急傾斜礦體露天轉地下開采邊坡滑移機制

孫世國,趙雪芳,馮少杰,王 群,易亞楠

(北方工業大學,北京 100144)

急傾斜礦體露天轉地下開采邊坡滑移機制

孫世國,趙雪芳,馮少杰,王 群,易亞楠

(北方工業大學,北京 100144)

露天轉地下開采后，涉及露天與井工開采相互擾動問題，影響因素更加復雜，邊坡滑坡風險劇增，掌握露天轉地下開采邊坡滑移機制對礦山深部資源的開發具有重要意義。本文以北京云冶礦山露天轉地下開采為工程背景,通過數值模擬分析方法，研究了地下采區不同區域的開采對不同空間位置邊坡穩定性的影響，揭示了兩種開挖體系之間相互誘發與相互擾動機制、以及采動影響域相互重疊加的特點。在此基礎上，進一步分析了地下開采引起邊坡巖體的變形機制。研究結果表明：當開采深度達到240m時，復合邊坡的坡角達到最大，邊坡處于危險狀態之中；區劃出的不同開采位置誘發的危險變形區域和實際情況較為吻合。

變形機制；疊加特征；位移矢量；邊坡穩定

露天轉地下開采邊坡巖體的移動變形和穩定性問題已成為一個影響生產安全和環境的突出問題[1-6]，而且這一問題將隨著開采向深部延伸更加突出。露天開采時期的大規模開挖，對圍巖體造成較大的應力擾動，在此基礎上進行地下開采，將引起邊坡巖體的進一步變形和破壞，甚至出現滑坡失穩和巷道破壞等災害[6]。露天轉地下開采使得部分邊坡巖體和地下圍巖體受到二次開采擾動的影響，應力場相互疊加，變形和破壞特性要比單一的地下和露天開采復雜的多，從而提出了許多新的研究課題，露天邊坡的破壞特性和由此引起的災害問題就是其中之一。

本文以北京云冶礦業有限責任公司上峪礦區VII-VII剖面的開采實踐為例，通過數值模擬分析方法，分析了露天轉地下開采對上部邊坡巖體變形的影響規律及其變形機制，從而為保證礦山的安全生產提供科學依據。

1 工程概況

云冶礦區位于密云縣城北，大地構造位置位于華北地臺北緣中段，四海—長哨營拗陷帶與密懷隆起接觸帶東南側，東西與北東構造帶交匯部位的南側。由于大型礦床多數為傾斜和急傾斜礦體，埋藏延深較大。凹陷開采深度超過400～500m后繼續進行露天擴幫開采，不但經濟上不合理，而且造成土地的大面積占用和剝離的大量廢石對生態環境的破壞。目前云冶礦區有上峪、麻子坑兩礦區在進行露天開采，本文以上峪礦區的VII-VII剖面圖(圖1)開采工程為例，研究露天轉地下開采后邊坡巖體變形機制，VII-VII剖面主要是由片麻巖和鐵礦石組成，其中上盤為黑云角閃斜長片麻巖，下盤為角閃斜長片麻巖。

圖1 VII-VII剖面工程地質圖

2 地下開采誘發邊坡變形機理分析

本文采用三維數值模擬軟件建立數值模型，模型基本尺寸為672m×400m×520m(圖2)，即沿傾向672m，沿走向400m，高度為520m；并進行網格劃分，節點數目為18900，劃分的網格單元數為17997。開采順序沿傾向由上向下開采，每一步開采深度為20m，共16步，走向寬度取200m。

圖2 露天轉地下開挖過程中位移矢量圖

一般來說，礦產資源回收按采掘方式的不同可分為井工礦開采、露天礦開采及其兩者的聯合開采。在我國礦產資源開發中主要以井工礦和露天礦采掘方式為主，但由于受剝采比等因素的制約，有許多礦區為井工與露天聯合開采。從采掘空間位置分布關系來看，露天邊坡位于地下采動影響域內，致使兩種采動影響域中的一部分相互重疊，由此造成了兩種采動效應相互作用、相互疊加和相互影響，從而構成復合疊加效應[7-9]，使得邊坡巖體的變形與破壞模式完全不同于單一露天采動效應下巖體變形問題，其變形機制復雜、變形量大、變形波及范圍更廣。與單一露天開采相比，復合開采影響下邊坡地表變形速率之巨、影響范圍之大、持續時間之長十分驚人，嚴重地影響到礦山生產和周邊環境安全。

