地下采空区对露天煤矿边坡稳定性及覆岩运移特征的影响机制

《Mining》：Influence Mechanism of Underground Goafs on Open-Pit Slope Stability and Overburden Movement Characteristics in an Open-Pit Coal Mine

　　

露天煤矿边坡在地下采空区扰动下的稳定性科学评价对安全开采至关重要。研究人员以内蒙古某露天煤矿为工程背景，探讨了地下采空区对边坡稳定性的影响机制。借助离散元数值模拟揭示了采空区上方覆岩运移规律，确定了“三带”高度与边界移动角。进一步采用极限平衡理论，从采空区跨度、赋存位置及采区间距三方面分析受采空区影响的边坡稳定性。结果表明：部分开采条件下，采空区跨度与冒落带高度正相关，与边界移动角负相关；随采空区宽度增大，开采扰动变形场逐步扩展，50 m宽单采空区工况下发育明显弯曲沉降带，形成完整冒落–断裂–弯曲沉降分带。相邻采空区间距较小时促进变形场重叠并增强覆岩扰动；间距增大时效应对减弱，但减弱程度取决于采宽与变形参数，故模拟中约50 m间距应理解为场地相关过渡范围而非通用临界阈值。宝日希勒露天矿识别两种滑模：圆弧滑动与受1号煤层软弱夹层控制的复合滑动。边坡稳定性与采空区跨度负相关，与采空区至坡面水平距离正相关；采区间距分析中，稳定性与滑体内部非冒落变形区占比正相关。

研究背景与立项依据：20世纪80—90年代，大量小型煤矿采用房柱式等地下开采遗留废弃采空区(Goaf)。后续露天开挖接近历史采空区时，受扰岩体进入潜在滑体，使边坡变形与稳定评价复杂化。既有研究多将“采动覆岩变形”与“边坡稳定计算”分开处理：FLAC3D、UDEC、3DEC等可模拟采动损伤，但损伤几何常未回灌至极限平衡分析；传统极限平衡法则以整体强度折减近似采空区影响，忽视损伤空间异质性。研究人员指出，本文科学贡献不在于新算法，而在于建立集成框架——将3DEC所得覆岩变形分带特征转化为Morgenstern–Price分析中的空间差异化力学参数，定量链接采空区扰动与边坡失稳。

期刊与意义：论文发表于《Mining》，为露天煤矿采空区隐患边坡提供“数值分区—参数映射—确定性滑模比选”的可迁移评价范式，对含历史地下采空的露天矿风险区划与开采序列优化具工程意义。

主要关键技术方法（≤250字）：研究人员基于内蒙古露天矿CS1典型剖面建300 m×5 m×120 m三维离散元(DEM, 3DEC 5.2)模型，采高2.0 m，设单采空区宽20/30/40/50 m与双采空区间距10/30/50/70 m，岩体取Mohr–Coulomb准则，边界自重力场、顶面自由；以位移分布、块体分离与接触张开联合判识冒落带、断裂带、弯曲沉降带，并用经验公式(式1 H_A=6.2ΣM+32±1.5、式2 H_L=3.1ΣM+5.0±4.0)作独立量级校核。随后将三带退化后力学参数（黏聚力显著折减、内摩擦角微变、冒落带容重降低）代入Morgenstern–Price法，对圆弧滑动与1号煤软弱夹层控制复合滑动两种确定性竞争滑模分别计算安全系数(Factor of Safety, F_s)。

研究结果

3 采空区对边坡稳定性影响机制分析

3.1 覆岩变形分带理论与经验高度估算：地下采煤后覆岩分冒落带、断裂带、弯曲沉降带。采高ΣM=2.0 m时经验估冒落带4.50±1.50 m、断裂带17.86±4.00 m；50 m宽单采空区3DEC得冒落带3.8 m、断裂带13.0 m，落入经验量级，证明数值结果工程合理，但经验式不作边界预设。

3.2 采空区影响下滑坡模式分析：南帮潜在破坏为圆弧滑动或1号煤弱层控制复合滑动，二者作为竞争确定性滑模，低F_s者更临界。

4 采空区覆岩运移数值模拟

4.1 数值模型与边界：CS1剖面约束几何，Mohr–Coulomb表征，未含渗流。

4.3 单采空区结果：20–40 m宽仅冒落+断裂带；50 m宽发育弯曲沉降带，成完整三带，冒落带高随跨度增而增、边界移动角减。

4.4 双采空区结果：小间距使变形场重叠，冒落/断裂带增强；30 m宽双采空区出现“伪断裂带”（局部离层非连续裂隙连通）；40 m宽冒落带突增至6.4–7.4 m（30与40 m间为坍缩模式转换而非线性增长）；50 m宽间距50 m时断裂带13.2 m近单采空区值，间距70 m反升至15.2 m，故约50 m仅为场地相关过渡范围，非通用临界。

5 内蒙古露天煤矿边坡稳定评价

5.1 采空区跨度：距坡面100 m，跨度20→50 m，圆弧F_s 2.500→2.345，复合F_s 1.119→1.082，复合滑模F_s低46.4%–60.3%，弱层复合滑动更临界；F_s与跨度近似线性降(R²=0.9564/0.9712)。

5.2 采空区位置：跨度50 m，水平距50→150 m，圆弧F_s 2.003→2.743，复合1.071→1.090，距坡面越远F_s越高。

5.3 采区间距：跨度50 m，间距10→70 m，圆弧F_s 2.000→2.095，复合1.069→1.082；滑体中非冒落变形区占比增则F_s增。

5.4 讨论与局限：纯力学框架未耦地下水/降雨，Mohr–Coulomb未表峰值后应变软化，域尺寸与块度未做收敛性分析，50 m间距非普适阈值，结论具场地特异性。

讨论部分总结：研究人员强调采空区影响通过“损伤带空间演化→侵入滑体比例”传导至F_s；复合滑动全13例确定性计算均低于圆弧滑动，相对降幅46.4%–60.3%，支持弱层复合模为更临界确定性滑模（非概率意义）。线性趋势限于20–50 m宽单变量扫描，外推慎用。框架可迁移但量化结果需按目标矿山重标定地层、采高、结构面、弱层与水文条件。

结论部分翻译浓缩：(1) 部分开采覆岩以冒落+断裂带为主，50 m单采空区成完整三带（冒落3.8 m、断裂13.0 m）。(2) 相邻采空区小间距重叠增效，30 m双采空区现伪断裂带，间距增大互效减弱。(3) 约50 m间距为场地相关过渡范围非通用临界。(4) 跨度增F_s近似线性降，离坡面远F_s升；复合滑动13例皆低于圆弧滑动，相对降46.4%–60.3%，为更临界确定性滑模。(5) 3DEC–极限平衡框架可迁移，但量化结论场地专用；未来需补水文耦合、概率不确定度、块度收敛与多矿验证。工程上历史采空区应纳入边坡 hazard 区划，CS1类剖面临界滑径与弱层交汇段优先监测/加固，数值所得过渡距忌直作通用设计阈值。