露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采誘發(fā)高邊坡滑移機(jī)制研究

孫世國(guó) 郭煒晨 劉文波 郭 珮 董彥飛

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

·安全與環(huán)保·

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采誘發(fā)高邊坡滑移機(jī)制研究

孫世國(guó) 郭煒晨 劉文波 郭 珮 董彥飛

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和核心難題之一。以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，應(yīng)用離散元數(shù)值模擬，選取合適的力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用3DEC、Matlab等軟件系統(tǒng)，分析了地下開(kāi)采對(duì)高大邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制、滑移特點(diǎn)和后續(xù)變形發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：受露天與地下開(kāi)采兩者的復(fù)合采動(dòng)作用的影響，滑移變形產(chǎn)生了疊加作用，地表的下沉曲線形成多個(gè)大小不同的下沉盆地，導(dǎo)致不同區(qū)域邊坡巖體變形破壞程度也不同。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知：地下采區(qū)的不同開(kāi)采階段誘發(fā)的移動(dòng)角大小不同，開(kāi)采厚度不同，上覆巖體的破壞程度也不同。所以，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中，邊坡穩(wěn)定性主要受到采空區(qū)處理方式和開(kāi)采厚度等多重因素的影響；在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，需要結(jié)合具體開(kāi)采情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

高陡邊坡 露天轉(zhuǎn)地下 離散元 3DEC 邊坡穩(wěn)定

邊坡穩(wěn)定性是我國(guó)巖土工程研究中的一個(gè)熱門(mén)課題。我國(guó)有許多采用露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦區(qū)[1]，在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，邊坡會(huì)前后受到2次采動(dòng)(露天開(kāi)采+地下開(kāi)采)影響，且第2次擾動(dòng)影響會(huì)誘發(fā)邊坡產(chǎn)生滑移變形或破壞。邊坡受到2次開(kāi)采影響的綜合疊加作用，稱(chēng)為復(fù)合開(kāi)采效應(yīng)[2]。而在復(fù)合開(kāi)采效應(yīng)影響下，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮2次采動(dòng)所產(chǎn)生的綜合作用[3]。由于在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，地下采空區(qū)會(huì)對(duì)上覆邊坡穩(wěn)定性造成影響[4-6]，因此需要控制采空區(qū)對(duì)其影響程度。本研究運(yùn)用更適合節(jié)理巖土應(yīng)力分析的離散單元法[7]，以紫金山金銅礦為工程依托，模擬采空區(qū)采用不同處理方法時(shí)上覆巖體的變形破壞，并總結(jié)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采時(shí)的邊坡滑移變形規(guī)律，對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行綜合評(píng)判，對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

紫金山金銅礦是我國(guó)的一個(gè)特大型金銅礦[8]。設(shè)計(jì)紫金山金銅礦露天采場(chǎng)上口面積約1 450 m×1 500 m，下口(采坑底)面積約80 m×90 m，終了邊坡東幫最高標(biāo)高為+1 012 m，采場(chǎng)底標(biāo)高+100 m，最大高差達(dá)912 m。紫金山銅礦所處區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈，以北西向和北東向?yàn)橹鳎潜緟^(qū)的控巖控礦構(gòu)造。北西向斷裂總體走向300°～329°，傾向南西或北東，傾角40°～80°，是本區(qū)重要的控巖控礦構(gòu)造。北東向構(gòu)造總體呈北東走向的“S”形，向南西傾狀，軸面傾向北西，由震旦系組成其核部，兩翼主要為上泥盆統(tǒng)和石炭系。兩側(cè)相伴有官莊—珊湖、廟前—舊縣復(fù)向斜，與褶皺相平行的北東走向斷裂十分發(fā)育，紫金山礦田即位于該背斜核部的西南端。斷層主要為北東向斷裂，走向40°～50°，傾向北西或南東，屬基底斷裂[9-11]。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

計(jì)算模型如圖1所示。本次數(shù)值模擬所采用的力學(xué)參數(shù)取自巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并充分考慮了以往紫金山金銅礦地質(zhì)勘探中所記錄的力學(xué)參數(shù)，具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 紫金山金銅礦三維離散元計(jì)算模型

