抚顺东露天矿露井联采下边坡变形机理研究

任 健，张 晶，魏国龙，崔 原

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.自然资源部陕西宝鸡地质灾害野外科学观测研究站，陕西 宝鸡 721001；3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京 100081；4.辽宁省第十地质大队有限责任公司，辽宁 抚顺 113004）

抚顺煤田自1901 年以来，已有100 余年开采历史。东露天矿自新中国成立以来经过2 次停采、3 次重新开采，到目前为止，东露天矿东西长6 km，南北宽1.9 km，东部首采区高差约80～120 m。随着露井联采和资源枯竭，东露天矿周边地质环境条件逐渐恶化，南帮先后发生5 次滑坡，造成巨大的经济损失。最近1 次为2019 年主汛期强降雨之后，东露天矿南帮、煤都路东侧一东西向建筑开裂变形，裂缝北倾，开裂宽度1～2 cm，厂区地面下沉，出现两级东西向陡坎，对居民生命财造成到威胁。东露天矿南帮边坡影响区达0.55 km2，严重威胁周围居民的生命财产安全。

露井联采根据开采顺序的不同分为露天转地下开采[1-6]和地下转露天开采[7-11]。由于2 种开采方式相互作用，岩体应力和变形相互叠加，相互影响，形成1 个动态复合体系，并在合成应力作用下趋于新的平衡[12]；先地下后露天采动影响域相互叠加，导致采动影响域没有重叠的岩体也要改变应力状态[13-14]。露井联采作用在国内外研究中均表明，其导致岩体变形往往更加复杂，地下开采扰动导致边坡稳定性下降。常来山等[15]以安太堡煤矿为例，模拟露井联采条件下节理岩体损伤演化，并根据采空区岩体损伤度计算5 条不同出露高度潜在滑面的稳定性；朱建明等[16]首次将塑性力学上限定理应用到露井联采开采过程中的研究，并分析了安太堡露井联采边坡不同的塌陷角和开采宽度下的边坡稳定性；王东等[17]利用RFPA 软件对比平庄西露天矿在单一露天开采和露井联采逆倾边坡的岩体变形规律，得到边坡的破坏机理和破坏模式。为此，通过GDEM 软件进行数值模拟，研究抚顺东露天矿边坡在露井联采作用下的受力和变形情况。

1 地质背景

抚顺东露天矿位于抚顺市的中东部，地貌单元属于低山丘陵向平原过渡带，地形南高北低、东高西低。抚顺年均降水量在750～850 mm 之间，多集中在每年汛期7—9 月。抚顺煤田东部地质图及矿山分布图如图1。

图1 抚顺煤田东部地质及矿山分布图Fig.1 Geological and mine distribution map in the east of Fushun Coalfield

1）地层岩性。抚顺东露天矿地层由老至新出露有太古界鞍山群（Ar3Dgnc），主要为花岗片麻岩；新生界古近系抚顺群和第四系。新生界古近系抚顺群地层自下而上划分为6 组：①老虎台组（E1l），主要为玄武岩；②栗子沟组（E1lz），主要为凝灰岩；③古城子组（E2g），为主煤层；④计军屯组（E2j），主要为褐色油页岩层；⑤西露天组（E2x）主要为绿色块状泥岩，夹薄-中厚层褐色泥质页岩；⑥耿家街组（E3g），主要为褐色页岩。地层的整体倾向北，东露天矿南帮的地层为顺倾结构，北帮为逆倾结构。

2）地质构造。地壳受到近于南北方向的挤压力及北西、南东方向的剪切力作用下，形成多条断层。矿区内主要断层为F7、F8。西北角有浑河断裂主干断层F1通过，F1呈北东东走向，倾角27°～56°，倾向340°～350°，属于压扭性逆断层，对东露天矿西北部开采影响不大。东露天矿以矿区编号的断层有F6、F7、F8、F9、F105 条断层，均为正断层。

2 露井联采作用下边坡变形特征

抚顺煤田的东侧在空间上主要分布着东露天矿、老虎台矿、老龙凤矿（1999 年停采），在平面上东露天矿西侧与老虎台矿矿界重叠，东侧与老龙凤矿矿界重叠（矿界在标高上区分）。在时间上，东露天煤矿与2 个井工矿开采情况相当复杂，分析时对E8800 和E5400 剖面露天和井工开采的情况进行简化，认为开采顺序总体上是先井工后露天（因至2009 年东露天全面复产之前东露天断续开采，边坡坡高仅20～40 m，且至20 世纪80 年代2 个井工矿已经转入深部缓倾斜煤层的开采，故倾斜煤层部分简化为先井工后露天的开采方式）。