從變形矢量圖(圖2)和露天轉地下開采引起的邊坡變形區域示意圖(圖3)可知，上部復合邊坡的巖體由于受到露天開采擾動的影響，從而產生變形，其位移矢量方向為u1(圖3)；上部自然邊坡巖體因蠕變作用、受風化作用、地下水侵蝕及巖體流變性等因素的影響，會產生變形，其位移矢量方向為u2(圖3)。那么在如此條件下進行地下開采，邊坡巖體內部的應力場必然發生變化，從而導致邊坡巖體的擾動，產生新的變形。如圖3所示，其中復合邊坡與自然邊坡由于地下開采引起的位移矢量大小及方向為wi，兩者的位移合成矢量為vi；但是合成后位移矢量的方向根據開采區域空間位置[10-11]及邊坡體的空間位置的不同而不同。通過數值模擬得出邊坡開采到240m深時復合邊坡與自然邊坡發生與初始位移方向相反的變形，因此，將上盤開采影響區域劃分為I、II兩個區域(圖3)。

如圖3所示，對于整個邊坡體而言，位移合成矢量的方向是由開挖量大小及邊坡巖體的空間相對位置等決定。當地下開挖量達到一定程度時，在傾向主斷面內的復合邊坡上P1點的位移合成矢量與自然邊坡上P2點的位移合成矢量方向肯定不一致，究其原因為邊坡體上不同空間位置的兩種采動影響大小和方向不同。其中就復合邊坡而言，由圖4可知，開采至240m時，其合成矢量的水平位移達到最大，邊坡坡角達到最大；而自然邊坡中兩種采動影響的合成矢量水平位移在開采至240m以后逐漸減小，見圖5。

圖3 露天轉地下開采引起的邊坡變形區域示意圖

圖4 復合邊坡與自然邊坡水平位移對比值

圖5 露天轉地下開采引起的邊坡變形機制分析示意圖

一般情況下，合成矢量更多的表現為較大的采動影響屬性；如P1點合成的方向仍然指向采空區，也就是說該單元體的邊坡將向著地下采空區的方向移動，但是這與單一的地下開采有著本質的區別，表現在合成后的位移矢量方向一般不再指向地下采區的幾何中心或最大下沉點[12]，主要是因為地表面為非平面，除上部邊坡巖體自身的蠕變之外，當地下開采到達一定程度時，巖體受到破壞，從而誘發上部邊坡巖體產生滑移；由此可知，經過合成與疊加作用，合成矢量的方向將偏離地下采空區的幾何中心。從邊坡穩定以及邊坡變形產生的后果角度來考慮，在I區內(圖3)，就其水平位移值來說，復合邊坡的水平位移值即P1點呈遞增規律，結果是使其坡角增大，僅僅從這方面考慮對其邊坡是不利的；而自然邊坡的水平位移即P2點呈遞減規律，結果是使其坡角減小，但從這個角度考慮對其邊坡是有利的。在II區內(圖5)，就其水平位移值而言，復合邊坡的水平位移值即P1點呈遞減規律，結果是使其坡角減小，僅僅從這方面考慮對其邊坡是有利的；而自然邊坡的水平位移即P2點呈遞增規律，結果是使其坡角增大，但從這個角度考慮對其邊坡是不利的。

3 不同開挖量影響下上覆巖體的移動規律

從變形過程來看，沉降量基本形成統一的下沉中心，且兩側沉降量明顯小于下沉盆地中心，這符合巖移規律和變化特征。從水平位移變化過程來看，開采20m時，位移量小，移動范圍較小，對山體的滑移變形影響尚未顯露出來。隨著開采厚度的增大，山體產生整體的滑移變形，兩者的疊加構成了整體的移動變形，其變形如圖6所示。此外，由于礦體賦存條件屬于急傾斜，上盤巖體以類似于懸臂梁的形式向采空區產生彎曲變形和破壞，而下盤區類似于斜坡，所以，上盤區域的移動變形范圍遠大于下盤區的變形量值和范圍。其變形圖見圖6、圖7。

