地下開采擾動(dòng)對(duì)露天排土場(chǎng)邊坡變形破壞的影響

王曉俊，呂文偉，韓 流，陳祥宸

(1.國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著露天開采在我國(guó)礦山開采領(lǐng)域比重逐漸增大，露天礦山邊坡安全問題也愈發(fā)突出[1，2]。影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，其中由于露井聯(lián)采[3]、露天轉(zhuǎn)地下開采[4]和礦山邊坡下地下開采[5]等原因所形成的邊坡下采空區(qū)嚴(yán)重影響著邊坡穩(wěn)定，威脅著露天礦山人員及設(shè)備安全[6]。

許多學(xué)者就采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量研究。藍(lán)航等[7]指出采動(dòng)影響下臺(tái)階狀邊坡體表現(xiàn)出明顯的“臺(tái)階”分布沉陷規(guī)律。柴紅保等[8]總結(jié)了位于邊坡體不同位置不同跨度的采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王振偉[9]通過相似模擬試驗(yàn)研究了地下開采對(duì)露天礦邊坡變形過程的影響。楊曉杰等[10]指出當(dāng)邊坡滑動(dòng)面穿過采空區(qū)時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到邊坡穩(wěn)定。張震等[11]通過正交試驗(yàn)分析得出采空區(qū)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，采空區(qū)跨度次之，采空區(qū)高度影響最小。蘇二換等[12]分析了不均勻載荷和不同外排土場(chǎng)形狀對(duì)采空區(qū)的地表沉陷過程中的應(yīng)力分布形態(tài)及變形規(guī)律。這些研究豐富了采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。然而，露天礦排土場(chǎng)是在露天礦開采過程中產(chǎn)生的大量剝離物或尾礦渣被集中堆排形成的巖土工程體[13]，由于排棄物料復(fù)雜，抗剪強(qiáng)度低，且由人工堆排、通常為高陡邊坡的特點(diǎn)決定了排土場(chǎng)邊坡更易出現(xiàn)安全問題[14]。

以上研究為地下開采對(duì)露天礦邊坡變形影響奠定了理論基礎(chǔ)，但是露天礦排土場(chǎng)是松散堆積體，未形成連續(xù)完整巖層，其地下開采引起地表沉陷，造成露天礦排土場(chǎng)邊坡變形破壞規(guī)律有待深入研究。本文以酸刺溝煤礦地下開采引起哈爾烏素露天礦排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)為例，分析了地表沉陷規(guī)律及其誘發(fā)排土場(chǎng)變形機(jī)理，采用概率積分法預(yù)測(cè)地表沉陷量，并借助FLAC3D分析排土場(chǎng)邊坡變形及地表塌陷，同時(shí)模擬了工作面回采結(jié)束后排土場(chǎng)邊坡的位移變化，為露天排土場(chǎng)治理提供了依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

哈爾烏素露天礦外排土場(chǎng)占地面積5.06 km2，排土高度100～120 m，最終幫坡角21°，目前已排棄到界，全部完成覆土。酸刺溝煤礦為地下開采煤礦，采用長(zhǎng)壁工作面布置，該礦一盤區(qū)位于哈爾烏素露天煤礦的外排土場(chǎng)的下方，該礦主要開采4#煤層和6#煤層，根據(jù)酸刺溝煤礦的開采設(shè)計(jì)，在哈爾烏素外排土場(chǎng)境界范圍內(nèi)，4#煤共布置五個(gè)工作面，6#煤布置七個(gè)工作面。目前，4112工作面和6102工作面已經(jīng)開采結(jié)束，最后一個(gè)工作面6104將于2023年5月開采結(jié)束。哈爾烏素露天礦外排土場(chǎng)與酸刺溝礦一盤區(qū)采煤工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 哈爾烏素露天礦外排土場(chǎng)與酸刺溝礦采煤工作面位置關(guān)系Fig.1 Location of the external dump of Harwusu Open-pit Mine and the mining face of the Sunancigou Coal Mine

酸刺溝礦4#煤的4112工作面和6#煤的6102工作面開采后，分別引起了外排土場(chǎng)不同程度的沉陷和坍塌，部分臺(tái)階出現(xiàn)逐漸下沉裂縫，坡面出現(xiàn)大量裂縫、滑移及傾斜，嚴(yán)重影響了外排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，如圖2所示。哈爾烏素外排土場(chǎng)先前整體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，而自酸刺溝煤礦一盤區(qū)工作面開始采煤后，外排土場(chǎng)陸續(xù)呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，目前工作面開采到第三階段，先后已經(jīng)有羊場(chǎng)東塌陷區(qū)、水車路塌陷區(qū)、外排1175塌陷區(qū)、聯(lián)絡(luò)路塌陷區(qū)四處典型塌陷破壞區(qū)。預(yù)計(jì)隨著后續(xù)4#和6#煤層其他工作面的進(jìn)一步開采，外排土場(chǎng)的沉降和裂縫將會(huì)進(jìn)一步加劇。因此，提前分析、預(yù)測(cè)及建立預(yù)防措施，對(duì)于外排土場(chǎng)的穩(wěn)定具有重要意義。

