0 引 言
露天煤矿与井工开采矿联合开采方式(以下简称露-井联采)最先应用于金属矿山，随着煤矿井下支护技术的快速发展及矿山压力理论的深入研究，这一开采方式逐渐在煤矿发挥作用，并经过多年发展，已形成多样的特殊开采方式[1-2]。 但究其根本都是为了使露天开采与井2 开采的优势互补，增加企业收益[3-4]。 笔者根据2 种开采方式的优势将露-井联采分为2 类：①为露天开采浅埋煤层，剥采比较小，发挥了露天煤矿采出率高的优点，井工开采深部煤层，避免了露天煤矿开采深部煤层剥采比经济不合理的缺点；②井工开采露天煤矿开采境界内，矿坑周围边坡下的压滞残煤，虽仍需留设煤柱，但能消除部分边坡压煤约束，增加资源回采量[5-7]，主要针对第2 类露-井联采方式进行研究。
露-井联采模式下，露天煤矿边坡受到露天和井工叠加采动影响，其稳定性下降，威胁矿山安全生产。 马进岩等[8]等通过物理模拟与数值模拟2 种方法进行稳定性分析，得出了露天煤矿端帮煤层开切眼位置与边坡面的距离设置参数，并验证了其合理性；费鹏程等[9]利用Ansys 数值模拟软件对露-井联采时不同井工开采工作面长度及上覆顶板岩层厚度进行数值模拟，得出不同工作面长度条件下覆岩最小安全厚度值；王东等[10-11]基于 RFPA-SRM 力学分析软件，考虑拉伸和剪切破坏，模拟出露-井联采条件下端帮边坡的渐进破坏过程；孙世国等[12-14]对露-井联采边坡破坏机理进行分析，得出应力场和位移场的变化规律；王文新等[15]考虑爆破振动对露-井联采边坡稳定性的影响，通过优化爆破设计可以使其影响忽略不计；刘宪权等[16]通过大型相似模拟实验，优化井工开采顺序，直观展现了水平厚煤层露井联合开采下边坡渐进破坏过程；姚恩德等[17]探索了膏体充填采矿法在露井联合开采模式中的应用，得出了了采空区不同充填率下端帮边坡的稳定性变化规律。
上述研究较为全面地分析了露-井联采条件下，端帮下煤层采用井工开采时开切眼的合理位置，端帮边坡的渐进破坏过程及破坏机理，且考虑爆破和充填开采工艺对边坡稳定性的影响，但所研究的煤层模型大多是水平赋存状态，考虑煤层倾角对端帮边坡的稳定性影响的成果较少，缺乏露-井联采应用于缓倾斜露天煤矿的研究。 笔者将利用数值模拟方法分析井工开采不同倾角煤层对边坡稳定性的影响，揭示出露-井联采下煤层倾角对边坡稳定性影响规律，为缓倾斜露天煤矿应用露井联合开采模式提供理论指导。
1 安家岭露天煤矿露-井联采概况
安家岭露天煤矿采用露-井联采的生产方式，井工开采矿坑北端帮边坡下的压滞残煤，工作面终采线位于边坡下的煤层中，且边坡煤层倾角为近水平，开采过程中煤层倾角始终保持不变。 边坡下煤层的倾角不仅与煤层天然赋存有关还受露天开采工艺的改变而改变。 露天开采水平煤层时，无论工作帮沿走向或是倾向推进，端帮边坡下煤层均为水平赋存状态，且开采过程中煤层的赋存位置不发生变化，端帮稳定性波动小；露天开采倾斜煤层时，一般从煤层露头处开始掘沟，沿倾向推进并逐渐降深，这时两侧端帮下煤层相对于端帮边坡的每个坡面来说是水平赋存状态，但随着工作面的向前推进，煤层的赋存位置不断降低；当工作面推进距离满足一定条件后，开始转向，转向后沿走向推进，留出内排空间，实现内排，这时煤层露头处端帮下的煤层为顺倾赋存状态，另一侧端帮下的煤层为逆倾赋存状态，开采过程中煤层的赋存位置不发生变化。 综上所述，露-井联采下边坡煤层倾角可分为水平、顺倾、逆倾3 种类型，且露天开采倾斜煤层时，边坡煤层倾角会随着工作面推进方向的改变而发生变化。
2 露-井联采下边坡岩层移动角和位移分析
露天煤矿端帮边坡下采用自然垮落法回采煤炭资源时，采空区煤层顶板冒落，上覆岩层发生不同程度的沉降，使边坡内部结构发生破坏，其破坏程度主要表现在顶板岩层的变形范围和变形位移2 个方面，变形范围和位移越大，对边坡稳定性影响越大，反之影响越小。
2.1 岩层移动角分析
岩层移动角受顶板岩性、采高、采深和煤层倾角等因素的影响，当工作面长度一定且上覆岩层厚度相同时，岩层移动角越大，顶板破坏范围就越大。 根据岩层移动角与煤层位置关系可分为走向、上山和下山岩层移动角。 充分采动时的计算公式分别为