1.第一步開挖；4.第四步開挖；8.第八步開挖；12.第十二步開挖；16.第十六步開挖圖6 VII-VII剖面地表及水平監測線沉降變形值分布曲線

圖7 VII-VII剖面地表及水平監測線沉降相對變化值柱狀圖

就地表監測線而言，平均每開挖20m，平均沉降量增加122.47%；開挖深度由20m增加到80m時，其最大沉降較原來增加了284.85%，開挖深度由80m增加到160m時，其最大沉降較原來增加了89.61%，開挖深度由160m開挖到320m時，其最大沉降量較原來增加了51.99%。由其剖面圖示可得，其礦體儲存的角度較大，屬于急傾斜礦體的開采，因此取兩條水平監測線進行對比，水平監測線1在標高300m處，平均每開挖20m，平均沉降量增加144.60%；水平監測線2在標高100m處，其平均每開挖20m，平均沉降量增加27.60%。對于開采到160m深時，地表監測線、水平監測線1及水平監測線2的最大沉降變化如下：水平監測線1較地表監測線最大沉降增加了0.58%；水平監測線2較地表監測線最大沉降減小了104.90%。水平監測線1、2變化量見圖7。

通過數值模擬，同時還對豎向監測線的水平位移進行了分析，得出了剖面上盤、下盤及上部邊坡的滑移趨勢。從圖8可知，完全位于下盤內的豎向監測線1的變形很小，而豎向監測線2、3、4均有在上盤的部分，其變形遠遠大于下盤區域的變形。對豎向監測線3而言，其水平變形屬于最劇烈的部分，其水平位移變化為平均每開挖20m增加47.10%，其變化量較豎向沉降比，此剖面變形以豎向沉降為主；豎向監測線3中由20m開挖到80m，其最大水平位移量較原來增加了878.57%，由80m開挖到160m時，其最大水平位移較原來增加了162.84%，由160m開挖到320m時，其最大水平位移量較原來增加了58.12%。豎向監測線1、2、3、4、5的水平位移變化量如圖9所示。

1.第一步開挖；4.第四步開挖；8.第八步開挖；12.第十二步開挖；16.第十六步開挖圖8 VII-VII剖面豎向監測線水平變形值分布曲線

圖9 VII-VII剖面豎向監測線水平位移相對變化值柱狀圖

通過對VII-VII剖面豎向監測線水平位移、地表及水平監測線沉降相對變化值柱狀圖的數據分析以及對VII-VII剖面水平、豎向監測線變形值分布曲線的對比得出此剖面開采產生變形最劇烈的位置為地下采區中間上盤部分；而且隨著開采的進行，礦山的應力應變變化量越來越小，將要處于平衡狀態，即礦山的開采就是一個動態平衡的演變過程。

4 地下開挖誘發地表破壞范圍的界定及可能誘發的次生災害

由上述分析可知兩種不同的采動效應在不同的邊坡體空間位置以及不同的開采位置所產生的結果是不同的。在I區域內，復合邊坡的水平位移隨著開采的進行呈遞增狀態，加速了其邊坡由穩定到不穩定的過程，對邊坡本身來講是不利的，但其邊坡的滑移在其開采范圍內，產生的危險性是相對較小的；但在II區域內，自然邊坡的水平位移隨著開采的進行呈遞增狀態，導致其坡角逐漸增大并加速其下滑，且自然邊坡的滑移并不在開采范圍內，所以自然邊坡滑移會產生較大的危險性，如滑坡、泥石流、堰塞湖等較大災害，給礦山的安全生產帶來重大的威脅。

根據“建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程”的規定，及有關地表變形破壞范圍的規定，其傾斜、曲率和水平變形值分別為：3mm/m、0.2×10-3/m 、2mm/m文根據數值模擬結果中的三個變形計算值中的最大值，劃出其危險變形區域如圖10所示，其中上山移動角為41°，下山移動角為55°；其移動范圍如圖10所示，說明整個山體位于危險區域內，隨著開采厚度的增大，當開采厚度達到240m時，水平移動值達到最大值，之后開始遞減，說明從240m至320m段的開采，山峰的移動方向相反(圖4)，即山體受山坡外側礦體的開采，產生滑移變形的方向指向露天采場的外側，即指向自然山坡坡腳下，一旦產生滑坡易誘發環境破壞或自然流水通道的堵塞。

然而，露天轉地下開采的許多工程設施位于其危險變形區內，為了保障其安全性，需要強化動態監測，實時掌握其動態發展趨勢，避免破壞性滑坡產生次生災害。

圖10 危險區域劃分圖(單位：m)

