露天矿高陡边坡沿工作面走向围岩力学特征及上覆岩层运动研究
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摘 要 由于受煤炭资源和开采成本限制，国内有许多露天矿在进入深部开采以后，由露天开采转为露天与地下联合开采。在此过程中，露天与地下联合开采过程对边坡的扰动相互叠加，使边坡岩体受到两次扰动。本文以抚顺西露天矿为工程背景，对沿工作面走向的综放面进行了模拟研究，沿工作面走向建立综放开采过程的离散元数值模型，得到上覆岩层的位移场特征和应力场特征和破断特征，以及传递上层覆岩荷载和自重的“拱形”的大结构体和小结构体。
关键词 露天转地下；扰动岩体；数值模拟；覆岩
中图分类号TD98 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）95-0175-02
1概况
从20世纪70年代以来，很多露天开采的矿山都面临着一个共同的问题，即随着露天开采的延伸，剥离费用不断增加，所形成的高陡边坡将给矿山带来严重威胁，造成露天开采成本不断增加，多座露天矿相继开始转入地下开采阶段，如：凤凰山铜矿，铜官山铁矿等[1]。
抚顺西露天矿是多年风化的岩质边坡，岩体由岩块和一系列的不连续面组成的，这些不连续面包括：断面、节理裂隙和软弱夹层等，而岩体的强度取决于岩体强度、不连续面的分布形态和力学特征。在大多数情况下，不连续面的变形能力是岩块的几个数量级。因此，在研究时忽略岩块的变形，把岩块视为刚体，去研究受不同力学性质的不连续面控制的岩体运动规律，在本次研究中主要用到离散单元法，应用软件为UDEC2D3.10。
西露天矿北帮的地质构造特征主要有褶曲构造、断层构造和节理构造，构成北帮的始新世地层都具有相似的节理破坏类型，其层理和两组较发育的节理通常都呈直立[2]。
2沿工作面走向开挖的动态过程模拟
2.1 模拟方案
由图2可知：当工作面沿开采方向推进100时，上覆煤层下沉位移发生明显增加，由推进到90时1.61的下沉量增加到3.40，煤层发生破断。当推进至140时，位移下沉量由130处的5.07增加到7.24，上覆煤层发生周期破断。工作面继续推进到180，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，达到0.5。
由图3可知，初次破断、第一次周期破断和第二次周期破断仍然分别发生在工作面推进至100、140、180处。值得注意的是，位移下沉量较-220标高监测线上的位移下沉量有所减小。当工作面沿开采方向推进100时，上覆煤层位移下沉量发生明显增加，由推进到90m下沉1.13增加到下沉2.30，煤层发生初次破断。当推进至140时，位移下沉量由130处的2.95增加到4.41，上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，最大达到0.9。最大竖向位移下沉量由11减小到5.98。这也说明：油母页岩强度大，有效控制了开采扰动引起竖向位移的向上传递。
从图4可知，当工作面沿开采方向推进100时，上覆煤层位移下沉量发生明显增加，由推进到90下沉0.88增加到下沉1.81，煤层发生初次破断。当推进至140时，位移下沉量由130处的2.49增加到3.29，上覆煤层发生第一次周期破断。工作面继续推进到180，岩层发生第二次周期破断，位移下沉量较前两次稍小，最大达到0.75。回填材料与油母页岩和煤层同步协调变形。油母页岩顶面的最大下沉量减小为4.5。
2）上层覆岩的变形特征
模型从开切眼（W1000处）开始推进，推进步距为10。当工作面推进到70时，采空区顶板弯曲下沉较为明显，采空区直接顶在重力应力场及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动缓沉带和弯曲、断裂直至垮落，但老顶未发生破断。当工作面推进到100时，岩层局部破坏与冒落，顶板的弯曲下沉更为明显。老顶以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向运动，产生断裂、离层。裂隙带由于岩层运动引起采场周围岩体内的应力重新分布，成层状弯曲岩层的下沉，使垮落破碎的岩块逐渐被压实。当工作面推进至140和180时，破断连续发生，并伴随冒落。当开采范围足够大时，成层状弯曲岩层将传至地表，在地表形成引起地表沉陷变形盆地。
2.2.2上层覆岩的应力场特征
从工作面开切眼开始，采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。当工作面推进30时，扰动影响的范围不大，此时除局部应力重分布以外，对上覆岩层影响不大。当工作面推进70时，顶板围岩发生破坏，形成围岩松动区，此时的围岩应力显示出层状拱形结构，拱高大约为33，上覆岩层的荷载通过拱形结构传递到采空区两帮。当工作面推进100时，由于顶板发生了破断，说明直接顶已经发生冒落并在较小范围内形成拱形“小结构”。但此时在上层覆岩弯曲带中仍然存在一个拱形“大结构”传递上覆岩层荷载，从而形成围岩的自平衡结构。此时拱形大结构的拱高大约为65。工作面继续推进至140，随着跨度的增加，拱内岩体的自重增加，单个拱形结构体无法承担上覆岩层荷载和自重，产生应力重分布形成了两个拱形小结构。影响上层覆岩范围分别达到60和22。拱内岩体应力降低，并在重力作用下垮落形成垫层。当工作面推进到180时，左侧的拱形结构体内垮落比较完全，影响到上层覆岩55m范围，右侧拱形结构体应力处于重新调整中，并有逐步增加的趋势。
3 结论
通过对沿工作面走向的综放面及围岩的离散元分析，得出以下结论：
1）由不同监测线位移下沉曲线可知：当工作面推进到100、140、180时，下沉量发生明显增加，说明上覆岩层在工作面推进过程中产生了破断；
2）上层覆岩的移动是非线形的，距顶板的距离越近，下沉量越大，其余监测点也出现整体下沉的现象。且各条监测点间存在一定程度的离层；
3）随着工作面的不断推进，覆岩运动范围逐渐扩大。采场上方的裂隙拱由小到大逐渐向上方岩层扩展，并呈现周期性跳跃发展；
4）从工作面开切眼开始，采场围岩的最大主应力分布随着开采的推进发生不同的变化。并形成“拱形”的大结构和小结构以传递上层覆岩荷载和自重。拱内岩体在重力作用下垮落形成垫层。
参考文献
[1]徐长佑.露天转地下开采[M].武汉：武汉工业大学出版社，1989，3.
[2]抚顺矿务局西露天矿北帮边坡稳定性研究[M].煤炭科学研究总院抚顺分院，1990，12.
[3]UDEC2D（3.10）.User’s Manual Itasca Consulting Group Ind.Minnesota USA，1996.