弓長嶺露天礦含空區邊坡穩定性研究

劉殿軍 韓連生 盧曉輝

(鞍鋼礦業集團弓長嶺礦業公司，遼寧 鞍山 114000)

·采礦工程·

弓長嶺露天礦含空區邊坡穩定性研究

劉殿軍 韓連生 盧曉輝

(鞍鋼礦業集團弓長嶺礦業公司，遼寧 鞍山 114000)

針對弓長嶺露天鐵礦含空區邊坡穩定性問題，考慮不同大小、位置空區對邊坡穩定的影響，利用FLAC和Geo-slope軟件，分別模擬3種情況(包括36種情形)下邊坡的穩定性：①不含空區；②空區分別位于邊坡上部、中部、下部和坡角底部,這些空區距坡面的距離固定，改變空區的寬度；③空區大小確定，改變空區距坡面的距離。通過對比不同寬度、位置空區的邊坡塑性區、位移云圖和安全系數來分析空區對邊坡穩定性的影響規律。結果表明：上部空區的存在有利于邊坡整體穩定，但是影響邊坡的局部穩定；中部空區的存在對邊坡穩定性影響比較復雜，既有對邊坡穩定有利的情況，也有對邊坡穩定不利的情況；下部空區的存在嚴重影響邊坡的穩定性。該規律對露天開采轉地下開采很有借鑒意義。

露天礦 邊坡穩定 空區 數值模擬 安全系數

在許多露天礦中，都存在很多非法盜采的采空區，由于受采空區的影響，很多礦區都曾發生過邊坡滑動及平臺工作面的塌陷，空區的存在嚴重地影響了邊坡的穩定和生產安全[1-4]。多年以來，眾多學者對空區的安全穩定和對邊坡的影響進行了研究并取得了豐碩的成果。

龔聲武等[2]針對夾溝鋁礦地下采空區，用FLAC研究了含采空區的露天礦邊坡在開挖過程中的應力、位移和安全系數的變化情況。蔣衛東等[3]采用灰色定權聚類方法，以裂縫密度、集中度，采空區數量及頂板厚度為聚類指標對某銅礦地表穩定性進行了分析。韋志興等[4]探索確定井上和井下開采的爆破參數，使露采和地采能夠同時安全進行。李俊平等[5]采用相似模擬的方法，運用平面應力模型對采空區處理而引起地表巖移變化規律進行了研究。柴紅保等[6]利用強度折減法分析空區對邊坡穩定性的影響規律，認為空區的大小、形態、位置對邊坡的穩定都有影響，該規律對地下開采與露天開采轉換過程中的邊坡工程施工具有一定的實踐指導意義。王官寶等[7]根據格爾坷金礦采空區的實際情況，在已有采空區資料的基礎上采用鉆孔探查法查清了采空區的位置、分布形態、大小，以及冒落情況，并且提出了處理采空區的基本方法和安全技術管理措施，為合理治理采空區和礦山安全生產提供了科學決策依據。朱建新等[8]采用三維激光探測系統對某礦采空區進行探測，獲得了空區的三維形態，并用Surpac建立了立體模型；然后運用FLAC對其進行數值模擬，同時獲得現場的光彈應力計監測結果，兩者結合起來對邊坡的穩定性進行了綜合分析。萬虹[9]提出把原來沿走向均勻布置的礦柱改為不均勻布置,從而提高地下永久性大面積采空區的穩定性。他還提出一套穩定性指標，并結合具體礦山的空區穩定性研究進行了模型實驗，驗證了新方法的可靠性。

本研究以鞍鋼弓長嶺露天礦開采為工程背景，采用FLAC2D和Geo-slope軟件進行數值模擬，通過對比不同寬度、不同位置空區的邊坡塑性區圖、位移云圖和安全系數來分析空區對邊坡穩定性的影響規律。

1 工程概況

弓長嶺露天鐵礦位于遼陽市弓長嶺區，礦區面積4.36 km2，距遼陽市中心30 km。目前生產規模在720萬t/a左右，坑底標高為144 m，還沒有達到設計標高。由于歷史原因，該礦在日偽統治時期遭受大規模采富棄貧不合理的開采，留下了大量的空區。經過探測，發現目前坑底下部存在大量空區，已形成邊坡的內部存在少量空區，空區高度最小的有1 m，最大的達到15 m，寬度達到25 m左右，并且目前這些空區處于相對穩定狀態。這些空區具有空間大，分層多，分布凌亂等特點。

