緩傾斜磷礦體露天轉(zhuǎn)地下開采對邊坡的影響研究

李 哲,王孟來,徐前衛(wèi)

(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092；2.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600； 3.同濟(jì)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 上海 200092)

緩傾斜磷礦體露天轉(zhuǎn)地下開采對邊坡的影響研究

李 哲1,王孟來2,徐前衛(wèi)3

(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092；2.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600； 3.同濟(jì)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 上海 200092)

以晉寧磷礦6#坑緩傾斜中厚礦體露天轉(zhuǎn)地下開采為研究對象，采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對緩傾斜磷礦體地下開采與邊坡的相互影響機(jī)理與規(guī)律進(jìn)行了研究和探索。結(jié)果表明，地下開采時，右側(cè)邊坡的位移和穩(wěn)定性系數(shù)變化較大，而左側(cè)邊坡的位移和穩(wěn)定性系數(shù)變化較小，因此，地下開采對采空區(qū)上方的邊坡影響最大。

露天轉(zhuǎn)地下開采；模型試驗；安全系數(shù)；松動圈

0 引 言

磷礦開采主要以露天開采為主，隨著露天開采深度的不斷加深，露天開采的難度和剝采比逐漸增大，高陡邊坡的問題也越來越凸顯，露天轉(zhuǎn)地下開采勢在必行。本文以晉寧磷礦6#坑深部緩傾斜中厚磷礦為工程背景，依據(jù)相似原理，通過室內(nèi)平面應(yīng)變相似模型試驗[6]，對緩傾斜中厚磷礦層上向分層充填法地下開過程中地下采場圍巖及邊坡的應(yīng)力和變形規(guī)律、松動范圍等進(jìn)行分析研究，并利用數(shù)值模擬方法對地下開采過程中邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，為礦山露天轉(zhuǎn)地下開采提供指導(dǎo)。

晉寧磷礦6號坑地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，規(guī)模小，對礦山開采影響較小；礦體頂、底板巖石堅硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石穩(wěn)固性好，不易發(fā)生掉塊、片幫、底鼓等地質(zhì)災(zāi)害，圍巖穩(wěn)固，屬于堅硬-半堅硬工程地質(zhì)巖組。露天轉(zhuǎn)地下后采用上向分層廢石充填采礦法進(jìn)行開采(見圖1)。130～138號勘探線間淺部礦體露天開采已結(jié)束(北部最低開采標(biāo)高為2200 m、南部最低開采標(biāo)高為2190 m)，現(xiàn)作為內(nèi)部排土場使用。為保證地下開采安全，設(shè)計考慮在脈內(nèi)回風(fēng)巷以上預(yù)留20 m隔離頂柱。根據(jù)礦體的賦存條件，礦山開采宜由淺部向深部逐步推進(jìn)。開采范圍在130～138號勘探線、2180～2100 m之間。

1 模型試驗

1.1 斷面選擇

模擬斷面的選擇要具有代表性，本次試驗在綜合考慮地質(zhì)情況，采礦方法及開采位置后，選取具有代表性的6號坑南部134號勘探線剖面進(jìn)行本次相似模擬試驗。該剖面簡化后的斷面見圖2，其中，磷礦層豎直厚度20 m(模型中為10 cm)，垂直厚度為16.06 m(模型中為8.03 cm)，傾角為36.6°。

圖1 地下采礦方法

1.2 試驗材料選取

在模型試驗中，原型與模型的相同物理量之比稱為相似比，根據(jù)相似原理，結(jié)合彈塑性力學(xué)方程或量綱分析法得出地下開采與邊坡模型試驗的相似判據(jù)為：

Cσ/CE=1

(1)

Cσ/Cc=1

(2)

Cσ/(CL*Cγ)=1

(3)

Cu/(CL*Cε)=1

(4)

Cμ=Cφ=Cf=Cε=1

(5)