采用中国科学院自主研发GDEM 软件进行数值模拟，选取东露天矿首采区的E8800 剖面和非首采区的E5400 剖面进行数值模拟，总结E8800 剖面和E5400 剖面的变形和受力特征。E8800 剖面长度1 800 m，高程-600～130 m；E5400 剖面长度1 920 m，高程-732～164 m。东露天矿E5400 剖面和E8800剖面图如图2，抚顺东露天矿数值计算岩体物理力学参数表见表1。

表1 抚顺东露天矿数值计算岩体物理力学参数表Table 1 Numerical calculation of physical and mechanical parameters of rock mass in Fushun East Open-pit Mine

图2 东露天矿E5400 剖面和E8800 剖面图Fig.2 Sections of E5400 and E8800 in East Open-pit Mine

2.1 E8800 剖面变形和受力特征

2.1.1 E8800 剖面井采阶段

E8800 剖面井采结束后最小主应力云图如图3，E8800 剖面井采结束后最大主应力云图如图4，E8800 剖面井采结束后x 方向位移云图如图5，E8800 剖面井采结束后y 方向位移云图如图6，E8800 剖面井采结束后塑性区云图7。

图3 E8800 剖面井采结束后最小主应力云图Fig.3 Minimum principal stress diagram after underground mining of section E8800

图4 E8800 剖面井采结束后最大主应力云图Fig.4 Maximum principal stress diagram after underground mining of section E8800

图5 E8800 剖面井采结束后x 方向位移云图Fig.5 Diagram of displacement in x direction after underground mining of section E8800

图6 E8800 剖面井采结束后y 方向位移云图Fig.6 Diagram of displacement in y direction stress after underground mining of section E8800

图7 E8800 剖面井采结束后塑性区云图Fig.7 Diagram of plastic zone distribution after underground mining of section E8800

E8800 剖面井采阶段结束后，最小主应力在南帮边坡及坡脚、北帮的泥页岩边坡位置出现大范围的拉张区，南帮最大拉应力达1.5 MPa，井采后在采出煤层顶板位置产生明显的应力释放现象，同时在断层错断的煤层接合部位产生了明显的应力集中区；最大主应力在坡脚处产生小规模应力集中，最大应力达3.6 MPa，在水砂充填体内发生了应力释放。

E8800 剖面井采阶段结束后产生了较大的位移，其中水平位移最大达0.6 m 左右，位于北帮，方向指向采空区；垂直位移最大达1.8 m 左右，主要分布于采出煤层的顶板以上的油页岩和页岩层处。在北帮井采及其上部地层分布着大范围的塑性区大部分为剪切破坏，南帮玄武岩夹煤线位置和坡脚位置出现拉伸破坏区。

2.1.2 E8800 剖面露采阶段

E8800 剖面露采结束后最小主应力云图如图8，E8800 剖面露采结束后最大主应力云图如图9，E8800 剖面露采结束后x 方向位移云图如图10，E8800 剖面露采结束后y 方向位移云图如图11，E8800 剖面露采结束后塑性区云图如图12。

图8 E8800 剖面露采结束后最小主应力云图Fig.8 Minimum principal stress diagram after open-pit mining of section E8800

图9 E8800 剖面露采结束后最大主应力云图Fig.9 Maximum principal stress diagram after open-pit mining of section E8800

图10 E8800 剖面露采结束后x 方向位移云图Fig.10 Diagram of displacement in x direction after open-pit mining of section E8800

图11 E8800 剖面露采结束后y 方向位移云图Fig.11 Diagram of displacement in y direction stress after open-pit mining of section E8800

图12 E8800 剖面露采结束后塑性区云图Fig.12 Diagram of plastic zone after open-pit mining of section E8800

E8800 剖面井采-露天开采结束以后，与井采阶段结束相比，因为边坡开挖，岩体发生卸荷回弹，南帮坡体的受拉区缩小，且拉应力减小，最大拉应力为0.8 MPa，南帮坡体中下部由受拉转换为受压。

E8800 剖面受井采影响，顶板及上部地层（南帮）出现明显位移，而煤层底板以下地层（北帮）位移很小。对比图5 和图10 及图6 和图11，井采-露采结束以后与井采阶段相比，水平、垂直位移没有进一步增大，说明井采是导致较大位移的主要原因。垂直位移在北帮存在明显的分异现象（图11），其中蓝色部分主要发生向下的塌陷，绿色部分主要发生向采空区方向的位移，中间存在1 个过渡带，该区域同时是水平位移最大处、北帮的拉张应力区、剪应力的正负转换带、剪切塑性区，在北帮持续的开采过程中应重点关注该区域。

对比E8800 剖面2 个阶段塑性区分布图，塑性区基本是在井采后形成，露采后仅在南、北帮边坡产生小规模拉张塑性区，在目前倾斜煤层基本采出、露天开采深度有限情况下，井采对地层的扰动大。