式中：δ 为岩层走向移动角，(°)；H 为采空区采深，m；x 为以下沉盆地拐点为原点水平变形为2 mm/m位置的横坐标，m；S0 为拐点偏移距，m；γ 为岩层上山移动角，(°)；y 为以下沉盆地拐点为原点倾斜为2 mm/m 位置的纵坐标，m；β 为岩层下山移动角，(°)；H1为采空区上边界采深，m；θ 为影响传播角，(°)；α 为煤层倾角，(°)；H2为采采空区下边界采深，m。
2.2 岩层位移分析
岩层的位移是表征端帮采空区上覆岩层破坏程度的物理量，根据发生位移的方向分为水平位移和垂直位移。 计算公式为
式中：Δw 为采空区上覆岩层的垂直位移，m；Q 为下沉滑移系数；η0 为预定深度，m；βi 为岩层移动角，(°)；xj为水平坐标值；φ 为边坡角，(°)；η 为距离地表深度，m；Δu 为采空区上覆岩层的水平位移，m。
上述理论分析可以得出，在其他条件相同时，岩层走向移动角与煤层倾角无关；而上山移动角和下山移动角会随煤层倾角的增大而减小；垂直位移会随煤层倾角的增大而增大；水平位移随煤层倾角的增大而减小。
3 不同煤层倾角的边坡稳定性模拟分析
3.1 力学计算参数选取与模型构建
为了研究不同煤层倾角条件下边坡稳定性规律，建模过程参照安家岭露天煤矿真实开采条件。该露天开采范围内有3 层可采煤层，即4 煤、9 煤、11 煤，且4 煤、9 煤为主采煤层，全部近水平赋存。该露天煤矿在开采过程中，北帮边坡下采用井工开采9 煤，回采工作面长为850 m，开切眼位置至露天煤矿边坡面260 m。 针对不同煤层倾角条件，为了保证单一变量因素，将边坡上部排弃物和第四系保持原状，调整下部地层倾角，且保证回采工作面长度、采高、开切眼位置与边坡面的距离相同。 根据该矿典型剖面建立二维模型，模型内结构由钻孔数据得出，模型内岩层的分布及岩体物理力学参数见表1，模型示意如图1 所示，井工开采过程中工作面前方煤柱应力升高，为了得出应力升高区域应力状态变化规律，在井工开采工作面终采线上方的应力升高区域中分别设置G 和F 两个监测点，对露天矿的边坡应力状态进行监测。 G 点和F 点分别位于终采线上方120 和100 m 处的煤柱中，且位于露天矿2个台阶半干线的交叉影响区域，可通过监测井工-露天共同开采影响下不同高度的应力状态，更好地找出应力状态的变化规律。
利用数值模拟软件GeoStudio 中的SIGMA/W模块和SLOPE/W 模块进行分析，先将SIGMA/W 模块作为主项，采用有限元方法分析边坡的应力分布状态，然后将SLOPE/W 模块作为子项，根据主项的应力状态采用极限平衡法计算边坡的稳定性。 计算时模型底面约束竖向和法向位移，模型两侧约束法相位移。
表1 岩层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata
地层名称密度ρ/(g·cm-3)黏聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)弹性模量E/104 MPa泊松比μ排弃物 1.91 19.3 29.0 0.018 0.35表土 1.99 25.0 24.0 2.000 0.35粉土 1.87 15.8 21.0 0.013 0.30粉黏土 1.98 27.5 20.9 0.023 0.32黏土 2.01 70.0 19.3 0.029 0.39砂岩 2.41 295.0 36.7 1.670 0.24泥岩 2.33 215.0 29.9 1.220 0.28砂泥岩 2.39 306.0 31.3 1.500 0.22 4 煤 1.48 140.0 21.0 5.790 0.32 9 煤 1.49 150.0 24.0 5.330 0.29 11 煤 1.49 148.0 23.0 5.410 0.32
图1 模型尺寸示意
Fig.1 Schematic diagram of model size
3.2 水平煤层条件下边坡稳定性分析
煤层为水平赋存状态时，边坡体中高应力区主要集中在工作面两侧的运输巷和回风巷附近，采空区顶板自然冒落，充填采空区，应力得到释放，逐渐恢复原岩应力如图2a 所示，这一特点与单一井工开采规律相似。 由于工作面顶板为露天煤矿边坡，所以其厚度是渐变的，地应力大小存在差异，图2a 中左侧高应区分布范围较大。 矿井开采深度达到250 m，高应力区影响范围有限，比较图2a 与图2c，得出高应力区与边坡最危险滑动面不相交，即最危险滑面的产生与井工开采导致的应力重分布无关。
