井采活跃期内抚顺西露天矿北帮变形规律分析

井采活跃期内抚顺西露天矿北帮变形规律分析
郭霁;梁博;韩晓极;申力;纪玉石
【摘要】露天煤矿帮坡下进行井工开采,对于上部边坡及地表构筑物的安全防护而言,存在重大隐患,是露井联采急需解决的重大技术问题.在整理分析井采活跃期内的相关监测数据、滑坡实录的基础上,从地质背景、变形破坏特征入手,通过比较分析,就不同条件下边坡滑坡类型及失稳模式进行了综合研判,为露天矿山生产安全运营与边坡防护,提供控制开采技术措施建议.
【期刊名称】《露天采矿技术》
【年(卷),期】2019(034)002
【总页数】5页(P13-17)
【关键词】露天煤矿;井采;滑坡;监测数据;边坡安全
【作者】郭霁;梁博;韩晓极;申力;纪玉石
【作者单位】煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122
【正文语种】中文
【中图分类】TD824.7
抚顺西露天矿作为中国露天采矿史上唯一一座连续开采生产的百年露天矿，由于矿
区地质环境复杂，采矿工程活动的多样（其北帮存在着露天开采与井工开采复合模式），受可采资源赋存情况及不同时期开采技术水平等因素影响，采掘之初即将迁建的居住区及相应建设的石油一厂、发电厂等大型工业企业建在煤层之上，至今成为历史遗留的灾害隐患[1]。

露天矿到界边坡内仍赋存大量煤炭资源，为最大限度地回收利用矿产资源，露天矿山不断向深部及地下开采转移，国内外多座矿山相继进入露天转地下联合开采状态[2－4]，即浅部采用露天开采，深部采用井工开采，如安太堡露天煤矿、平庄西露天矿及非煤露天矿山。

受复合开采影响，易引发地面沉陷与边坡失稳，其变形破坏模式更趋复杂，并危及地表重要构筑物与矿山安全生产。

文献 [5－9]在露井联采对边坡岩体变形和稳定性影响方面做了大量的研究工作，其成果大多通过数值模拟、模型试验、现场监测或地质力学模型综合分析方法对边坡岩体进行研究，进而分析2种采动效应的相互作用，揭示岩体变形破坏机理，确定合理的开采方案，保障矿山安全生产。

在前人不同角度研究成果的基础上[10]，结合抚顺西露天矿工程实际，从地质背景、变形破坏特征入手，通过比较分析，就不同条件下边坡滑坡类型及失稳模式进行了综合研判，为露天矿山生产安全运营与边坡防护提供依据。

1 工程概况
抚顺西露天矿北帮东区（E600～E2000，N500～N1200）位于井工采动的影响范围内。

该区段内F1断层于E850出坑逐渐偏离北帮边坡，仅在边坡上部区域形成绿色泥岩的牵引褶曲，由于处于褶曲各单斜地层的转化地段，岩层倾角比较小，但泥化夹层比较发育。

本区深部除老的井采工程外，还存在1986—1987年结束的-447采区及-650采区，为一强烈沉陷变形区段，并由此而产生了较大规模的滑坡（E800滑坡、E1000滑坡等）以及地表沉陷变形。

1.1 地质背景
该区边坡岩体的变形破坏主要受F1断层破碎带及其南翼的拖拉揉皱带及其复杂褶
曲构造与边坡几何形状关系控制。

在E600～E1400范围内，由北向南依次为次背Ⅱ、次向Ⅲ、次背Ⅲ及次向Ⅱ，表现出一定的规律性。

其中次向Ⅱ为贯穿该区的主要向斜轴，两翼岩层过渡连续性较好，向斜北翼呈高角度反倾，南翼岩层倾角平缓。

次背Ⅱ是本区发育较完整的主要背斜，在E600～E800发育完整，次背Ⅱ轴面倾
角同次向Ⅱ一致，但两翼变化急剧，只是到E900核部才逐渐打开，至E1100消失。

这使得褶曲构造北翼岩层由于F1断层带及拖拉揉皱作用，岩体十分破碎，大量冲积层潜水的汇入，容易形成较高的水头压力；而南翼岩层产状平缓，又容易构成顺层滑动面。

因此，本区由于F1断层在此区边坡斜交出坑，断层带及拖拉揉皱带伏于地表冲积层以下，曾几经垫整的兴平路变形破坏尤为剧烈。

在大气降雨和地下水的触发作用下，这种变形常具有突变的特点；而在井采岩移活跃期时，在地下水等因素的影响下，则以沉陷区的滑坡形式出现。

而E1800以东由于远离F1断层，无次级构造发育，岩层产状正常，边坡角度尚缓，未现滑坡灾害。

F1断层以南30～60 m范围内的绿色泥岩钻孔资料显示，岩心获取率仅30%～40%，岩心破碎，呈碎屑、碎块状，岩体渗透系数为10～5 m/s，可见此处岩体
历经多次变形滑动过程后，已近散体状。