空區的存在嚴重地影響礦山邊坡的穩定，對礦山人員和大型設備構成嚴重的威脅，故為了保障礦山安全順利的生產，亟需對含空區的邊坡穩定性進行評價，并深入研究空區對邊坡穩定性的影響規律。

2 計算模型及研究思路

2.1 建立模型

經過對礦區資料的收集、整理、分析和現場實際踏勘，選擇了一個典型剖面進行分析。該剖面上部標高265 m，底部標高145 m，整體坡高120 m，整體坡角為23.5°，單臺階坡角最大為71.6°，計算模型如圖1。

圖1 邊坡計算模型Fig.1 Calculating model of slope

在數值分析中，主要做以下幾種假定：①不考慮巖石裂隙的影響，只考慮空區的影響；②巖體為各向同性、均質、連續體，符合摩爾-庫倫彈塑性模型；③計算不考慮時間物理量[10]。

計算模型邊界條件：邊坡底部所有自由度均被約束，邊坡兩側垂直邊界的水平向被約束。坡體材料主要為混合巖，密度為2 600 kg/m3，黏聚力為0.275 MPa，內摩擦角為27°，抗拉強度為0.2 MPa,彈性模量為4 300 MPa,泊松比為0.25。

2.2 研究思路

(1)利用Geo-Slpoe計算無空區邊坡的安全系數，用Flac模擬邊坡的位移云圖、塑性區分布圖及最大剪應變增量云圖。

(2)空區位置固定，改變空區的寬度。用Geo-Slope和Flac軟件模擬空區分別位于邊坡上部、中部、下部及坡角底部4種情況，空區在邊坡的位置如圖2所示。每種情況的空區高度均為6 m，空區右邊界距離坡面均為40 m，空區寬度分別是6、10、14、18、22 m等5種情形。通過對比含空區邊坡與不含空區邊坡、不同寬度空區邊坡的模擬結果來分析空區對邊坡穩定的影響規律。

圖2 含不同寬度、不同位置空區邊坡模型Fig.2 Slope model of goafs withdifferent width and position

3 空區寬度和位置對邊坡穩定性的影響

3.1 無空區邊坡穩定性

經計算，邊坡安全系數為2.548，邊坡內豎向最大位移為0.1 m、橫向最大位移為0.15 m、邊坡塑性區分布和最大剪應變增量見圖3。由模擬結果可知：邊坡整體穩定，但存在局部臺階滑坡的危險。

Research on quantitative evaluation method of steel structure quality based on fuzzy matrix

3.2 各不同寬度、不同位置空區邊坡穩定性

用Geo-Slope中摩根斯坦-普賴斯極限平衡法(M-P法)計算邊坡在各不同寬度和不同位置空區情況下的安全系數，其安全系數和相對無空區邊坡安全系數變化率分別見表1、表2、表3。

由表1可知：相對于無空區邊坡，空區位于邊坡上部時安全系數均有所提高，并且空區寬度越大，安全系數也越大。當空區寬度為22 m時，安全系數最大為1.578，增大率為1.938%。上部空區的存在，減少了下滑坡體的重力，即坡體的下滑力下降，故安全系數有所提高。

圖3 FLAC數值模擬結果Fig.3 FLAC numerical simulation results表1 上部空區寬度和邊坡安全系數Table 1 The width of goaf and safety factor of slope at top

空區寬度/m安全系數安全系數變化率/%6156410331015681292141569135718157316152215781938

表2 中部空區寬度和邊坡安全系數Table 2 The width of goaf and safetyfactor of slope at middle

由表2可知：空區位于邊坡中部時，情況比較復雜。空區跨度為6 m和10 m的邊坡安全系數相同且均使安全系數增加，而空區跨度為14、18和22 m時，引起邊坡安全系數減小，且空區寬度越大，安全系數減少的程度也越大。由此可知：空區位于中部，既可以增加邊坡的穩定也可以降低邊坡的穩定。當空區的中心位于潛在滑移面之內，則空區的存在相當于減輕滑體的重力，降低滑體的下滑力，提高了邊坡的穩定性；相反，當空區的中心位于滑移面之外，相當于減小了滑體的抗滑力，使安全系數降低。