圖2 酸刺溝礦開采引起哈爾烏素露天礦外排土場(chǎng)變形失穩(wěn)Fig.2 Deformation and destabilization of the outer dump of Harwusu Open-pit Mine caused by mining in Suancigou Coal Mine

2 地表及排土場(chǎng)移動(dòng)與變形動(dòng)態(tài)過程

當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形。地表移動(dòng)和變形受到多種地質(zhì)采礦因素的影響，開采深度、開采厚度、采煤方法以及煤層產(chǎn)狀等因素不同，地表移動(dòng)和破壞形式也不完全相同。分析酸刺溝煤礦地質(zhì)條件可以看出，4#煤平均采厚4.8 m，平均采深210 m，深厚比為43.8，4#煤開采后能夠形成明顯的三帶結(jié)構(gòu)。6#煤平均采厚25 m，平均采深252 m，深厚比10.1，開采后形成的斷裂帶已經(jīng)接近地表，彎曲帶厚度較薄，地表存在不連續(xù)變形。

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的情況下，地表最大下沉點(diǎn)從開始移動(dòng)到移動(dòng)穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間，分為：開始階段、活躍階段、衰退階段。酸刺溝煤礦6上101-1、6上101-2、6上103-1、6上103-2工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)域的地表開始移動(dòng)后，很快進(jìn)入活躍階段，開始階段時(shí)間極為短暫，觀測(cè)結(jié)果表明開始階段只有2 d，活躍期約為82 d，衰退階段約為184 d，移動(dòng)總時(shí)間約為268 d。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)問題，后續(xù)工作面推進(jìn)無法收集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

分析酸刺溝煤礦的地表移動(dòng)觀測(cè)資料以及地質(zhì)采礦資料發(fā)現(xiàn)，區(qū)域地表沉陷呈現(xiàn)不連續(xù)的特征，存在裂縫、臺(tái)階等各種不連續(xù)的變形，但是從整個(gè)移動(dòng)盆地的沉陷分布來講，仍然符合概率積分法模型描述的地表移動(dòng)盆地特征。因此，本研究采用概率積分法對(duì)該礦地下開采引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)，其概率積分法的數(shù)學(xué)模型如下：

地表任意點(diǎn)A(x，y)的下沉值W(x，y)，見式(1)：

地表任意點(diǎn)A(x，y)沿φ方向的水平變形值ε(x，y)j見式(2)：

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開采損害及防護(hù)研究所依據(jù)該概率積分法數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了相應(yīng)沉陷預(yù)計(jì)軟件，利用該軟件預(yù)測(cè)得到不同階段工作面開采造成的地表沉陷預(yù)測(cè)值，如圖3所示。

圖3 酸刺溝煤礦開采引起地表沉陷及預(yù)測(cè)值Fig.3 Predicted surface subsidence due to coal mining in Suancigou Coal Mine

3 地下開采引起排土場(chǎng)邊坡變形機(jī)制分析

隨著地下開采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)圍巖發(fā)生應(yīng)力重新分布，排土場(chǎng)邊坡的存在打破了原始應(yīng)力的對(duì)稱分布狀態(tài)，地表移動(dòng)盆地呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，排土場(chǎng)坡頂?shù)牡乇砦灰屏看笥谄履_。排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部呈現(xiàn)出新的拉應(yīng)力區(qū)、壓應(yīng)力區(qū)、剪應(yīng)力區(qū)[15]。由于工作面布置位置與排土場(chǎng)邊坡的傾向、走向存在方向位置，導(dǎo)致新的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響是不同的，有的增加了抗滑力，有的增加了下滑力[16]。根據(jù)邊坡位移大小、方向及受力狀態(tài)，排土場(chǎng)邊坡覆巖移動(dòng)狀態(tài)劃分為5個(gè)區(qū)，如圖4所示。

圖4 地表沉陷誘發(fā)上部邊坡失穩(wěn)Fig.4 Upper slope instability induced by surface subsidence