2.1.3 E8800 剖面监测结果

E8800 剖面位移监测曲线图如图13，E8800 剖面最小主应力监测曲线图如图14，E8800 剖面最大主应力监测曲线图如图15。

图13 E8800 剖面位移监测曲线图Fig.13 Displacement monitoring curves of section E8800

图14 E8800 剖面最小主应力监测曲线图Fig.14 Minimum principal stress monitoring curves of section E8800

图15 E8800 剖面最大主应力监测曲线图Fig.15 Maximum principal stress monitoring curves of section E8800

E8800 剖面监测信息表明，位移、应力的变化基本分为3 个阶段，分别为井采前阶段（0～42 690步）、井采阶段（426 390～900 273 步）、露采阶段（900 273 步～结束）。

E8800 剖面位移监测表明：变化最大的点为10点、11 点（图2 监测点位置），尤其是在露采阶段。

E8800 剖面主应力监测表明：2#点、10#点最大主应力受井采和露采的影响很小，但最小主应力变化大，说明应力场受露采应力迹线发生偏转；3#点、11#点在露采后距离坡面近，最大、最小主应力受露采影响最大；10#点最小主应力在井采阶段应力释放后转变成压应力，即处于受拉-受压转换带内。

E8800 剖面位移、应力的曲线在井采阶段都存在1 个波动，位移和应力曲线在井采阶段的下降段基本对应上部煤层的开采期，曲线回弹阶段对应下部煤层的开采期。

2.2 E5400 剖面变形和受力特征

2.2.1 E5400 剖面井采-露采阶段

E5400 剖面露采结束后最小主应力云图如图16，E5400 剖面露采结束后最大主应力云图如图17，E5400 剖面露采结束后x 方向位移云图如图18，E5400 剖面露采结束后y 方向位移云图如图19，E5400 剖面露采结束后剪应力云图如图20，E5400剖面露采结束后塑性区云图如图21。

图16 E5400 剖面露采结束后最小主应力云图Fig.16 Minimum principal stress diagram after open-pit mining of section E5400

图17 E5400 剖面露采结束后最大主应力云图Fig.17 Maximum principal stress diagram after open-pit mining of section E5400

图18 E5400 剖面露采结束后x 方向位移云图Fig.18 Diagram of displacement in x direction after open-pit mining of section E5400

图19 E5400 剖面露采结束后y 方向位移云图Fig.19 Diagram of displacement in y direction stress after open-pit mining of section E5400

图20 E5400 剖面露采结束后剪应力云图Fig.20 Shear stress diagram after open-pit mining of section E5400

图21 E5400 剖面露采结束后塑性区云图Fig.21 Diagram of plastic zone after open-pit mining of section E5400

E5400 剖面井采-露采全部结束后，最小主应力在煤层顶板位置产生了应力释放，在坑底和后缘产生大范围的拉张区；最大主应力在坡面位置产生了局部的应力集中。位移同样集中于煤层顶板及以上地层，煤层底板及以下地层位移相对很小，与E8800剖面相比不同的是E5400 剖面的煤层在边坡的内侧，故采矿对边坡影响很大，边坡的变形也相对较大。由E5400 剖面塑性区云图可知：受井采-露采影响煤层及顶板以上地层存在大范围的剪切破坏区，在边坡及坑底位置存在大范围的拉伸破坏区。

2.2.2 E5400 剖面监测结果E5400 剖面位移监测曲线图如图22，E5400 剖面最小主应力监测曲线图如图23，E5400 剖面最大主应力监测曲线图如图24。

图22 E5400 剖面位移监测曲线图Fig.22 Displacement monitoring curves of section E5400

图23 E5400 剖面最小主应力监测曲线图Fig.23 Minimum principal stress monitoring curves of section E5400

图24 E5400 剖面最大主应力监测曲线图Fig.24 Maximum principal stress monitoring curves of section E5400

E5400 剖面监测信息表明，位移、应力变化分为3 个阶段，分别为井采前阶段（0～581 592 步）、井采阶段结束（581 592～1 266 732 步）、露采阶段结束（1 266 732 步～结束）。

E5400 剖面位移监测表明：3#点、8#点位移最大，且在露采阶段这2 个点的位移有所下降，最小主应力图显示8#点的应力在露采阶段逐渐下降并转换为压应力，可能与应力的转换有关。

E5400 剖面主应力监测表明：4#点、6#点、9#点这3 个点最小主应力均为拉应力，在井采露采之后应力持续下降，6#点在井采后最小主应力直接转换为压应力，露采后压应力进一步增大；4#点、6#点、9#点这3 点最大主应力受井采和露采的影响均较小，这是由于应力迹线偏移所致；8#点最大主应力受井采和露采的影响均很大。