表3 下部空區寬度和邊坡安全系數Table 3 The width of goaf and safety factorof slope at lower part

由表3可知，相對于無空區邊坡，下部空區的存在降低了邊坡的穩定性，并且安全系數隨著空區寬度的增加而逐漸減小，安全系數降低率最大為1.486%。空區位于邊坡下部，降低了邊坡滑動面的抗滑力，故空區越大，滑移面抗滑力下降越大，安全系數降低越多，越不利于邊坡的穩定。

當空區位于邊坡角底部時，安全系數無變化。由于邊坡的整體坡度較緩，使得滑移面沒有通過坡角，更沒有經過坡角底部，空區位于滑移面之外很遠距離，見圖4，故未對邊坡穩定性造成影響。

圖4 坡角底部空區和滑移面Fig.4 The goaf at the bottom of slope and slip plane

3.3 相同空區在不同位置的邊坡穩定性

空區在同一水平位置，但是距離坡面的距離不同，對邊坡穩定有不同的影響，空區在不同位置所對應的邊坡安全系數見圖5。由圖5可知：空區位于邊坡上部時，安全系數經歷了先增大后減小的過程，安全系數最大為1.59，最小為1.548，與無空區邊坡安全系數相等；空區位于邊坡中部時，安全系數經歷了先減小后增大的過程，安全系數最大為1.561，最小為1.520；空區位于邊坡下部時，安全系數逐漸增大，但未超過1.548。總之，空區位于邊坡頂部時，在距坡面一定范圍內，空區距坡面越遠，越有利邊坡的穩定；超過一定范圍，空區的存在對邊坡整體穩定無影響。空區位于中部時，在距坡面某個范圍內，空區的存在有利于邊坡的穩定；在距坡面某個范圍內，空區不利于邊坡的穩定；但是，超過一定范圍，空區的存在對邊坡整體穩定無影響。空區位于邊坡下部時，在距坡面一定范圍內，空區的存在不利于邊坡的穩定，但是，超過一定范圍，空區的存在對邊坡整體穩定無影響。

圖5 空區在不同位置下的邊坡安全系數Fig.5 Slope safety factor of goafs at different position■—上部空區；▲—中部空區；◆—下部空區

圖6 上部空區距坡面不同距離的豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement contour of goaf at topwith different distance from slope surface

圖7 中部空區距坡面不同距離的塑性區分布Fig.7 Plastic zone of goaf at middle with differentdistance from slope surface

空區在中部時，邊坡塑性區分布如圖7。由圖7可知：隨著空區距邊坡距離的增加，塑性區的范圍不斷擴大。由于空區的存在，導致了空區附近產生應力集中，故塑性區隨著空區向左移動而范圍不斷擴大，而遠離空區的邊坡下部和底部則沒有出現塑性區。空區在邊坡下部時，邊坡塑性區分布見圖8。由圖8可知：塑性區由頂部一直貫通到空區所在的水平位置，且塑性區的范圍同樣也是隨著空區向左移動而逐漸擴大。

圖8 下部空區距坡面不同距離的塑性區分布Fig.8 Plastic zone of goaf at lower part with differentdistance from slope surface

4 空區對邊坡穩定性影響的綜合分析

(1)空區在邊坡上部時，當空區位于滑移面之內，則空區的存在有利于邊坡的穩定，這是由于空區的存在相當于對滑體進行卸載，減小了滑體的下滑力，故安全系數有所提高；當空區位于滑移面之外，對邊坡整體穩定性不產生影響，但是會影響邊坡局部穩定。與無空區邊坡相比，塑性區分布范圍在邊坡中部和下部有所減小，但是塑性區范圍在邊坡上部卻隨著空區寬度和坡面距離的增大而不斷擴大，對邊坡上部穩定有不利影響。

(2)空區位于中部時，對邊坡穩定性的影響比較復雜。當空區中心在潛在滑移面之內，則空區的存在相當于減少了滑體的質量，減小了滑體的下滑力，故安全系數有所增加，而且，空區跨度越大，邊坡的整體穩定性越好；當空區中心位于滑移面之外，則空區的存在相當于降低了邊坡的抗滑強度，故安全系數有所減小；當空區完全在滑移面之外，則對安全系數不產生影響。由于應力集中，塑性區分布會隨著空區的大小和位置的變化而改變，空區寬度越大，距坡面越遠，塑性區分布范圍越大，從而導致滑動帶變寬。雖然邊坡下部沒有出現塑性區，但是對邊坡上部和中部的穩定性有不利影響。

