軟弱夾層對掛幫礦開采過程中邊坡穩(wěn)定性影響

韓超超 趙雨薇 王大國 何金城

（西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川綿陽621010）

露天礦山邊坡的穩(wěn)定性是礦山生產安全的基礎保障，除邊坡自身的地質構造條件外，人為的外部擾動也是影響露天邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素。掛幫礦作為一類殘留在露天境界外且臨近最終邊坡的礦產資源，如何對其進行安全高效地回采一直是困擾國內外礦山企業(yè)的難題。譚玉葉等［1］利用相似材料實驗方法，設計采用充填法回采大冶鐵礦2#掛幫礦并監(jiān)測開采過程中的邊坡沉降，實驗結果表明，充填法能有效控制邊坡沉降，能實現掛幫礦安全回采。進一步考慮到掛幫礦回采的經濟性、高效性，同時為縮短露天轉地下過渡期時限，任鳳玉、李海英［1，2］等提出采用誘導冒落法開采掛幫礦，該方法以無底柱分段崩落采礦法為基礎，在特定位置布設誘導工程，在本分段礦房內實現礦石的自然冒落；礦山實踐證明，該方法能有效地提高境界礦量回采率，大幅度提高礦石的回采效率。

目前，國內多位學者基于無底柱分段崩落采礦法，對掛幫礦開采過程中的邊坡穩(wěn)定性進行了大量研究工作［4-8］。主要分析最終邊坡形態(tài)、掛幫礦賦存條件以及礦房結構參數布置等對邊坡穩(wěn)定性的影響，而含地質結構面條件下掛幫礦開采對邊坡穩(wěn)定性影響的研究相對較少。軟弱夾層作為一種力學強度低、對邊坡穩(wěn)定性影響顯著的地質結構面，歷來是作為含弱層邊坡穩(wěn)定性分析的首要影響因素［9-11］。總結前人研究成果可知，弱層邊坡在外部應力擾動下，弱層一般會首先發(fā)生變形破壞，進而直接影響弱層周邊邊坡巖體的應力分布，一定條件下將造成邊坡巖體結構發(fā)生變形破壞，破壞的進一步演化則體現為邊坡整體發(fā)生失穩(wěn)坍塌事故，將給礦山企業(yè)帶來不可估量的人員傷亡和財產損失。

本研究基于自建的巖石拉張破壞有限元模型，研究了弱層長度、埋深以及傾角影響下，掛幫礦開采對邊坡破壞范圍的影響，以期為類似工程地質礦山的掛幫礦開采設計提供可靠的理論支持。

1 拉張破壞有限元模型

1.1 本構模型

計算模型采用線彈性二維平面應力本構模型。

1.2 巖石拉張破壞準則

（1）當巖體內某一點的巖石極限抗拉強度小于該點的最大主拉應力值，則該節(jié)點發(fā)生拉張破壞。

（2）巖體內一點產生拉張破裂的方向垂直于該點第一主應力方向。

（3）如果巖體內存在多個節(jié)點的第一主應力值大于等于巖石的抗拉強度時，在第一主應力最大的節(jié)點處破裂。

1.3 程序設計流程

（1）施加各項邊界條件；

（2）求解位移場；

（3）求解應力場；

（4）利用開裂準則來判斷模型內是否存在滿足開裂準則的節(jié)點，若存在，則確定開裂點以及開裂單元，在開裂單元不含開裂點的一邊增加節(jié)點，劈裂單元并修改校正單元信息，重復以上步驟；若不存在，則程序計算結束。

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

參考國內學者針對弱層邊坡進行穩(wěn)定性分析的案例［12-14］，本研究建立含弱層巖質高邊坡簡化模型如圖1（a）所示。模型長1 000 m，基底巖層厚125 m，邊坡高250 m，露天邊坡最終邊坡角45°；掛幫礦體厚50 m，埋藏深度30 m，傾角30°，掛幫礦自上而下按埋藏深度均分為2個分段且依次進行開采，①分段掛幫礦靠近坡面，首先進行回采；②分段掛幫礦在下，待①分段礦石開采結束后進行開采。圖1（b）給出了邊坡內弱層模型I的局部放大圖（放大倍數為3倍），弱層出露邊坡坡面厚5 m，出露點距坡頂面垂直距離H，弱層長度l，弱層傾角α。

