)。

將6—6′剖面分別在原開采設(shè)計(jì)方案及協(xié)調(diào)開采設(shè)計(jì)方案條件下，直接控制坡體穩(wěn)定性的最大水平變形及最大傾斜指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表8)。

表8 優(yōu)化前采區(qū)坡體地表移動(dòng)變形值對(duì)比

表8表明，3號(hào)煤層開采完畢引起的地表最大水平變形值降低了67%，最大傾斜值降低了41%；5號(hào)煤層開采完畢引起的地表最大水平變形值降低了80%，最大傾斜減低了50%；7號(hào)煤層開采完畢引起的地表最大水平變形值降低了85%，最大傾斜值降低了67%。由此可見，協(xié)調(diào)開采方案條件下，直接影響山體穩(wěn)定性的最大水平變形及最大傾斜變形發(fā)生了顯著降低，更有利于對(duì)山體穩(wěn)定性的控制。

4 結(jié) 論

1)采動(dòng)山體變形受地形條件、巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)及開采條件多因素共同作用，地下開采是坡體變形之誘因，重力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)疊加引起的應(yīng)力集中，是引起巖體破裂及坡體失穩(wěn)之本質(zhì)。

2)西南地區(qū)采動(dòng)山體變形控制應(yīng)統(tǒng)籌兼顧礦井瓦斯防治，既要覆巖發(fā)生斷裂提高瓦斯抽采效果，還需控制地表變形減輕對(duì)山體穩(wěn)定性的影響，多煤層協(xié)調(diào)開采是解決此問題的可行路徑。將開采活動(dòng)對(duì)覆巖變形及破壞速率降低，逐步釋放總變形量，利用地表變形符號(hào)的變化，將水平變形及傾斜等坡體穩(wěn)定性敏感指標(biāo)控制在允許變形之內(nèi)，受保護(hù)山體控制在移動(dòng)盆地的中間部位。

3)西南某礦五盤區(qū)山體下多煤層協(xié)調(diào)開采預(yù)測(cè)結(jié)果表明，最大水平變形降低了67%～85%，最大傾斜值降低了41%～67%，梯子崖(永寧組灰?guī)r)穩(wěn)定性得到控制。