3 边坡稳定性

结构面是影响边坡稳定性的重要因素之一，故本次模拟采用指定滑面的方法进行计算。王洋等[18]根据监测数据得出E8800 存在2 层潜在滑面，分别为第四系与基岩交界面及玄武岩夹煤线位置。利用Geo-studio 软件中SLOP/W 模块，基于已设定的潜在滑动面，模拟现边坡在天然、饱和以及地震3 种工况下的变形破坏状况，计算其稳定系数。E5400 剖面计算结果如图25，E8800 剖面计算结果如图26，E8800 试算73%充填时垮落带发育情况如图27。各剖面在3 种工况下的稳定系数见表2，各剖面浅层潜在滑面在4 种工况下的稳定系数见表3。

表3 各剖面浅层潜在滑面在4 种工况下的稳定系数Table 3 Stability coefficients of shallow potential slip surface of each section under four working conditions

图25 E5400 剖面计算结果Fig.25 E5400 section calculation results

图26 E8800 剖面计算结果Fig.26 E8800 section calculation results

图27 E8800 试算73%充填时垮落带发育情况Fig.27 Trial calculation of the development of caving zone when 73% of the E8800 profile is filled

由表2 可知：在天然条件下，现边坡稳定系数均大于2.0，处于稳定状态；在饱和工况、地震工况下（地震动峰值加速度为0.1g），现边坡稳定系数也均大于1.5。此结果表明，2 条剖面南帮边坡稳定系数较高，均能满足安全储备的要求。李爱华等[19]通过分析东露天矿东帮的稳定性，得出东帮的稳定性为1.5～1.6，现阶段下东帮也满足安全要求。

表2 各剖面在3 种工况下的稳定系数Table 2 Stability coefficients of each section under three working conditions

由表3 可知：在天然工况下，2 个剖面稳定系数均大于1.15，处于稳定状态；在饱和工况下，E8800剖面处于失稳破坏的临界值，E5400-2 剖面产生变形破坏；在地震工况下，E5400-2 将发生破坏；在饱和和地震工况下，所有剖面的稳定系数均小于1.00，2 个剖面边坡都将会发生滑动。

4 讨 论

纪洪广等[20]应用“三带”理论分析了抚顺东露天矿受井采影响后的“三带”发育高度，其中垮落带高度为140 m，断裂带高度160 m，并总结了“三带”相对应的破坏模式。根据试算的E8800 充填73%情况下垂直位移云图可以判断，产生“离层”的油页岩层为垮落带，其变形和高度与文献中垮落带的高度完全相符，垮落带同时对应E8800 的应力释放区、剪应力最大的区域；断裂带则对应2 个剖面的剪应力为1 MPa 到垮落带界限；模拟与文献中的“三带”有很好的对应性，说明了本次数值模拟的准确性。张令飞等[21]认为受弱层控制的滑坡体变形具有区域性，分为稳定区→欠稳区→失稳区，随着变形的发展稳定区变为欠稳区，欠稳区变为失稳区，整体呈“牵引后退式”破坏，东露天矿2 条剖面的南帮现阶段也具有该特点。

根据2 个剖面变形分析可知：E8800 剖面南帮受井采影响比较小，南帮主要为受露采影响的滑移-拉裂变形模式，E5400 剖面南帮受井采的影响很大，属于牵引式；而北帮主要受井采的影响很大，塑性区主要分布在北帮，E8800 剖面被断层分为上下2 个煤层，变形存在明显的分异，靠近坑底部分产生向上部采空区的倾倒，远离坑底部分向下部采空区的塌陷；E5400 剖面变形也存在分异现象，靠近坑底部分向下部采空区整体滑移，远离坑底向下部采空的塌陷。

5 结 语

1）抚顺东露天矿岩体的变形和塑性区在井采阶段已经基本形成，露采后南帮、北帮产生小范围拉张塑性区，说明目前倾斜煤层几乎全部采出，露采开采深度有限的情况下，井采是使边坡及地下岩体产生变形破坏的主要原因。

2）抚顺东露天矿因地层结构及倾斜煤层影响，2个剖面的南北帮的变形模式完全不同，其中E8800剖面南帮受采矿活动影响小，后缘存在大范围的拉张区，变形模式为主要受露采影响的滑移-拉裂，E5400 剖面南帮主要受井采影响，属于牵引式；E8800 剖面北帮受井采的影响变形很大靠近坑底部分向上部采空方向倾倒，远离坑底部向下部采空方向塌陷，E5400 剖面北帮靠近坑底部分向下部采空区整体滑移，远离坑底向下部采空塌陷。

3）抚顺东露天矿E8800 剖面、E5400 剖面南帮均存在拉张区，但并未贯通，整体稳定性好，但受降雨影响易发生浅层滑坡；E8800 剖面北帮坡度仅8°，E5400 剖面北帮的坡度仅5°，但是北帮受井采影响变形大，剪切塑性区十分发育，在持续开采的过程中随着坡度的增加应重点关注北帮的变形及稳定情况。