1.2 采矿工程条件
经综合比较分析，选取了该区井采活跃期内的监测数据、滑坡实录资料较为详实的时间段进行相关整理研判。

1）露天开采。

该区段露天采掘工程量不大，边坡角度较缓，E400～E1600间各
剖面的绿色泥岩边坡角只有14°～17.6°。

2）井工开采。

该区E700以西位于胜利矿西二采区、-509采区、-510采区影响
范围内，其中西二采区开采时间1956年6月—1959年3月；-509水平开采情况：开采时间1964年11月—1968年6月，开采标高-430～-480 m，采用密实水砂充填采煤法，共采出煤103万t；-510水平开采时间1970年11月—1972
年1月，开采标高-430～-480 m，采用窄条带水砂充填采煤法，共采出煤18.5万t。

E700～E1300区域位于胜利矿-573采区及-447采区影响范围内，-573采区的范围是：E780～E1100、-526～-565 m，开采时间1975—1978年；-447采区的范围是：E925～E1250、-425 m～-440 m，回采露天与井工之间的防水煤柱，于1985年5月开采，1986年4月停采。

E1600以东先后于1977年4月—1978年7月、1985年8月—1987年7月在胜利矿-615水平和-650水平进行过宽条带水砂充填开采。

其中-615水平开采标高-575～-615 m，采用“条带式”水砂充填开采法，共采出煤105万t。

-650水平开采标高-615～-650 m，设计开采6个“条带”，实际开采了第2、第 3、第 4条带，第 1、第 5、第 6条带因受到边坡影响和地面构筑物安全而终止开采，采用“条带式”限厚水砂充填开采法，共采出煤14.3万t。

2 井采期北帮变形破坏特点和规律
2.1 矿坑北部地表变形的分区性特征
兴平路不同时期下沉分布曲线如图1。

图1根据1959年矿区老地形图，1983年航测图及1987年9月兴平路地表高程有关数据绘制的[11-12]，该图给出了从矿用坐标约W150—E1450范围内将近30年期间兴平路地表高程的变化情况，在EW0～E700之间，1959—1984年的 25年间下沉量仅 0.4～0.8 m，1984—1987年下沉量<0.3 m。

由采矿技术条件可知，该区矿坑下采用了密实水砂充填开采法及条带式开采法，均进行了密实充填，且靠近深胜煤柱，地表下沉量最小。

而E700以东，为地表下沉幅值最大的地段，下沉值最高地点可达6 m以上（因为兴平路这一段经过多次垫整，所以实际下沉值要更大），反映20世纪60年代、70年代及80年代地下采动对地表移动的影响在图中的这一范围最大，E1300～
E1500区段1959—1984年的25年间下沉量达4.5 m，这与该地段20世纪60—70年代-505采区、-506采区、-507采区、-576采区、-577采区的大面积
开采有关；尤其是1985年5月—1986年4月的-447采区的地下开采影响占了
很大的比重，1984—1987年最大下沉处下沉量达4 m左右。

由此反映出兴平路
下沉幅度具有明显的井采活跃期影响分区性特征，而-447采区采动影响停止后，
这一地段每年下沉量约在1～2 cm。

图1 兴平路不同时期下沉分布曲线
2.2 局部边坡变形破坏模式—E800滑坡
该区段于井采活跃期内共发生滑坡7次，其中4次滑坡发生在-573采区井采活跃期内，均为小型滑坡；2次滑坡（E800滑坡、E1000滑坡）发生在-447采区井采活跃期内。

现以E800滑坡为典型实例进行论述。

滑坡概况：北帮E800、＋38 m水平-7段站平盘于1987年4月17日发生沉陷
之后，4月18日发展为滑坡。

滑坡范围为E680～E836、N1050～N1184，＋38～-15 m，滑坡体积由开始下沉的5.2万m3发展到 20 万 m3。

滑坡原因：①地质条件：滑体后壁与揉皱带相接，距F1断层只有30～40 m，滑
坡前缘处于复式褶曲发育部位，由于靠近F1断层带，岩体结构受到破坏，节理裂隙十分发育，在绿色泥岩中的褐色页岩比例较大，褐色页岩的累计厚度约在20 m 左右，占滑体高差的40%，由于褐色页岩的富集，导致岩体强度的弱化，滑坡后
壁为由拉张裂缝形成的60°倾角的斜面，滑体的东、西侧边界的形态受南、北向的节理所控制；②井工采动的影响：滑坡区处于胜利矿-447采区的影响范围内，受
其影响的地面变形兴平路8号测点的位移历时曲线如图2，该图表明，在-447采
区停采后的1年内，地面平均下沉速度由1.32 mm/d逐渐增至2.28 mm/d，进
入1987年4月份之后，下沉速度突然急剧增大到49.65 mm/d，直到1987年
10月份之后，地面变形才转入衰减期，图2还表明，在停止井工开采之后，地面
变形的活跃期为1～1.5年。