式中，Cσ為應(yīng)力相似比；CE為彈性模量相似比；Cc為粘聚力相似比；CL為幾何相似比；Cγ為重度相似比；Cu為位移相似比；Cε為應(yīng)變相似比；Cμ為泊松比相似比；Cφ為內(nèi)摩擦角相似比；Cf為摩擦因數(shù)相似比。

根據(jù)現(xiàn)有需要模擬的范圍和試驗架尺寸，以及其他條件綜合考慮，選擇集合相似比CL=200，重度相似比Cγ=1，由相似判據(jù)可得：Cσ=CE=Cc=200，Cμ=Cφ=Cf=Cε=1。

依據(jù)地層巖體條件，巖體質(zhì)量級別為Ⅳ級，巖體質(zhì)量定性特征為：較堅硬，巖體破碎。結(jié)合同濟(jì)大學(xué)對相似材料的研究，通過大量的配比試驗，最終確定由重晶石粉、砂、石膏、洗衣液、水拌合形成混合材料作為相似材料。

圖2 簡化后的剖面斷面

1.3 開采方案及量測系統(tǒng)

首先回采底部兩個分層的礦石，分層高度4.3 m，隨后充填一個分層，形成4.3 m高的底部作業(yè)空間，之后回采一個分層，充填一個分層，直至中段。根據(jù)確定的開采方案，在試驗中，由于模型試驗尺寸較小，對模型進(jìn)行簡化，分5步開采和5步充填(見圖3)。

圖3 試驗中的開采方案

模型中應(yīng)力的測量采用微型土壓力傳感器，在模型制作的過程中將微型土壓力傳感器埋設(shè)到預(yù)定位置，并將引線引出，接到數(shù)據(jù)采集儀上。測點布置見圖4，左側(cè)邊坡布置的6個水平應(yīng)力測點為S1系列，右側(cè)邊坡布置的9個水平應(yīng)力測點為S2系列，頂板布置的10個徑向應(yīng)力測點為S3系列，底板布置的5個徑向應(yīng)力測點為S4系列。

位移觀測主要采用位移傳感器技術(shù)。為保證位移傳感器量測數(shù)據(jù)的可靠性，位移傳感器的磁性表座必須穩(wěn)定可靠的吸附在剛性框架上。位移傳感器的布置見圖5。

圖4 模型應(yīng)力測點布置

圖5 位移傳感器安裝位置

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 位移分析

由圖6可以看出，在開采過程中U-6、U-7和U-8的位移都有向坡面外側(cè)不同程度的增長，在開采4和開采5的過程中右側(cè)邊坡坡面的水平位移受到的影響較大，U-6、U-7和U-8的位移量分別變化了0.38，0.92，0.67 mm。對比U-6、U-7和U-8可知，開采過程中邊坡體向坡面方向擠壓，因而導(dǎo)致邊坡中部水平位移最大，靠近坡腳的位置側(cè)向受到土體的約束，水平位移最小，坡頂附近坡面的水平位移在兩者之間。

圖6 右側(cè)邊坡坡面水平位移(邊坡外方向為正)

由圖7可知，邊坡的水平位移變化均較小，在地下開采的過程中，左側(cè)邊坡受到的影響較小。

圖7 左側(cè)邊坡坡面水平位移(邊坡外方向為正)

2.2 應(yīng)力分析

2.2.1 頂板應(yīng)力變化曲線

本次試驗為了更直觀地對比各點的應(yīng)力變化，對圍巖應(yīng)力相對值進(jìn)行了分析。

圖8為距離采空區(qū)10 cm(實際距離為20 m)處的頂板徑向應(yīng)力增量變化，圖9為距離采空區(qū)5 cm(實際距離為10 m)處的頂板徑向應(yīng)力增量變化。從圖8～圖9可以看出，由于采空區(qū)的形成，圍巖由三向狀態(tài)變?yōu)殡p向狀態(tài)，使原始應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，并趨于新的平衡，形成一個動態(tài)的采空區(qū)上方的松動區(qū)和隨開采推進(jìn)而不斷前移的沿采空區(qū)前方的支承壓力區(qū)。采空區(qū)上方的巖體的徑向應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢，隨著開采的進(jìn)行，徑向應(yīng)力的變化規(guī)律是先增長，再降低。