(3)空區位于邊坡下部時，當空區與坡面的距離在某個范圍之內，空區的存在降低了滑動面的抗滑能力，且空區寬度越大，安全系數降低越多，越不利邊坡的穩定；當空區與坡面距離超過某個范圍，安全系數不發生變化。與不含空區邊坡相比，塑性區從頂部到空區位置形成了一個貫通區，并且塑性區的范圍隨著空區寬度的增大而不斷擴大，隨著空區位置的變化而變化，影響邊坡的整體穩定性。

(4)空區位于邊坡腳底部時，由于這個邊坡的整體較緩(坡角為23.5°)，空區距離潛在滑移面很遠，故未對邊坡穩定性造成影響。

(5)受應力集中的影響，空區附近的位移較其他部位的位移增大很多。空區附近的位移及坡面附近的位移對空區的大小和位置變化不太敏感，與無空位邊坡相比，雖然坡面處的位移有所增大，但是沒有隨空區的大小和位置的變化而變化很大。

5 結 論

(1)空區位于邊坡頂部時，空區距坡面一定范圍之內，空區的存在有利于邊坡的整體穩定，并且空區跨度越大，安全系數也越大；空區距坡面超出某個范圍，空區的存在對邊坡的整體穩定沒影響。但是，由于上部塑性區范圍的擴大，空區的存在不利于邊坡上部的穩定。

(2)空區位于邊坡中部時，當空區中心在滑移面之內，空區寬度越大，邊坡整體穩定性越好；當空區中心位于滑移面之外，降低了滑動面的抗滑強度，不利于邊坡的穩定；當空區完全在滑移面之外，對邊坡的整體穩定不產生影響。由于空區的存在，導致塑性區中、上部的范圍擴大，對邊坡上部和中部的穩定性有不利影響。

(3)空區位于邊坡下部時，塑性區從頂部一直貫通到下部，且塑性區范圍隨著空區寬度和距坡面距離的增加而不斷擴大，嚴重影響邊坡整體穩定性。

(4)空區位于邊坡腳下部時，由于邊坡整體坡度較緩，空區距離潛在滑移面很遠，故未對邊坡穩定性造成影響。現狀水平下面存在的空區對邊坡穩定影響很小，可以不對其進行專項防護、治理。

(5)由于應力集中作用，空區附近產生較大的位移，但是空區的存在并未對坡面的位移造成很大的影響，而且空區附近位移和坡面位移隨著空區大小和位置的變化而變化不大，邊坡位移對空區變化不是很敏感。由于應力集中作用，塑性區的范圍隨著空區寬度的增大而不斷擴大，隨著空區位置的變化而變化。

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(責任編輯 徐志宏)

Study on Stability of the Slope With Goafs in Gongchangling Open-pit Mine

Liu Dianjun Han Liansheng Lu Xiaohui

(GongchanglingIronMineofAnsteelGroupCorporation，Anshan114000,China)

For the stability of the slope with goafs in Gongchangling open-pit iron mine，the influence of goafs with different size and position was considered. Numerical simulation was carried out by FLAC and Geo-slope software. Three conditions (including 36 cases) of the slope stability were simulated: ①without goaf；②goaf lies in the top, middle, lower part and bottom of the slope and the distance of all goafs from slope surface is fixed, and the width of the goaf is changed；③The size of goafs is fixed, and the distance from slope is changed. Through contrasting with plastic zone，displacement and safety factor of slope with different goafs, the influence law of the goaf on the slope stability was obtained. The results showed that the goaf in the upper slope is beneficial to the overall slope stability，but has influence on the local stability of the slope. The goaf in the middle slope has more complex influence on slope stability，both favorable or unfavorable for slope stability situation. The goaf in the lower part of the slope has serious influence on slope stability. This law has reference meaning in transferring from open-pit mining to underground mining.

Open-pit mine, Slope stability, Goaf, Numerical simulation, Safety factor

2015-09-23

國家自然科學基金項 目(編號：51174208,51034005)。

劉殿軍(1972—)，男，礦長，高級工程師。

TD804

A

1001-1250(2015)-11-001-06