5.5.2.1 井工开采引起的岩层破坏力学特征
当在煤、岩体内开掘巷道或进行开采时，破坏了原来的应力平衡状态，使巷道或采场的周围岩体的应力重新分布。在应力重新分布过程中，引起巷道和回采工作面周围煤岩体内形成一个与原岩应力场截然不同的新的应力场，其形成过程就是煤、岩体中应力重新分布的过程。
开采煤层前，原岩应力线相互平行，没有变形;开采后，形成地下采空区，岩体应力重新分布，压力线变形，压力大的地方压力线变密，形成支撑压力带，压力线变稀的地方形成无压带。原岩应力与煤层开采后压力线分布对比如示意图5-27所示。
图5-27 原岩应力与地下开采后压力线分布对比示意图
地下煤层采出形成采场空间后，首先引起围岩原始应力的变化，原始应力的变化引起附加应力。当附加应力大于原始应力时，围岩中形成高应力集中区，集中应力超出其强度极限后，岩层发生变形，产生位移、开裂直至垮落。
5.5.2.2 井工开采引起覆岩破坏规律
采动覆岩的破坏具有一定的范围和形态。经大量现场实测研究结果表明，在水平及缓倾斜煤层(0°～35°)开采条件下，覆岩垮落带、裂缝带范围的最终形态类似于马鞍形;在中倾斜煤层(36°～54°)开采条件下，覆岩垮落带、裂缝带范围的最终形态呈上大下小的抛物线形态;在急倾斜煤层(55°～90°)开采条件下，覆岩破坏最终形态呈拱形形态。
覆岩破坏的最大高度主要取决于采出煤层厚度、煤层倾角及岩性。在采用全部垮落法管理顶板开采缓倾斜及中倾斜煤层条件下，覆岩垮落带及裂缝带最大高度可用下式表示(充分采动条件下):
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:H垮——垮落带最大高度;H裂——裂隙带最大高度;M——累计采厚，(m);a、b、c、d——与覆岩性质有关的系数。
一般按离采空区的垂直距离划分开采影响范围，形象地将被采煤层上覆直到地表的岩土层分为上、中、下三段，即地表覆岩、内部及顶板。对于上段的移动变形与破坏研究历来是矿山测量学科开采沉陷界的主要研究范畴，对下段的冒落、来压及稳定性研究，则是采矿学科矿山压力界的研究范畴。对于中段，由于条件复杂，研究手段缺乏，一直缺乏较深入、较系统的研究，而事实恰恰是:中段是上、下两段移动变形与破坏的关键所在，是“下段的力量来源，上段的幕后主宰”。开采沉陷主要受地层结构及覆岩物理性质的影响，而其中的制约因素是上覆后硬岩层的空间位置与几何力学特性，因此对“中段”的研究，首先应放在上覆层硬岩受采动影响的应力应变规律这个核心问题上。
5.5.2.3 露天井工联合开采条件下边坡岩体变形机制
依据采区的空间对应关系，两种采动影响域中的一部分相互重叠，致使采动效应相互作用和相互叠加，表现为一种采动效应对另一个平衡体系的干扰或破坏作用，使得两种开挖体系之间相互诱发或相互扰动，从而组成一个复合动态变化系统。在该系统内的岩体应力状态与变化过程完全不同于单一露天开采条件下的边坡岩体变形问题。
地下煤、岩体未采动以前，由于自重作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，这种应力在地下处于相对平衡状态。露天矿开挖破坏了原地质体的应力平衡状态，导致应力的重新分布，当边坡轮廓形成后，形成了新的应力分布场，边坡体处于稳定状态。假定原岩应力状态为{σ0}，由露天开采引起的应力变化为{ΔσL}，当岩体达到稳定后，应力场变为{σ1}={σ0}+{ΔσL}。当转入地下开采后，由于地下开采所引起的应力变化为{ΔσD}，则在两者共同作用下，两采动影响域内边坡岩体的应力场变为{σ2}={σ1}+{ΔσD}。由于采矿过程是一个动态过程，边坡岩体不断受到扰动，其应力平衡系统不断地受到破坏，同时进行自组织调整，因此实际上{ΔσL}和{ΔσD}都是变化的，从而形成一个复合动态叠加体系。
