L工作面露天转地下开采边坡及围岩的移动变形机理分析

柴佳美 孙家恺

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室；

3.北京市煤矿安全工程技术研究中心；4.煤炭科学技术研究院有限公司)

L工作面露天转地下开采边坡及围岩的移动变形机理分析

柴佳美1,2,3孙家恺2,3,4

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室；

3.北京市煤矿安全工程技术研究中心；4.煤炭科学技术研究院有限公司)

以某煤矿L工作面露天转地下开采为例，应用FLAC3D软件进行数值模拟，结合矿区地质条件和数值模拟结果，对露天边坡和地下开采上覆岩体的应力场及位移场进行了详细分析，归纳出了L工作面煤矿在露天转入地下开采时围岩的力学环境变化特点和移动变形规律。在从里向外的地下开采过程中，工作面前后煤壁及周围岩体更易发生应力集中，边坡和采空区上覆岩体的移动矢量指向采空区，使边坡角减小，坡高降低，有利于边坡稳定。

露天转地下 应力场 位移场 移动变形规律

露天矿山开采转入地下开采时，必须对整个矿区岩土体的应力场和位移场进行准确分析,才能采取合理的防范措施。张亚民[1]基于GPS实测数据分析了以水平构造应力为主导的高应力区露天转地下开采引起的岩体变形规律，并对理论分析误差用数值模拟进行了验证；宋卫东[2]采用物理相似材料模型试验和数值模拟计算相结合的方法，对露天转地下开采过程中围岩的破坏机理及移动范围进行了系统的研究；史秀志[3]用 FLAC3D分析了不同跨度D及立柱厚度d下采空区围岩的变形及破坏特征，并用FISH语言定义岩石剪切破坏的摩尔-库仑判据，实现了单元体剪切破坏判据值及其他关键参数在运算过程中的动态监测，最终为施工设计提供合理工艺参数；赵海军[4]在利用GPS监测网络得到岩体位移变形的基础上，利用数值模拟对岩体力学环境进行了研究，探讨了围岩移动变形、应力场分布和破坏机理；李扬[5]采用ANSYS和FLAC3D联合建立了三维模型，研究了塌陷区回填和不回填两种情况对露天转地下开采形成的高陡边坡的影响，通过分析数值模拟结果，得出了其影响规律。由于数值模拟有着能对矿区岩体进行定性分析及所用模型所涉及围岩种类较为详细、更为准确等优点，因此被广泛应用。本文将应用FLAC3D软件对某煤矿L工作面露天转地下煤矿的应力场和位移场进行详细分析，并归纳L工作面露天转地下边坡岩体的移动变形特点，对露天转入地下开采提供科学指导。

1 地质概况及模型的建立

该煤矿位于内蒙古自治区乌海市东南45 km，处于桌子山煤田公乌素精查区3#～17#勘探线。该矿煤田是石炭二叠纪地层，主要含煤地层为石炭系上统太原组(C2t)和二叠系下统山西组(P1s)。矿区内地表绝大部分为第四系风积砂覆盖，局部区域出露石炭系上统太原组、二叠系下统山西组地层。

煤田以桌子山背斜为主体构造，其西翼平缓，东翼较陡。西翼受岗德尔-西来峰逆断层影响，表现为不对称向斜，西翼较陡，东翼平缓，桌子山地区主要构造线方向均近于南北方向。公乌素矿区位于桌子山煤田南部，西来峰逆断层以西拉什仲庙背斜向南倾没部分。该矿区工程地质条件良好，不会对矿区安全生产有较大影响。其岩体力学参数见表1 。

表1 岩体物理力学性质

根据实测剖面图，以实测Ⅰ-Ⅰ剖面为分析对象(见图1)建立数值模型，主要地层有砂岩、泥岩、煤层等。模拟计算时需要考虑地表排土场附加荷载的影响，排土场高15 m，坡角35°，距离露天坡肩约30 m，边坡角为51°。模拟地下采掘从里面煤层向外部露天采坑方向开采，数值模型网格划分如图2所示。

图1 实测Ⅰ-Ⅰ剖面地层分布

图2 三维数值模拟模型示意

2 露天转地下开采上覆岩体移动演变规律分析

2.1 应力场演变特点分析

图3为露采后的初始应力场。由图3可知，在露天转入地下开采前,露天边坡体较为稳定,未出现应力集中超过岩体极限承载力的情况。在自重作用下，主应力主要以压应力为主。Z向(竖向)应力分布均匀，从地表向下逐渐增大，应力场呈现出平行的条带分布，过度连续；大部分岩体水平应力小于垂直应力，岩体处于剪应力状态下，露天采场坑底边坡脚附近岩体的剪应力呈环形分布，有剪应力集中的趋势，若进行地下开采，极易造成剪压破坏，导致露天境界边坡岩体丧失其坡脚及周围岩体的支撑，出现大范围的牵引式边坡失稳。