垮落松弛變形區(qū)(Ⅰ區(qū))：位移采空區(qū)上方，在覆巖重力作用下，頂板直接垮落充填采空區(qū)，表現(xiàn)為垂直拉伸和水平拉伸。彎沉擠壓變形區(qū)(Ⅱ區(qū))：位于采空區(qū)上方，巖層層狀向下彎曲，伴隨離層、裂隙和斷裂等現(xiàn)象，以垂直拉伸變形為主，層間剪切錯(cuò)動(dòng)為主要變形形式。彎沉拉伸變形區(qū)(Ⅲ區(qū))：采空區(qū)邊界至影響邊界范圍內(nèi)，彎曲程度最大，以水平拉伸和垂直壓縮變形為主。支承壓力區(qū)(Ⅳ1區(qū))：位于采空區(qū)側(cè)塌陷范圍以外，承受采空區(qū)上覆巖層重力轉(zhuǎn)移，其應(yīng)力值為原巖應(yīng)力的1.5～3.0倍，表現(xiàn)為垂直壓縮和水平壓縮。支承壓力區(qū)(Ⅳ2區(qū))：位于采空區(qū)側(cè)塌陷范圍以外，承受采空區(qū)上覆巖層重力轉(zhuǎn)移，以水平層間剪切錯(cuò)動(dòng)為主，伴隨一定的壓縮變形。隨著酸刺溝煤礦工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上部地表沉陷形成移動(dòng)盆地，受開采沉陷形成的附加應(yīng)力場(chǎng)影響，排土場(chǎng)邊坡體向采空區(qū)中心移動(dòng)，破壞了邊坡體的完整性和巖體強(qiáng)度，導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)。

4 工作面推進(jìn)對(duì)排土場(chǎng)邊坡變形破壞影響

本次計(jì)算通過FLAC3D軟件模擬4#煤和6#煤工作面開挖引起的排土場(chǎng)位移變化，所選數(shù)值計(jì)算區(qū)域見圖5(a)中紅色方框區(qū)域，通過將CAD中所選區(qū)域高程點(diǎn)導(dǎo)入ANSYS軟件中建立地表表面，然后根據(jù)建立的表面生成三維幾何模型并導(dǎo)入HYPERMESH劃分網(wǎng)格(圖5(b))，所建模型尺寸為2689 m×3300 m×463 m，共劃分網(wǎng)格2128453個(gè)網(wǎng)格。模型X方向兩表面約束X方向位移，Y方向兩表面約束Y方向位移，模型底面約束豎直方向位移，采用彈塑性模型平衡初始應(yīng)力，基于Mohr-Coulom破壞準(zhǔn)則，以計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率小于10-5的求解要求。這里數(shù)值計(jì)算模型的X方向即圖5(b)中的東南方向，Y方向即圖5(b)中的東北方向。數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock formations

圖5 數(shù)值模擬區(qū)域和計(jì)算模型Fig.5 Numerical simulation computing model

酸刺溝煤礦一盤區(qū)共開采工作面12個(gè)，開采時(shí)間自2018年11月—2023年5月，各工作面的基本情況詳見表2。為了掌握酸刺溝煤礦一盤區(qū)開采地表沉陷動(dòng)態(tài)過程，詳細(xì)分析排土場(chǎng)的變形破壞情況，模擬了不同時(shí)間段不同工作面開采后的地表變形、水平變形情況，共模擬了9個(gè)開采階段，各階段開采工作面情況詳見表2。

表2 酸刺溝采煤工作面開采時(shí)間及模擬開采順序Table 2 Timing of workings and simulated mining sequences for Suancigou Coal Mine

4.1 排土場(chǎng)邊坡變形及地表塌陷分析

不同的工作面推進(jìn)對(duì)地表沉陷影響范圍顯著，如圖6所示。6012工作面首先推進(jìn)后，在排土場(chǎng)坡腳位置出現(xiàn)明顯的沉降(黃色圈標(biāo)注位置)，其下沉值在17.4 m左右，塌陷坑左右兩側(cè)的位移值在6.5 m左右。隨著后續(xù)工作面推進(jìn)，該位置的沉陷范圍在逐漸減小，因?yàn)樵撐恢镁嚯x后續(xù)工作面布置位置較遠(yuǎn)，采空區(qū)上覆巖石的移動(dòng)逐漸穩(wěn)定，上覆巖層形成了較為穩(wěn)定的“三帶”[17]。然而，從階段2開始，隨著工作面的推進(jìn)，不同開采階段的地表沉陷范圍(藍(lán)色圈標(biāo)注位置)在逐漸擴(kuò)大，其下沉值在9.0～22.2 m內(nèi)不斷增大，其X方向位移值也在5.7～9.0 m內(nèi)不斷增大。4112工作面位于排土場(chǎng)頂部的正下方，其開采只造成排土場(chǎng)頂部小范圍的沉降。但是，當(dāng)6114和4110工作面推進(jìn)后，4#煤層和6#煤層形成錯(cuò)動(dòng)的上下采空區(qū)，造成上覆巖層的“三帶”范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致傳遞至排土場(chǎng)頂部的地表沉陷值增大。工作面推進(jìn)至開采階段9之前，排土場(chǎng)下覆巖層，依然是兩個(gè)獨(dú)立的“三帶”影響范圍，直到開采階段9的6104工作面推進(jìn)后，采區(qū)上覆巖層才形成一個(gè)較大的“三帶”影響范圍。