表1 紫金山金銅礦巖體力學(xué)參數(shù)

3 空區(qū)處理對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡穩(wěn)定性分析采用3DEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖1所示。將地下采區(qū)開(kāi)挖分3個(gè)階段:分別從+30 m開(kāi)采至0 m階段、-50 m階段和-100 m階段；地下開(kāi)采模擬計(jì)算按采空區(qū)充填和不充填2種開(kāi)采方式進(jìn)行：第1種是采空區(qū)按崩落處理，第2種采空區(qū)采用尾礦充填。選取5-5剖面(見(jiàn)圖1)，其地下開(kāi)采步驟如圖2所示。

圖2 地下開(kāi)采步驟

根據(jù)2種開(kāi)采方法下的數(shù)值模擬結(jié)果，提取三維模型表面節(jié)點(diǎn)和不同開(kāi)采階段的邊坡水平位移和豎直位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，可得出紫金山金銅礦+30 m開(kāi)采至-100 m階段三維下沉盆地位移色譜圖，如圖3所示；在每次開(kāi)挖過(guò)后，沿各剖面提取邊坡巖體坡頂至坡腳的關(guān)鍵點(diǎn)的豎直位移值，可畫(huà)出邊坡巖體在地下開(kāi)采過(guò)程中的下沉曲線對(duì)比圖，如圖4所示。

圖3 +30 m開(kāi)采至-100 m階段三維下沉盆地位移色譜圖

圖4 沉降曲線變化規(guī)律

由圖4可以看出，崩落法采空區(qū)對(duì)邊坡巖體下沉的影響遠(yuǎn)大于露天開(kāi)采的影響。當(dāng)?shù)叵麻_(kāi)采由+30 m開(kāi)挖至-100 m階段時(shí)，采空區(qū)上覆巖體最大下沉值為-7.68 m，其中坡頂最大下沉值為-1.95 m；地表的變形破壞比較劇烈，采場(chǎng)地表最大沉降出現(xiàn)于采空區(qū)上方，對(duì)露天采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性有很大影響，需要采取相應(yīng)的治理措施。而采用充填法處理采空區(qū)時(shí)，從填充開(kāi)采整體三維下沉位移云圖和水平位移云圖(圖3(b))可以看出，采用填充開(kāi)采時(shí)最大下沉區(qū)域出現(xiàn)在東幫，由于采用填充法所以地表下沉區(qū)域和下沉量顯著變小，且最大下沉位置向坡頂移動(dòng)。根據(jù)填充后的邊坡體頂部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線變化(圖4(b))可以看出，填充采空區(qū)開(kāi)采時(shí)地表的最大下沉位移為-0.34 m，遠(yuǎn)小于崩落采空區(qū)開(kāi)采產(chǎn)生的沉降，因此，充填開(kāi)采方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

4 位移場(chǎng)變化分析

取5-5剖面如圖1所示，采用不同開(kāi)采方法時(shí)其位移場(chǎng)對(duì)比如圖5所示，可以看出采用崩落法處理采空區(qū)時(shí)，邊坡巖體的移動(dòng)值是充填法的22.6倍，說(shuō)明采區(qū)充填與否，上覆巖體的破壞程度差異非常大。開(kāi)采厚度不同其影響也不同，厚度越大其影響也越大，開(kāi)采一、二、三階段的移動(dòng)影響角分別為51°、47°和43°，說(shuō)明移動(dòng)開(kāi)采厚度大，其對(duì)地表的影響范圍也越大，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響范圍也越大，從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，采空區(qū)影響范圍基本覆蓋整個(gè)邊坡巖體(圖5)。可以看出由+30 m開(kāi)采至0 m階段時(shí)，部分邊坡巖體已經(jīng)開(kāi)始失穩(wěn)變形，由+30 m開(kāi)采至-100 m階段時(shí)，采空區(qū)上覆巖體發(fā)生大面積的失穩(wěn)變形破壞。而從采用充填法開(kāi)采時(shí)的位移場(chǎng)可以看出，充填之后地下采空區(qū)對(duì)露天邊坡體的影響大幅度的降低；從模擬結(jié)果來(lái)看，從+30 m開(kāi)采至-100 m階段時(shí)，邊坡巖體局部才產(chǎn)生破壞(圖5(b))，且破壞程度遠(yuǎn)小于崩落法開(kāi)采，說(shuō)明充填法是控制聯(lián)合開(kāi)采中邊坡穩(wěn)定程度的最有效的手段。