图3 初始应力场分布云图

露天转入地下开采后，随着工作面推进，采空区不断增加，围岩临空面持续增大(见图4)。

图4 工作面推进时Z向应力云图

在地采推进过程中，Z向应力等值线在采空区推进面的前后煤壁附近汇聚，压应力集中，同时由于临空面增加，采空区顶板和底板周围应力得以释放，压应力减小，有向拉应力发展的趋势；随着工作面的进一步推进，采空区前后煤壁附近岩体压应力集中程度加剧，其中后侧壁在工作面推进200 m时压应力高达9.23 MPa，与地采100 m相比增加了2.3 MPa，超过了围岩抗压强度，说明在采空区前后侧壁处容易出现围岩破碎，为了保证安全生产需要加强支护；顶板和底板周围岩体应力得到充分释放，压应力减小的范围进一步扩大，顶板出现拉应力区，量值为0.017 MPa，极易出现顶板围岩拉裂缝，造成塌方,底板压应力已很小，岩体临空面增大将导致底板周围岩体约束减少，底板会发生一定范围的隆起。

从图5所示的XZ平面剪应力云图来看，地下采空区在采动初期就会发生剪应力集中，主要分布在几何外观变动较大的岩体周围，工作面前后侧壁附近岩体均有应力集中区域，且以顶板与侧壁重合处的拐角平面为中心向周围扩展。随着临空岩体增多，应力集中程度加剧，最大剪应力3.513 MPa，已经接近岩体承载力极限，极易造成剪切破坏，影响整体稳定性。特别之处是，与初始应力场相比较，在露天转入地下采动后，露采边坡的坡脚处剪应力集中现象得以改善，这是有利于边坡稳定的。

图5 工作面推进时XZ平面剪应力云图

2.2 位移场演变特点分析

如图6所示，Z向(竖向)位移场在地采工作面推进的同时不断调整演变，主要表现为煤层顶板以上岩体下沉，底板岩体产生不同程度的底鼓，这与应力场的变化趋势是一致的。煤层上覆围岩的竖向位移越靠近采空区主断面量值越大，其分布等值线为拱形。由于开采深度较浅，工作面开采尺寸较大，开采引起的上部岩体竖向位移使得地表发生的下沉较大，形成了沉降盆地，盆地中心在采空区主断面上方，且随着工作面向前推进不断移动。在地采100 m 时，地表下沉最大值为5.456 m，随着开采空间继续扩大，上覆岩体产生不同位移继续以拱形的发育形态逐步向上传递，从而使得上部岩体不断弯曲下沉，最终发育到地表。在推进到200 m时，上覆岩层移动的范围和位移量进一步增大，盆地中心下沉量高达7 m。此外，在露采边坡上，地采影响域内的岩体表现向下向采空区移动，而影响域以外的岩体则有微量的隆起，易在边坡上出现分层裂缝，但由于坡体高度减少，对边坡的稳定是有利的。

图6 工作面推进时Z向位移云图

由图7X向(水平)位移场得知，地表水平位移随着工作面的推进而逐渐增大，采空区两侧上方地表形成两个方向相反的等值圈，水平位移矢量均指向采空区一侧，工作面前后煤壁上方地表水平位移出现最大值，主要是因为在地表各个区域中，煤壁上方地表受开采影响最大。但是对于露采边坡的稳定性来讲，由于地下采动效应与边坡滑移效应的矢量相反，减小了边坡体的滑移力，有利于边坡的稳定。

图7 工作面推进时X向位移云图

2.3 露天转地下开采滑移机理

在露天开采所形成新的山体结构、荷载、应力场环境下，转入地下开采使整个采区的岩体变形趋势更为复杂。从山坡体破坏滑动面来说，主要体现在地下采动效应造成已经达到平衡的露天开采作用效应活化，并形成了两种采动效应相互影响、相互作用和相互叠加的复合动态叠加效应。假设露天开采完毕达到平衡应力状态{σ0}，每次地下采动将引起应力变化{ΔσDi}，第i次采掘后平衡应力状态变化为{σi}={σ0}+{ΔσD1}+{ΔσD2}+{ΔσD3}+…+{ΔσDi}，即复合动态叠加体系[6-8]。

图8为受地下水、风化及岩体流变性等因素的影响，边坡岩体产生的变形。在此条件下进行地下开采，将会破坏边坡岩体内部的应力平衡关系，从而使岩体内应力场发生变化，边坡岩体会再次产生移动与变形，其中受外界条件影响的边坡岩体位移矢量为Ui，地下采动引起的位移矢量为Vi，合成矢量为Wi，两者合成矢量方向要根据各自的大小和两者之间的夹角来确定。随着围岩临空面增大，边坡岩体受扰动程度也随之增加，采动效应的影响区域也会扩大，但地下采动效应对边坡岩体的不同空间位置的影响是有所差异的。因此，地下采动与边坡岩体本身变形所产生的叠加结果在各个区域表现出来的特点不同，合成矢量角大则有利于边坡稳定。