由于井工采动造成地表下沉，使28干线平盘的浆砌
块石结构的水沟开裂，导致水沟漏水，从1987年2月发现水沟裂缝至滑坡发生时，
水沟漏水大约经历了2个多月的时间，使边坡岩体趋于饱和后，呈泥石流状溃出。

图2 兴平路8号测点的位移历时曲线图
治理措施：为尽早恢复28干线的运输，先后实施了地下水疏排，回填压脚等工程措施，但当回填到一定位置后，填物料沿即有的滑动面再次滑落，至6月初，曾
先后发生3次回填物料滑落。

经综合对比，采用钢轨抗滑桩来阻止回填物料的滑落，于1987年10月使28干线正常运输。

-447采区井采活跃期内E1000剖面7段、12段、14段各观测点的位移历时曲线图如图3。

可以看出，矿坑内边坡面观测点的位移以水平位移为主，7段的水平位移量是下沉量的2～3倍，在-447采区井采影响下，边坡变形已波及到28干线和12段，经急剧发展期后，边坡变形快速稳定下来，其中12段水平位移观测数据
显示出与兴平路8号测点下沉趋势一致性，进入1987年4月份之后，变形急剧
增大，1987年7—9月，水平位移速度一度达17.81～21.80 mm/d，1987年
10月之后变形速度明显下降，进入1988年后降到1.0 mm/d以下。

E1000剖面线一带主要以沉陷滑移变形的形式出现，并未形同E800剖面一线同期出现滑坡解体模式。

结合现场勘查，E1000剖面一线经1986年3月滑坡后，经治理后滑坡
体整体趋于稳定，势能较小，虽然坑内12段、7段水平位移较大，但坡体后缘差
异性沉降尚未造成如同E800区段的后缘充水饱和程度，而F1断层破碎带及其南
翼的拖拉揉皱带及其褶曲构造相对平缓，完整性较好，因此前缘潜在滑面未贯通，该区段整体边坡仅以沉陷滑移变形方式释放井工开采引发的坡体变形破坏影响。

对于井采活跃期E1300以东边坡变形破坏情况而言，结合现场勘查表明：该区段
边坡体已偏离F1断层，次级构造发育相对不发育，岩层产状渐反倾，边坡角度尚缓。

井采活跃期内，采空区基本位于采坑边缘，井工采动形成的沉陷盆地处于矿坑地表，对于该区较缓的边坡体而言，不易引发整体性岩体滑坡，监测数据亦表明，该区在井采活跃期通常表现为地面沉陷变形及局地的构造变形（地裂缝）。

图3 E1000剖面测点的位移历时曲线图
边坡变形失稳模式：依据E800滑坡、地表变形观测数据以及该区地质背景的综合分析，可以看出，边坡下部井工开采，井采影响区内的坡顶岩土体由于差异性沉降形成拉张裂隙，坡体亦出现一系列拉张裂隙，造成边坡岩土体松动，当坡脚剪切面贯通时，边坡以整体破坏形式—滑坡终结。

而沉陷滑移变形是在露天与井工联合
开采同一煤层时，由露天开采诱发井采岩移活化或井工重复采动所引起的边坡变形，其特点是来的突然，消失也快，很快进入变形稳定期。

2.3 北帮地表监测结果及变形特点和规律
抚顺矿区“三下”压煤情况比较突出，为解决抚顺煤矿历史遗留的把城市建在煤层上造成的灾害问题，维护煤矿的持续生产，实现“既采出煤炭，又保护城市”的愿望，从20世纪50年代开始进行了一系列的科学试验，如“条带开采”、“切割
加固”（地面建筑）、“密实充填”等措施，取得了矿区较为成型的、自居特色的基础应用科研成果。

井采活跃期内，井工开采将引发地表沉陷变形，在沉陷变形急剧期通常表现为地裂缝的形式，如E200～E1400区段，在胜利矿-573采区及-447采区影响范围内，变形开始于1984年12月，首先表现为地表康平路出现裂缝，至1985年12月地表裂缝范围由E800延续到E1400，裂缝走向上地表与坑
内反映基本一致。