图2 水平煤层条件下边坡分析
Fig.2 Analysis of slope under horizontal coal seam conditions
井工开采后采空区顶板冒落，由于开采深度较浅，且工作面跨度较大，边坡顶部产生明显的下沉现象，从图2b 中可以看出井工开采工作面推进后，后方采空区自然垮落，对边坡整体的完整性影响较大，以200 mm 沉降量为等值线梯度绘制位移云图，边坡顶部和坡面的中上部产生明显位移，位移由采空区中部向两侧大巷逐渐递减，中部最大沉降量为2 000 mm。 通过对比图2b 与图2c，得出采空区顶板移动带与最危险滑面相交，即井工开挖使端帮边坡的整体性遭到破坏，采空区上方影响范围内岩石破碎，强度下降，主要表现在黏聚力C 的降低，从而使最危险滑面的抗滑力降低，稳定性系数减小。 最终由有限元和强度折减法耦合分析得出水平煤层条件下边坡稳定性系数为1.219。
3.3 顺倾煤层条件下边坡稳定性规律分析
煤层为顺倾赋存状态时，边坡体中工作面两侧的高应力区范围都升高，如图3 所示，其中下山侧高应力范围由0°～8°渐变过程中升高值分别为4.51、5.79、7.25 m，上山侧高应力范围渐变过程中升高值分别为10.35、15.31、21.72 m，其升高速度明显高于下山侧。 上山侧高应力区距离边坡较远，对边坡稳定性影响较小，下山侧高应力区在渐变过程中，与最危险滑面的位置关系处于相离状态，即最危险滑面的产生与井工开挖导致的应力重分布无关。 分析绘制图1 中F 点位置的莫尔应力圆如图4 所示。 为了进一步分析下山侧应力升高区的最大主应力和切应力的变化规律，查看图1 中F 点位置的莫尔应力圆信息如图4 所示，应力圆上D1 和 D2 点分别表示该点的应力单元沿X 方向和Y 方向面上的正应力和切应力，通过三个应力圆对比，得出F 点的最大主应力和最大切应力都随着煤层倾角的增大而增大，由于岩石具有抗压不抗剪的性质，所以在煤层倾角增大的过程中F 点位置容易发生剪切破坏。
图3 顺倾煤层条件下边坡应力云图
Fig.3 Slope stress cloud diagram under condition of right coal seam
图4 F 点应力圆
Fig.4 F-point stress circle
沉积岩地层中不同层位交界面位置岩性强度较弱，当地层为顺倾赋存状态时，由于层间抗滑力的较小，端帮更容易发生卸荷变形，向坡面移动，这一位移矢量可分为水平位移和垂直位移，同时井工开挖引起边坡沉陷，两种开采模式的叠加扰动，使边坡整体破坏严重，从图5 中3 个不同倾角的垂直方向位移云图可以得到验证，3°、5°、8°倾角时最大位移分别为 2 200 、3 000 、4 900 mm(以 200 mm 沉降量为等值线梯度绘制位移云图)，这与理论分析中垂直位移会随煤层倾角的增大而增大结果一致。 随着倾角的增大，下山岩层移动角不断减小，水平煤层赋存时为 81°，在 3°、5°、8°倾角时下山岩层移动角分别为 79°、74°、66°，此结果也验证了理论分析中下山移动角会随煤层倾角的增大而减小的结论。 从整个位移分析可以得出，随着顺倾煤层倾角的增大，边坡岩体的破坏程度逐渐增大，范围不断扩大，使边坡强度降低。
图5 顺倾煤层条件下边坡垂直方向位移云图
Fig.5 Vertical displacement cloud map of slope under condition of right coal seam
由于边坡的整体遭到叠加扰动破坏，导致边坡强度降低，同时顺倾结构面也降低了边坡体的抗滑力，通过折减法计算边坡强度，稳定性系数减小，计算结果如图6 所示，3°、5°、8°倾角时稳定性系数 Fs为1.196、1.183、1.152，与煤层水平赋存相比分别降低了1.9%、3.0%、5.5%。
图6 顺倾煤层条件下边坡稳定性