圖6 不同開采階段的排土場(chǎng)位移及地表沉陷情況Fig.6 Displacement of the dump and surface subsidence at different stages of mining

通過階段1到9的數(shù)值模擬結(jié)果，將該結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其中主要針對(duì)地表最大下沉量的數(shù)據(jù)分析和位置分析。對(duì)比圖2(b)和圖6，分析可知地表最大下沉量的理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都非常相近，從階段9工作面開采完到沉降穩(wěn)定，最終沉降值將會(huì)達(dá)到21 m左右。由此可知，沉降和移動(dòng)值較大，勢(shì)必會(huì)引起排土場(chǎng)的變形與失穩(wěn)。由預(yù)測(cè)值可知，到第三階段時(shí)，由圖7中Y方向位移明顯看出，排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了四大塌陷區(qū)，數(shù)值模擬也說明了塌陷區(qū)的極值和位置，具有良好的一致性。

圖7 設(shè)計(jì)剖面位置Fig.7 Location of designed profiles

4.2 開采結(jié)束后的排土場(chǎng)邊坡變形破壞分析

工作面開采結(jié)束后，以6#煤各工作面中點(diǎn)為基準(zhǔn)，共設(shè)計(jì)7個(gè)剖面，從左到右依次為A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F和G-G剖面，如圖7所示；各截面上的水平位移如圖8所示。

圖8 各剖面水平位移分布Fig.8 Horizontal displacement distribution for each profile

從圖8中可知，各剖面水平位移具有明顯的差異性。A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F和G-G剖面最大水平位移分別為4.09、5.20、7.06、5.93、5.40、4.09 和3.44 m，從左到右呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，C-C剖面水平位移最大。各剖面最大水平位移量與4#煤和6#煤工作面推進(jìn)長(zhǎng)度呈正相關(guān)。由于F-F和G-G剖面位置只開采6#煤，布置的工作面長(zhǎng)度較短，形成的采空區(qū)范圍相對(duì)較小。因此，其水平位移最??；C-C剖面位置4#煤和6#煤均開采，且4#煤和6#煤工作面推進(jìn)長(zhǎng)度基本相等，其水平位移最大。其余各剖面受4#煤各工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的制約，水平位移介于二者之間。

各剖面水平移動(dòng)規(guī)律基本一致。在剖面方向上，采空區(qū)兩側(cè)水平位移最大，各剖面兩側(cè)水平位移均呈現(xiàn)向采空區(qū)中部滑移的特征。各剖面兩側(cè)邊坡水平位移分布規(guī)律相似，總體表現(xiàn)為左側(cè)邊坡水平位移大于右側(cè)邊坡。因此，在4#煤和6#煤各工作面回采過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)左側(cè)邊坡變形監(jiān)測(cè)，尤其是C-C剖面位置。

5 結(jié) 論

1)概率積分法預(yù)測(cè)最大沉陷量為21 m左右，F(xiàn)LAC3D模擬計(jì)算最大沉陷量為22 m左右；兩者的地表最大沉陷量均隨著開采階段的進(jìn)行先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，符合地表沉陷形成移動(dòng)盆地的規(guī)律。

2)實(shí)際開采過程中，排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了四大塌陷區(qū)，數(shù)值模擬結(jié)果也顯示了塌陷區(qū)的極值和位置，具有良好的一致性，可以提前為礦山采煤沉陷做好防治工作。

3)排土場(chǎng)邊坡水平位移量與工作面推進(jìn)長(zhǎng)度呈正相關(guān)；工作面走向上，采空區(qū)兩側(cè)水平位移最大，呈現(xiàn)出向采空區(qū)中部滑移的特征，且總體表現(xiàn)為左側(cè)邊坡水平位移大于右側(cè)邊坡。