0 引言

煤炭作为中国重要能源之一，在能源消耗中占主导地位，随着煤炭的持续开采，矿区将会留下错综复杂的采空区（缪协兴和钱鸣高，2009）。采空区已成为威胁矿山安全的一个重要危险源，由于种种原因，导致诸多地下采空区规模、尺寸、位置等参数不详，极大增加了采空区稳定状况评价及安全隐患治理难度（宋卫东等，2012；王志修等，2018；张西良等，2018）。随着对露天矿中安全生产的重视程度不断提高，开展采空区稳定性分析、影响边坡稳定性因素以及边坡治理等研究已成为露天矿山边坡稳定性的研究热点，国内外诸多学者已开展大量研究工作。柴红保等（2010）运用 FLAC 3D 软件进行数值模拟，分析了空区位置对边坡稳定性的影响； 李鑫等（2023）采用 FLAC 3D 软件和 GEO-Slope 仿真分析软件相结合的方式建立数值分析模型，分析采空区群对露天边坡稳定性的影响；李同鹏等 （2017）基于强度折减法的基本原理，利用 FLAC：软件，分析了边坡保安矿柱厚度、采空区跨度与稳定性的相互关系；刘殿军等（2015）采用 FLAC 软件和 Geo-Slope 软件，通过对模拟结果分析，得出采空区的空间位置对边坡稳定性的影响；刘晓玲（2016）利用极限平衡法研究了采空区影响下的边坡稳定性及变形规律。

本文以内蒙古地区某露天煤矿边坡下的采空区为工程背景，使用有限元法研究采空区影响下露天煤矿边坡的位移和应力特征，分析采空区不同位置、不同规模对露天煤矿边坡稳定性的影响，以期为露天煤矿山安全生产提供理论依据。

1 工程概况

该煤矿矿区属剥蚀构造的中等山区及小丘陵区，地貌特征为剥蚀强烈，基岩裸露，植被稀少，沟谷发育。矿区地形特征为沿南北走向的山脊，中部较高，东西两侧形成缓山坡，坡角 10°左右，冲沟发育于东西两侧。地形标高一般在+1200 m 左右，最高处+1312.6 m，垂直山岭方向多冲沟，矿区内无地表径流。

该煤矿采空区灾害治理项目治理二区从北至南共分为 3 个标段，分别是一标段、二标段和三标段。目前，一标段已开挖至+1090 m水平，边坡高度接近 160 m；二标段已开挖至+1180 m 水平，边坡高度超过 60 m；三标段开挖程度最低，目前仅开挖至 +1195 m水平。

经现场调研，该煤矿开采历史上形成了大量地下采空区，经过一段相当长的时间，其本身的变形可能已基本稳定，也可能尚未稳定。在露天开挖过程中，不同规模、形态和空间位置的地下采空区对边坡稳定性的影响将与无地下采空区时截然不同。

2 采空区对边坡稳定性影响分析

一般情况下，采空区对边坡稳定性将产生四方面影响，分别是：

（1）结构性破坏：采空区上覆岩体中的冒落带、断裂带等现象会破坏岩土体的内部结构（图1），降低其强度和稳定性。特别是控制性软弱结构面的变化可能完全破坏原有的稳定状态，导致边坡发生滑移、倾倒或崩塌。

（2）应力重分布：采空区改变了边坡岩土体内部的应力平衡状态，引起应力的重新分布。新的应力区域包括拉张、压缩和剪切应力区，在不同部位形成不同的等效静力作用。这种变化会影响边坡的局部角度和抗滑性能。

（3）地表移动盆地：采空区的形成导致地表出现移动盆地现象，不同位置的地表沉陷程度不同，进而改变了边坡的坡度。采空中心线与上山方向的沉陷边界之间的边坡角度增大，不利于稳定性； 而中心线与下山方向的沉陷边界之间的边坡角度减小，有利于稳定性。

（4）水文地质条件变化：采空区改变了边坡的水文地质条件，水对岩土体的物理力学性质产生重大影响。水会降低岩土体的强度指标，使断层介质或软弱结构面的强度大幅度降低；同时，水的存在会降低边坡岩土体介质的弹性模量，减少断层和软弱结构面储存弹性势能的能力。此外，水流动和储存在边坡滑动面中还会产生浮托力，减小滑面的有效正压力，导致边坡抗滑力减小。

综上所述，这些因素的综合作用会对边坡的稳定性产生不同程度的影响。具体的破坏程度取决于边坡的原始结构状态、与采空塌陷区位置的关系、变形趋势（下沉或水平位移）、应力分布特点以及水文地质条件的变化。要全面评估边坡的稳定性变化，需要进行详细的勘察、试验和分析。

3 采空区影响下边坡损害机理分析

3.1 数值模型建立

本节使用有限元法研究采空区影响下露天矿边坡的位移和应力特征，其结果有利于进一步分析该煤矿边坡失稳破坏模式。由于地下采空区的形状非常复杂，采空区的规模、大小也不一，而且与边坡的位置关系难以准确确定，因此本研究作以下假设：（1）地下采空区尚未垮落且其断面为规则形状； （2）地下采空区走向与边坡面是平行的或者近似平行的；（3）本研究不考虑采空区群对边坡稳定性的影响。