5 安全開采防控措施

考慮到上峪采場露天轉地下開采過程中，其深部礦體開采將誘發自然山體的滑坡，因此，需要采取相應的防控措施，主要包括以下幾個方面。

1)采取開采控制措施。考慮到采動效應的疊加作用特點，在開采設計過程中，應該避免過分集中對某一采區大規模放礦的開采方法，可采取小規模分散式放礦模式，避免一次性破壞性作用誘發山體滑坡。

2)采取充填的方式。由于考慮到集中在某一區域集中開采產生較大變形，可以采用充填采空區的方法減小變形，以避免產生上覆建筑物、自然環境以及開采設備、條件等的破壞。

3)加強防洪體系的構建。由于地下開采作用，在山體上肯定要產生許多張拉裂縫，雨季降雨會滲入裂縫巖體中，從而降低巖體力學參數，因此，構建有效的防洪體系，可以減少雨水的滲入量，從而減小滑坡的概率。

4)強化動態變形的實時監測體系的構建。掌握山體變形的有效手段之一是動態監測，依據監測結果和相關的動態分析，可以根據變形情況，然后采取相應的防范措施，從而避免或減小山體滑坡對下游的影響和生態環境的破壞。

6 結論

1)通過對云冶上峪礦區露天轉地下開采引起的邊坡變形機制分析可知，當開采深度達到240m時，復合邊坡的坡角達到最大，邊坡處于危險狀態之中；而當開采深度大于240m時，自然邊坡的坡角逐漸增大，自然邊坡的危險性隨之逐漸增大。

2)通過數據分析可知，在露天轉地下開采過程中，從水平位移變化過程來看，隨著開采厚度的增大，山體產生整體的滑移變形，兩者的疊加構成了整體的移動變形；由于礦體賦存條件屬于急傾斜，上盤巖體以類似于懸臂梁的形式向采空區產生彎曲變形和破壞，而下盤區類似于斜坡，所以，上盤區域的移動變形范圍遠大于下盤區的變形量值和范圍。

3)由于邊坡巖體位移矢量具有三維特性，且位于不同位置或不同區域的位移矢量的特性是不同的，因此，邊坡體位移合成矢量方向是由地下開采量的大小以及該邊坡體空間位置決定的，并不能單純地確定其移動方向指向坑內或地下采區。

4)針對山體邊坡而言，由于礦山開采引起的山體邊坡變形過大，可能會產生滑坡、泥石流、堰塞湖等地質災害。因此，應加強邊坡變形的監測預警，并建立預警體系；同時，可利用邊坡加固技術提高邊坡巖體的穩定性。

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The slope sliding mechanism by mining steep deposit in transferred underground mining from open-pit

SUN Shi-guo,ZHAO Xue-fang,FENG Shao-jie，WANG Qun，YI Ya-nan

(North China University of Technology，Beijing 100144,China)

After underground mining from open-pit，Open- pit and underground mining interact with mutual disturbance,more complex factors，the risk of the Landslide increases.Knowing the mechanism of mining steep deposit in transferred underground mining from open-pit has a great significance for the development of mining resources in the deep.This article is based on yunye mine underground mining from open-pit in Beijing by the numerical simulation analysis method studying the effects of mining underground area in different regions with different spatial positions slope stability.And it reveals the induced by each other and mutual interference mechanism between the open pit mining and underground mining and the characteristics of exploited influencing scopes superimposed and included.On this basis，further analysis of the deformation and mechanism of rock slope caused by underground mining is made.The results prove that：when mining depth of 240m，the Composite Slope slope angle reaches the maximum，and the state of the slope is at risk；deformation of different divisions of dangerous mining is more consistent with the actual situation.

deformation mechanism；overprint characteristic；displacement vector；slope stability

2014-04-08

國家自然科學基金項目資助(編號：41172250)；國家十二五科技支撐項目資助(編號：2012BAK09B06)；北京市科研基地建設-科研創新平臺、北京市科技成果轉化項目、北京市創新團隊提升計劃項目聯合資助

孫世國(1959-)，男， 教授，博士后，博士生導師，北方工業大學礦山安全與巖土工程研究中心主任，土木工程一級學科責任教授，國家和北京市政府安全生產專家組成員，中國巖石力學與工程學會理事，國際工程地質與環境協會中國專家組成員。E-mail：ssg918@163.com。

TU42;TD852

A

1004-4051(2015)03-0106-05