2.2 礦巖物理力學參數

計算模型中包含圍巖、礦體以及弱層等三類巖體，數值模擬中的主要力學參數見表1。

2.3 數值模擬工況設定

弱層邊坡的穩(wěn)定性直接受制于坡體內軟弱夾層的賦存條件，根據工程實際中弱層邊坡失穩(wěn)破壞模式分析，選取弱層長度l、埋深H以及傾角α等三類弱層地質條件作為主要分析因素，探討不同弱層地質條件對邊坡穩(wěn)定性以及破壞過程的影響。本研究共設定12種數值模擬工況，詳見表2。

3 數值模擬結果及分析

3.1 弱層長度對邊坡破壞范圍的影響

3.1.1 邊坡最終破壞結果

圖2～5分別為工況1～4條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖2～5分析可知，掛幫礦開采過程中，初始裂紋均出現于弱層尾部圍巖中；當l=50 m、80 m時，坡內第2條裂紋起裂于坡面，l=100 m、120 m時，坡內第2條裂紋起裂于坡頂，坡面或坡頂裂紋的起裂位置決定了塌落巖體體積大小；隨著軟弱夾層長度增大，坡面裂紋的起裂位置逐漸向坡頂轉移。

3.1.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖6為工況1～4條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖6可知，2分段掛幫礦開采后，松散巖體體積、采空區(qū)體積隨弱層長度增大均呈現為逐漸增大的趨勢。l=50 m、80 m時，2分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)體積均大于塌落的松散巖體體積；l=100 m、120 m時2分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)體積均小于塌落的松散巖體體積。

3.2 弱層埋深對邊坡破壞范圍的影響

3.2.1 邊坡最終破壞結果

圖7～10分別為工況5～8條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖分析可知，受軟弱夾層與采空區(qū)影響，坡內初始裂紋均產生于弱層尾部圍巖且向采空區(qū)擴展。H=70～90 m時，2個分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋均起裂于坡頂；H=100 m時，①分段礦石開采后在坡內產生的第2條裂紋起裂于坡面，②分段礦石開采后在坡內產生的第2條裂紋起裂于坡頂。隨著弱層埋深逐漸增大，①分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋的起裂點逐漸向坡面轉移，②分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋的起裂點位置變化不明顯。

3.2.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖11為工況5～8條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖11可知，對于①分段掛幫礦的開采，當弱層埋深H=70～90 m時，采空區(qū)體積小于松散巖體體積，當H=100 m時，采空區(qū)體積大于松散巖體體積。對于②分段掛幫礦的開采，當弱層埋深H=70～100 m時，采空區(qū)體積小于松散巖體體積。

3.3 弱層傾角對邊坡破壞范圍的影響

3.3.1 邊坡最終破壞結果

圖12～15分別為工況9～12條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖分析可知，①分段掛幫礦開采后，弱層尾部圍巖中出現了兩條垂直弱層方向擴展的短裂紋，隨著坡內應力集中的釋放轉移，在坡面或坡頂產生了向采空區(qū)不斷擴展的長裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點由坡頂逐漸向坡面轉移。②分段掛幫礦回采后，坡內初始裂紋出現于弱層尾部圍巖且向采空區(qū)擴展，隨后開裂點轉移至坡頂并向采空區(qū)擴展為一長裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點逐漸向坡頂線靠攏。

3.3.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖16為工況9～12條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖可知，隨著弱層傾角增大，采空區(qū)體積與松散巖體體積整體呈逐漸減小趨勢。對于①分段掛幫礦的開采，當弱層傾角α=0°～10°時，采空區(qū)體積小于松散巖體體積；當弱層傾角α=15°時，采空區(qū)體積略大于松散巖體體積。對于②分段掛幫礦的開采，隨著弱層傾角增大，采空區(qū)體積小于松散巖體體積。

4 結論

（1）弱層埋深、傾角一定，弱層長度不定時：弱層長度小于80 m時，2個分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)可以完全容納松散巖體，表明在此條件下，采用無底柱分段崩落法開采掛幫礦不會危及露天坑底的采礦作業(yè)安全。

（2）弱層長度、傾角一定，弱層埋深不定時：①分段掛幫礦開采后，采空區(qū)僅在弱層埋深大于等于100 m時才能完全容納松散巖體；②分段掛幫礦開采后，采空區(qū)在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。

（3）弱層長度、埋深一定，弱層傾角不定時：①分段掛幫礦開采后，采空區(qū)僅在弱層傾角大于等于15°時才能完全容納松散巖體，②分段掛幫礦開采后，采空區(qū)在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。