通过以上假设，地下采空区对边坡稳定性的影响可以简化成平面应变问题，并依此建立如图2 所示的简化后的计算剖面，计算所选用的岩土力学参数如表1所示。本文分别模拟无采空区和有采空区两种情形下边坡的变形和力学特征，其中有采空区又包括不同位置采空区和不同大小采空区等细分情况。边坡的开挖则分为 4步。图2中的#1、#2、#3 区域会因模拟方案的不同分别调整为采空区或煤层。

由于露天矿采场边坡的位移以水平方向位移为主，所以本文主要通过讨论开挖过程中水平位移的变化，分析边坡稳定性的变化以及失稳破坏的主要特征。

3.2 采空区位置对边坡稳定性的影响

无采空区时，进行边坡开挖时，边坡的水平位移变化情况如图3 所示。由图3 可见，在无采空区情况下，边坡的水平位移方向为边坡临空方向（即采坑方向），且随着边坡的不断增高，最大位移点不断下降。

图4为#1区域为采空区时开挖过程中边坡的水平位移情况。从模拟结果可以发现，无采空区时边坡开挖到第四步，最大水平位移约为 1.2 cm，而有采空区时，开挖一层时边坡最大水平位移即超过了 40 cm。该结果表明，地下采空区影响下的边坡变形更加剧烈，采空区对边坡稳定性影响较大。

图5为#2区域为采空区边坡开挖过程中的水平位移变化情况。经对比可以发现：#1区域或#2区域为采空区时，边坡的水平位移明显较无采空区时更大，以开挖二层结束为例，#1 区域为采空区时的最大水平位移为 27.9 cm，#2 区域为采空区时的最大水平位移为 16.3 cm，而无采空区时开挖四层的最大水平位移仅为 1.2 cm，相比较存在数量级差异，这说明采空区的存在对露天矿边坡稳定性的影响十分明显。同时，比较#1 区域、#2 区域为采空区时边坡水平位移的变化情况发现，在采空区影响范围内，相同开挖层数时，采空区越靠近坡面，其对边坡水平位移的影响越明显，如开挖一层时，两种工况的最大水平位移分别为 40. 0 cm、13.6 cm；开挖二层时，两种情况的最大水平位移分别为 27.9 cm、 16.3 cm；开挖三层时，两种工况的最大水平位移分别为 34.3 cm、15.9 cm；开挖四层时，两种工况的最大水平位移分别为25.6 cm、16.5 cm。

a—边坡开挖一层；b—边坡开挖二层；c—边坡开挖三层；d—边坡开挖四层

a—边坡开挖一层；b—边坡开挖二层；c—边坡开挖三层；d—边坡开挖四层

图6为#3区域为采空区时边坡水平位移变化情况，可以发现，最大水平位移方向指向采空区，边坡临空方向水平位移值与无采空区时相差不大，这说明采空区对边坡稳定性的影响有一定的范围，存在采空区的露天矿应重点查明采空区的分布，科学划定采空区影响范围，合理布置开挖境界。

3.3 采空区跨度对边坡稳定性的影响

图7 为#1、#2 区域同时为采空区边坡开挖过程中水平位移的变化情况。经计算，开挖四层时，边坡的最大水平位移分别为 25.40 cm、62.10 cm、 80.60 cm、6.76m。对比仅#1 区域或仅#2 区域为采空区的工况，可以发现在采空区影响范围内，采空区的跨度越大，其对边坡水平位移的影响越大，进而对边坡稳定性的影响越大。

a—边坡开挖一层；b—边坡开挖二层；c—边坡开挖三层；d—边坡开挖四层

a—边坡开挖一层；b—边坡开挖二层；c—边坡开挖三层；d—边坡开挖四层

以上模拟结果表明：相较于无采空区的情况，有采空区影响情况下，边坡最大水平位移的中心处在边坡上部前缘，而不是随开挖层数增加而向下移动。这一现象说明，保护煤柱及上部煤层受采空区影响较小。对比图8a和图8b可知，边坡发生水平位移的主要区域与发生垂直位移的主要区域基本重合，这说明受采空区影响的边坡恰好是在开采沉陷区内的部分。造成这一现象的原因是，地下采空区对边坡上部岩层影响较大，采空区形成后其上部岩层形成简支梁及板状结构，在其自重应力作用下破裂、坍塌，逐渐传递到地表形成张裂隙，并最终贯通扩大后成裂缝。因此在煤矿开采过程中应查明采空区分布，边坡应尽可能整体避开开采沉陷区，以确保安全。

a—边坡开挖一层；b—边坡开挖二层；c—边坡开挖三层；d—边坡开挖四层

a—水平位移云图；b—垂直位移云图

4 结论

（1）采空区对于露天煤矿边坡的影响，一是影响边坡位移，二是影响边坡岩土体力学强度，可能诱发边坡失稳破坏，生产过程中需利用相应监测手段及长期开展相应的勘察和试验确定边坡稳定状态。

（2）相较于无采空区的情况，有采空区影响时，边坡变形更加剧烈，采空区对边坡稳定性影响较大，且采空区跨度越大，对边坡稳定性的影响越大。

（3）采空区对边坡稳定性的影响具有一定范围，采空区离边坡越近，开挖时边坡的位移变化越明显。#3区域为采空区时，边坡水平位移变化情况与无采空区时的差异较小。

（4）有采空区影响时，边坡最大水平位移的中心始终位于边坡上部前缘，说明保护煤柱及上部煤层受采空区影响较小。

参考文献