图8 露天转地下开采岩体滑移示意

如图9所示，L工作面煤层开采过程中，上覆岩体主要体现出地下采动效应的特性，移动方向指向采空区；受地下开采诱发坡体的移动方向与坡体自身的滑移效应方向相反，合成矢量角大于90°，叠加结果相互抵消一部分，在地下采动影响域内，合成矢量指向采空区，岩体移动使边坡坡高降低，坡角变缓，从而对边坡稳定有利。

图9 煤层开采中上覆岩体移动变形示意

3 结 论

(1)L工作面露天转地下开采时，容易在露天边坡脚和工作面推进过程中的前后煤壁围岩附近发生应力集中，造成岩体破坏；采空区顶板和底板应力会大幅度减小，其中顶板易出现断裂，底板易发生岩体隆起。开采过程中需实时加强监控和支护，保障安全生产。

(2)在地采过程中，Z向(压)应力等值线在采空区推进面的前后煤壁附近汇聚，最大压应力出现在后煤壁处，高达9.23 MPa；采空区顶板上覆岩体压应力充分释放，有大幅度降低；XZ平面(剪)应力集中区以顶板与侧壁重合处的拐角平面为中心向周围扩展，随着临空岩体增多，应力集中程度加剧，最大剪应力为3.513 MPa。

(3)越靠近采空区主断面，Z向(竖向)位移量值越大，分布等值线呈拱形；由于位移的不断发展使得地表的下沉较大，形成了沉降盆地，盆地中心在采空区主断面上方，且随着工作面向前推进不断移动；X向(水平)位移主要发生在地表，地采过程中，在采空区两侧上方地表处形成两个方向相反的等值圈，水平位移矢量均指向采空区一侧，并在工作面前后煤壁上方地表Z向位移出现最大值。

(4)地下采动效应占主导因素，大部分岩体的水平位移矢量与边坡的滑移效应相反，方向指向采空区一侧，最终露天边坡滑移效应与地下采动效应的合成矢量使边坡高度降低，坡角变缓，有利于边坡稳定。

[1] 张亚民，马凤山，徐嘉谟，等.高应力区露天转地下开采岩体移动规律[J].岩土力学，2011，32(1)：590-595.

[2] 宋卫东，杜建华，杨幸才，等．深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律[J].北京科技大学学报，2010，32(2)：145-151．

[3] 史秀志，黄刚海，张 舒，等．基于FLAC3D的复杂条件下露天转地下开采空区围岩变形及破坏特征[J].中南大学学报：自然科学版，2011，42(6)：1710-1718

[4] 赵海军，马凤山，李国庆，等.充填法开采引起地表移动、变形和破坏的过程分析与机理研究[J].岩土工程学报，2008,30(5)：670-676.

[5] 李 扬,梅林芳,周传波.露天转地下崩落法开采对高陡边坡影响的数值模拟[J].矿冶工程,2008,21(3):14-18.

[6] 孙世国．复合采动对边坡岩体变形与稳定性影响的研究[D].北京:中国科学院地质与地球物理研究所，1998.

[7] 孙世国，蔡美峰，王思敬．地下与露天复合采动效应及边坡变形机理[J].岩石力学与工程学报，1999，18(5):563-566．

[8] 孙世国，蔡美峰，王思敬．露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探讨[J].岩石力学与工程学报，2000，19(1):126-129．

Deformation Mechanism Analysis of Rock Slope and Surrounding Rock of L Working Face Moving from Open-pit to Underground Mining

Chai Jiamei1,2,3Sun Jiakai2,3,4

(1.Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization；3.Beijing Mine Safety Engineering Technology Research Center; 4.China Coal Research Institute Co.,Ltd.)

Taking a L working face of open-pit to underground mining in a coal mine as an example, based on the numerical simulation software FLAC3D, combining with the geological conditions of mining area and numerical simulation results, the stress field and displacement field of the open-pit slope and the rock overlying of the under ground mining are analyzed. The characteristics of the mechanical environmental changes and the movement deformation law are summarized. During the underground mining process from the inside out, the surrounding rock stress concentration phenomenons are more likely happening at the coal walls in front and after of the L working face. The slope and overlying rock of goaf motion vector point at the goaf, so that, the slope angle of the slope is decreased, the slope eight is reduced, so, it is benefit to slope stability.

Open-pit to Underground Mining, Stress field, Displacement field, Movement deformation Law

2015-04-03)

柴佳美(1983—)，女，硕士，100013 北京市朝阳区青年沟路5号。