Fig.6 Slope stability under conditions of smooth coal seam
3.4 逆倾煤层条件下边坡稳定性规律分析
煤层为逆倾赋存状态时，边坡体中工作面两侧的高应力区范围变大，如图7 所示，其中下山侧高应力范围大小从0°到8°渐变过程中，其升高值分别为5.96 、22.53 、33.56 m，上山侧高应力范围在渐变过程中升高值分别为 2.01 、21.06 、31.35 m。 上山侧高应力区在渐变过程中，与最危险滑面的位置关系由相离变为相交状态，即井工开挖导致的应力重分布会影响最危险滑面的产生位置与稳定性系数的得出。
图7 逆倾煤层条件下边坡应力云图
Fig.7 Slope stress cloud diagram under reversed coal seam conditions
分析绘制图1 中G 点位置的莫尔应力圆如图8所示，为了进一步分析下山侧应力升高区的最大主应力和切应力的变化规律，查看图1 中G 点位置的莫尔应力圆信息如图8 所示，应力圆上D1 和D2 点分别表示该点的应力单元沿X 方向和Y 方向面上的正应力和切应力，通过3 个应力圆对比，得出G点的最大主应力和最大切应力都随着煤层倾角的增大而增大，但由于最大主应力和最大切应力都在2 MPa 以内，所以在煤层倾角增大的过程中G 点位置不容易发生剪切破坏。
边坡体内地层为逆倾赋存状态时，井采工作面顶板岩层有沿煤层底板方向的运动趋势，这一趋势与边坡临空面卸荷变形方向相反，2 种位移相互抵消，有利于保持边坡的整体性，从图9 中3 个不同倾角的垂直方向位移云图可以得到验证，3°、5°、8°倾角时最大位移分别为1 400、1 400、1 200 mm，这一结果与理论分析中垂直位移会随煤层倾角的增大而增大结果一致。 随着倾角的增大，上山岩层移动角不断减小，煤层水平赋存时为 81°，3°、5°、8°倾角时上山岩层移动角分别为 67°、62°、52°，此结果同样印证了理论分析中上山移动角会随煤层倾角的增大而减小的结论。 从整个位移分析可以得出，随着逆倾煤层倾角的增大，边坡岩体的破坏范围不断扩大，但破坏程度大小减弱。
图8 G 点应力圆
Fig.8 G-point stress circle
图9 逆倾煤层条件下边坡垂直方向位移云图
Fig.9 Vertical displacement cloud map of slope under reversed coal seam condition
煤层逆倾赋存时，随着倾角的不断增大，工作面上山侧高应力区升高、岩层破坏范围增大，这都不利于边坡的稳定，但破坏程度的减弱有利于边坡稳定性，通过折减法计算边坡强度，得出随着倾角增加稳定性系数提高，所以边坡破坏程度对稳定性计算起决定性作用。 计算结果如图10 所示，3°、5°、8°倾角时稳定性系数别为1.224、1.246、1.287，与煤层水平赋存相比分别提高了0.4%、2.2%、5.6%。
4 结 论
1)利用井工开采模式回收露天煤矿端帮残煤过程中，煤层倾角越大，工作面两侧高应力区影响范围越大，最大升高量为33.56 m，当井工开采的煤层埋藏较深或合理控制开切眼位置与边坡面的距离，可有效减小应力井采高应力区对边坡稳定性的影响。
图10 逆倾煤层条件下边坡稳定性
Fig.10 Slope stability under reversed coal seam conditions
2)端帮下煤层倾角越大，井工开采后岩层移动角越小，即边坡的破坏范围越小，煤层顺倾8°时下山岩层移动角66°，逆倾8°时上山岩层移动角52°，但由于位移的矢量叠加原因，煤层为顺倾赋存状态时的位移大于水平赋存状态，而逆倾赋存状态时位移变化与之相反。
3)受露天开采与井工开采的叠加扰动影响，除煤层赋存状态不同，其他条件相同的情况下，端帮下煤层顺倾状态不利于边坡稳定，倾角越大稳定性系数越小，当顺倾角度为8°时，稳定性系数为1.152，降低了5.5%，煤层逆倾状态有利于边坡稳定，倾角越大稳定性系数越高，逆倾角度为8°时，稳定性系数为1.287，增加了5.6%。
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