并于1986年、1987年坑内发生E1000与E800滑坡，至1988年变形趋于平稳。

在综合考虑井工开采规模、强度的情况下，对于进行了密实水砂充填开采、条带式水砂充填开采的采区引发的地表变形，监测数据表明，密实水砂充填开采（如-509采区）地表下沉216～260 mm，最大倾斜变形值3 mm/m，最大水平变形值3.2 mm/m，构筑物受采动影响轻微，仅在个别砖墙上
出现裂缝。

窄条带水砂充填开采（如-510采区）一般下沉值为39 mm，倾斜变
形值0.36 mm/m，水平变形值0.28 mm/m，厂区地表变形较小。

这点可从图1
中EW0～E700间兴平路地表高程的变化情况得到验证。

而胜利矿-615水平和-
650水平开采采用宽条带水砂充填开采法，其中-650水平开采时的地表测点下沉历时曲线间如图4。

图4 地表测点的下沉历时曲线图
由图4可知，在井采期间地表下沉值呈现3个阶段性急剧变化期，地表变形时间的长短，主要决定于岩层性质、开采深度和工作面推进速度等因素，在井采结束后11个月后趋于平稳。

其中M14测点最大下沉值290 mm，最大倾斜变形值1.18 mm/m，最大水平变形值-0.91 mm/m，C16测点最大下沉值338 mm，最大倾斜变形值2.74 mm/m，最大水平变形值1.03 mm/m。

-615水平开采后，地表变形轻微，均处在Ⅰ级保护范围内，但与-575采区的变形影响叠加后，有些建筑物达到或超过Ⅱ级保护范围，如原中级人民法院大楼开采后累计最大下沉值980 mm，最大倾斜变形值15.0 mm/m，最大水平变形值11.0 mm/m，变形破坏严重。

因此，受开采沉陷影响，地表移动盆地在形成过程中，移动盆地的内外边缘区域（即压缩区域与拉伸区域）随采掘位置的不同，逐渐扩展和交互转化，由此引发的地表裂缝带（或点）在相应地段对应显现，属于井工开采重复扰动后的变形影响叠加会造成临近采空区范围的地裂缝灾害，同时易引发地表不同区段的构造变形破坏现象。

3 结语
抚顺西露天矿的深部煤层，经过井工矿（胜利矿）的开采，北帮边坡处于井采岩移带以内，岩体结构受到重复扰动，强度降低，对边坡稳定不利，此外北帮边坡的基底坐落在充填物和部分煤柱的基础上，随着北帮边坡的深入开采，将会引起边坡变形，并引发地面变形。

井采活跃期内，北帮上部边坡（E600～E1300区段）在地下水等因素的影响下，局部边坡地段将以沉陷变形区的滑坡形式出现。

受井工矿多期重复采动扰动，井采活跃期内地表变形影响叠加会造成临近采空区范围产生地裂缝灾害，同时易引发地表不同区段的构造变形破坏现象。

参考文献：
【相关文献】
［1］煤炭科学研究总院抚顺分院.抚顺矿务局西露天矿北帮边坡稳定性研究［R］.抚顺：煤炭科学研究总院抚顺分院，1990.
［2］徐长佑.露天转地下开采［M］.武汉：武汉工业大学出版社，1990.
［3］盛桂芳.国内外露天转地下开采现状［J］.中国有色金属，2008（22）：71－72.
［4］杨占军.露井联合开采对边坡及地表稳定性影响的研究［J］.露天采矿技术，2008（4）：1－3.
［5］王东，曹兰柱，宋子岭.基于RFPA－SRM的露井联采边坡稳定性研究［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2009，32（10）：1562－1565.
［6］孙世国，蔡美峰，王思敬.地下与露天复合开采效应及边坡变形机理［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（5）：563－566.
［7］白占平.地质构造与井采对边坡岩移影响的试验研究［J］.阜新矿业学院学报，1993，12（2）：46－49.
［8］冯少杰，权建源，伏永贵，等.露井联采下边坡体变形机制的研究［J］.科学技术与工程，2016，16（25）：224.
［9］朱建明，刘宪权，吴剑平，等.露井联采下边坡稳定性的相似模拟研究［J］.工程地质学报，2009，17（2）：206.
［10］张生忠，吴广鹏，王树玉.抚顺特厚煤层开采技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2001. ［11］佴磊.露天及地下采矿对边坡及地表变形影响特征研究［C］∥第四届全国工程地质大会论文选集（三）.北京：工程地质学报编辑部，1992.
［12］徐嘉谟.抚顺西露天矿开挖引起环境工程地质问题的研究［M］∥典型人类工程活动与地质环境相互作用研究（二）.北京：地震出版社，1995.。