由于两种采动效应的相互作用和叠加，影响域内不同空间单元同时受到两种采动效应的影响，其合成矢量的大小和方向在不同空间位置上是不一致的，一般情况下合成矢量更多的表现出“强势采动效应”的属性。设边坡岩体因受露天开采效应引起的位移矢量为ui，由地下采动引起的位移矢量为wi，两者叠加后的位移矢量为vi(见图5-28)。边坡体内位移矢量具有如下特点:从井采区下山方向岩移边界线GD至上山方向岩移边界线EB，124ui和wi之间的夹角逐渐增大，经过走向主断面FC后，在某一位置上两矢量之间的夹角将大于90°，此时两矢量合成后开始相互抵消一部分，且随着其夹角的增大，相互抵消越多，合成矢量逐渐变小。两种采动影响域内岩体下沉具有如下规律:从EB至FC间区域，下沉值呈递增规律，其变形结果使边坡角减小，有利于边坡稳定，EC至GD间区域下沉值呈递减规律，变形结果使得该区域坡角增大，不利于边坡稳定。在地下采区下山方向的最大拉裂缝，极易构成滑坡体的后缘，同时沿着地下采区倾向边界线附近的拉裂缝，构成滑体的侧边缘，使得滑体与滑床分离，减少侧阻力，特别是地下采区沿走向长度不大时可能构成滑坡内因，导致滑坡。
另外，两种采动效应的影响随着单元体的空间位置改变而改变，随着深度的增加，露天采动影响逐渐减弱直至消失，岩体变形将表现为地下采动特性。因此对于边坡稳定而言，露天矿坑越浅，地下采区位置越深越有利于边坡稳定。
图5-28 井采影响下边坡岩体变形机制示意图
5.5.2.4 地表移动特征
随着回采工作面的向前推进，新采动的岩层开始移动，当采空区范围很大，采空区埋深小于上覆岩层的影响厚度时，亦即小于冒落带、裂隙带、弯曲带和弹性变形带厚度之和时，岩层移动发展到地表，引起地表移动，在地表形成一个范围较大的洼地(图5-29)。[42]典型的地下开采主断面内地表移动和变形分布规律如图5-30所示。
图5-29 主断面上地表各点移动示意图
图5-30 地下开采主断面内地表移动和变形分布规律
5.5.2.5 井采影响下边坡岩体强度的变化
当采空区面积扩大到一定范围时，岩层移动波及地表，使地表产生移动和变形。走向主断面上的地表各点移动，可以分为垂直移动和水平移动两个分量，其中垂直移动分量表征的是下沉，而水平移动的分量表征的是水平移动。这些移动也伴生大量的节理、裂隙产生和岩体一定程度的破碎，从而大大降低采空区上覆岩土体的力学强度。另外，在采动过程和采动后，地表和地下水系径流改变、调整和破坏，从而对边坡的稳定产生不利的影响。另外开采沉陷所形成的沉陷带和拉张裂缝，容易导致雨季降水大量入渗。大量的事实已经证明，水的物理、化学及力学作用是导致岩土体失稳的一个极为重要的不可忽略的因素。水的作用可降低岩土体的强度指标，尤其可以使断层介质或弱层的强度大幅度降低，使之更易破坏;水的作用还可使岩土体介质的弹性模量降低，使断层及弱层储存弹性势能的能力降低;另外，水在结构面中的流动、存储的结果还将产生浮托力，使水在结构面上的压力作用下，结构面有效正压力减小，同时也导致了阻尼力的减小。比如，由于下沉的不均匀性，地下采区下山方向的最大拉裂缝，很容易构成滑坡体的后缘，如再遇有大气降雨等因素的诱发作用，将有可能导致滑坡。
5.5.2.6 井采影响下边坡变形破坏一般规律
① 边坡表面出现围绕井采采空区的环状裂缝，下部发生局部底鼓，边坡轮廓变化很大，沉陷严重，但并不一定构成闭合贯通滑面而引起整体滑坡。
② 如果井采工作面距矿坑的保安煤柱过短，裂缝及沉陷位置将会出现在边坡坡角处(即滑坡体的被动段)，边坡抗滑力减小，对边坡的稳定性影响最大;
如果井采工作面距矿坑的保安煤柱足够长，裂缝及沉陷位置将会出现在边坡中部或后部，边坡的下滑力可能减小，虽然边坡轮廓外貌变化较大，但对整体边坡的稳定性影响不大。
可以根据有关三下采煤煤柱留设标准、采煤沉陷有关试验数据、理论计算公式及边坡稳定性计算理论与方法，通过分析计算边坡稳定性来确定合理的保安煤柱长度。
③ 井采对边坡的影响主要表现在两方面:一是井采沉陷导致其上覆岩土体、边坡发生裂缝、沉陷与变形，一旦遇到暴雨，则降雨与地表水、地下水可能通过裂缝渗入边坡体内，大大降低岩体强度;二是井采沉陷改变岩土体原有的完整性，可导致边坡岩土体强度降低，目前可以采用抗剪强度指标折减的方法及数值模拟方法。
由上可知:由于北帮下部矿井的开采，导致北帮局部边坡产生向井采采空区中心的移动和变形，随着井采工作面向前推进，变形将会随之进一步扩展，并在地表形成多条动态弧形裂缝。当边坡体岩体强度足够克服井采岩移造成的附加应力时，地表移动最终将达到一相对稳定状态，这时仅会在地表形成一系列动态的开采沉陷盆地，对边坡稳定性不会造成影响;反之，随着井工开采的推进，边坡岩体受到一定程度的扰动，加之北端边坡岩体节理、裂隙发育，将会导致边坡岩体更易破碎，这样就会大大的降低边坡岩土体强度，当边坡的岩体强度不足以克服井采岩移造成的附加应力时，将会促使滑坡的发生。