2.2.2 底板應(yīng)力變化

由圖10可知，在第1，2，3步開采后，采空區(qū)位于測點S4-5、S4-4和S4-3的上方，壓力釋放導(dǎo)致該點的應(yīng)力值急劇降低，而測點S4-2和S4-1并沒有位于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力沒有發(fā)生較大變化。在第4步開采進(jìn)行中，應(yīng)力調(diào)整過程中，采空區(qū)上方的荷載傳遞給采空區(qū)兩側(cè)的穩(wěn)定巖體，形成支撐壓力區(qū)，測點S4-1位于支承壓力區(qū)，受到擠壓作用，應(yīng)力升高。在第5步開采結(jié)束后，測點S4-1的應(yīng)力急劇下降。對比頂板應(yīng)力的變化曲線可知，底板由于開采引起的松動范圍較頂板小，而且隨著開采工程的擴(kuò)展也較頂板小。

圖8 采場頂板徑向應(yīng)力增量

圖9 采場頂板徑向應(yīng)力增量

圖10 采場底板徑向應(yīng)力增量

根據(jù)試驗結(jié)果分析可知，地下開采圍巖的的應(yīng)力根據(jù)變化的速率不同分4個階段：緩慢變化階段，急劇變化階段(時間較短)，緩慢變化階段(時間較長)，穩(wěn)定。隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，松動范圍也會增大，由采空區(qū)指向圍巖內(nèi)部，圍巖分別處于松動圈→壓力拱→原巖應(yīng)力狀態(tài)。

3 數(shù)值分析

采用Geoslope邊坡分析軟件，運用有限單元應(yīng)力法分析由于開采引起的邊坡安全系數(shù)的變化。由于極限平衡法的限制，地下開采對邊坡的穩(wěn)定性的影響基本為0。所以采用有限單元應(yīng)力法計算。

數(shù)值分析中的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型。然后根據(jù)原型的邊界條件，對模型施加重力荷載以及頂部和側(cè)邊施加約束和壓力。

圖11 邊坡安全系數(shù)隨開采步變化

由圖11知，在地下開采的初步階段，右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在緩慢下降，而在開采接近地表的時候，右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較大，而在整個過程中，左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍較小，可認(rèn)為，左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性基本不受地下開采的影響。

4 結(jié) 論

(1) 對于邊坡的位移變化，右側(cè)邊坡隨著開采的進(jìn)行，位移呈逐漸增大的趨勢，方向主要是朝著采空區(qū)的方向，形成呈現(xiàn)斜下方的位移趨勢。在靠近采空區(qū)的邊坡位移較大，距離采空區(qū)較遠(yuǎn)的位置邊坡位移較小，而左側(cè)邊坡位移變化較小。

(2) 采用有限元應(yīng)力法對地下開采下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由分析結(jié)果可知，在地下開采的初步階段，右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在緩慢下降，而在開采接近地表的時候，采空區(qū)上側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較大，而在整個過程中，左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍較小。

(3) 根據(jù)模型試驗和數(shù)值分析的結(jié)果，表明受地下開采影響較大的是采空區(qū)上方的邊坡。在開采過程中，采空區(qū)上方邊坡的位移和應(yīng)力均有大幅度的變化，其位移主要方向是朝著采空區(qū)的方向。采空區(qū)上側(cè)的邊坡中部的水平位移最大，邊坡頂部會出現(xiàn)因開采而沉降的現(xiàn)象，而且坡頂在開采后期會出現(xiàn)水平方向內(nèi)部壓力降低的作用。

[1]李曉紅，盧義正，等.巖石力學(xué)實驗?zāi)M技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

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國家科技支撐計劃項目(2011BAB08B01).

李 哲(1991-)，男，山西臨汾人，碩士研究生，主要從事巖土計算方法方面的研究工作，Email:jacksperal@126.com。