露天开采煤矿过程中,形成的高大边坡下部积压着大量的煤炭资源,为提高煤炭的回收率,提高矿山的经济效益,许多矿山企业采取井工的方式回采煤炭资源。然而,边坡下部井采对边坡稳定性影响极大且机理复杂,与一般的边坡滑移和单一井工引起的地表沉陷不同,井采边坡的稳定性研究需综合考虑边坡滑移、边坡岩移,以及地表沉陷等因素的影响。因此,本文综合运用边坡工程学和开采沉陷学理论开展了井采边坡的岩移机制分析,同时,选取井东煤业广场西北帮边坡为工程实例,借助数值模拟分析了该边坡下部井采前后的稳定性状况,归纳其失稳破坏规律。[1]针对井东煤业广场西北帮边坡,结合边坡地质资料和工程背景,分析了边坡工程的滑坡现状;从边坡自身因素、自然因素和人工因素三个方面分别分析了不同因素对露天矿边坡稳定性的影响,其中自然因素和人工因素是外因,岩体自身因素是内因,内外因不是独立起作用的,是共同作用的。[2]综合运用边坡工程学和开采沉陷学的理论知识,研究下部井采对边坡稳定性的影响机理。机理如下:井工开采对边坡稳定性的影响,主要体现在采空区和爆破振动对边坡稳定性的影响。爆破振动对边坡的作用表现为促进裂缝的开展,使裂缝变宽、变密,影响地下井采的整个过程。采空区的存在,首先使覆岩应力释放,岩层应力重分布,由此引起覆岩冒落破坏,引起上部岩层的变形移动,随着井工工作面的推进,采空区增大,井采影响范围也变大,作用在地表表现为地表沉陷,作用在坡表表现为指向采空区的移动和指向临空侧的移动。另外,岩土层的变形破坏使边坡体内部产生裂缝,使岩土体强度降低,在降雨、地震等外因作用下,容易引起边坡滑移。[3]借助功能强大、操作简便的大型有限元软件ABAQUS开展了井采前后边坡稳定性研究。比较分析几种经典的本构模型,考虑到岩土体复杂的应力应变关系,选取Mohr-Coulomb本构模型。详细阐述了强度折减法的原理,并分析了学者们提出的三种判别准则,它们有各自的适用性,考虑到边坡工程的实际情况,决定采用以塑性区贯通为特征,以特征区位移拐点为依据求安全系数。[4]实地考察研究区边坡,通过现场取样和室内试验的方法,确定岩土体的物理力学参数。运用数值模拟的方法,研究边坡在井采前的稳定性,得到边坡在开采前的安全系数为2.71,处于稳定状态。然后,模拟井采后边坡的稳定性,得到井采后边坡岩土体变形场和应力场,并用井采对边坡稳定性影响机理解释了变化的原因,井采后,边坡安全系数大大降低。[5]运用ABAQUS软件,研究了不同位置的采空区对边坡稳定性的影响。通过不同工况之间的比较,得出如下结论:采空区与边坡坡面的相对位置对边坡稳定性有很大影响;采空区距离坡表很近时,坡体内部靠近采空区端部产生剪应力集中区,坡体同时有指向临空侧的水平移动和向下方采空区移动的变形趋势;随着采空区与坡面距离的增加,坡表受采空区影响减小,边坡竖向位移以指向采空区的沉陷为主;采空区距离边坡坡面越近,安全系数越小。