圖5 +30 m至-100 m開(kāi)采階段5-5剖面位移對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)復(fù)雜工程地質(zhì)條件高陡邊坡，采用了節(jié)理裂隙的離散元分析模型，解決非連續(xù)介質(zhì)模擬問(wèn)題，并在建立模型時(shí)充分考慮特殊工程地質(zhì)條件和接觸面參數(shù)，為建立符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的模型提供了理論基礎(chǔ)。

(2)在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，由于兩者的復(fù)合作用，地表的下沉曲線是2次開(kāi)采所造成的滑移變形的疊加結(jié)果。所以，在下沉盆地中產(chǎn)生了多個(gè)大小不同的下沉盆地，不同區(qū)域邊坡巖體滑移變形與破壞程度也不同。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬研究，高陡邊坡在地下有采空區(qū)存在的情況下，不同開(kāi)采階段的移動(dòng)角大小是不同的。說(shuō)明開(kāi)采厚度不同，其對(duì)上覆巖體的破壞程度是不一樣的，在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)需要結(jié)合具體情況進(jìn)行分析。另外，采空區(qū)的處理方法不同，其移動(dòng)量差距非常大，對(duì)于重要區(qū)段的邊坡必須采取充填方法，以確保邊坡的穩(wěn)定性。

[1] 孫世國(guó),蔡美峰，王思敬.露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡巖體滑移機(jī)制的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(1):126-129. Sun Shiguo，Cai Meifeng，Wang Sijing.Study of sliding mechanism for slope due to the excavation from open pit into underground mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000,19(1):126-129.

[2] 孫世國(guó),王思敬.地下與露天復(fù)合采動(dòng)影響下邊坡巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),1998， 6(4):312-318. Sun Shiguo，Wang Sijing.A method for evaluation of slope rock-mass stability under the combined action pit and underground mining[J].Journal of Engineering Geology,1998，6(4):312-318.

[3] 孫世國(guó),蔡美峰,王思敬.地下與露天復(fù)合采動(dòng)效應(yīng)及邊坡變形機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(5):563-566. Sun Shiguo，Cai Meifeng，Wang Sijing.Effect of combined underground and open pit mining and deformation mechanism of slope[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1999,18(5)：563-566.

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on High Slope Sliding Deformation Mechanism induced by Transiting from Opencast into Underground Mining

Sun Shiguo Guo Weichen Liu Wenbo Guo Pei Dong Yanfei

(SchoolofCivilEngineering，NorthChinaUniversityofTechnology，Beijing100144，China)

The slope stability during transition from opencast into underground mining is one of the key techniques and the core issues in safe mining production.Based on engineering project，the numerical simulation analysis of discrete element method is applied to select appropriate mechanical parameters.With the use of 3DEC，Matlab and other software systems，the slope stability，slip deformation characteristics and follow trends of high slopes at underground mining are analyzed.As the result，Due to the combined impact of both underground mining and open-pit mining，the surface subsidence curves show as multiple sink basins of different sizes under superposition，so the rock slope deformation extent at different regions are different.According to the results of numerical simulation，the mining-induced displacement angle at underground mining area are different at the different exploitation stage，indicating that with different mining thickness，the damage level of the overlying rock is different.So during the transition from opencast into underground mining，the slope stability is mainly impacted by multiple factors such as goaf treatment and different mining thickness.Furthermore，the slope stability evaluation requires a combination of the specific circumstances of the mining.

High and steep slope，Transition from open pit to underground mining，Discrete element method，3DEC，Slope stability

2015-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41172250)，“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAK09B06)，北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提升計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：IDHT20140501)。

孫世國(guó)(1961—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853

A

1001-1250(2015)-05-162-04