露天轉地下開采不同坡高影響下覆巖采動響應特征研究

羅 浪 李小雙 王運敏

（1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

磷礦是我國重要的戰略資源，自上世紀50年代開始，經過數十年持續高強度的開采，絕大多數露天礦山已經進入深凹露天開采階段，大部分礦山正在或者已經轉入深凹地下開采。露天礦進入深凹開采階段后，一方面采場水平不斷延深，采場作業尺寸逐漸縮小，工作寬度變窄，運輸效率降低；另一方面露天邊坡越來越高，邊坡控制和管理的難度愈加困難，對安全生產的威脅日益加劇。因此，隨著露天坑的延伸擴大，剝采比增幅顯著，并形成了深凹底坑和陡峭的露天終了邊坡，使得礦山開采不僅技術難度加大，而且無經濟效益可言。礦山露天轉地下開采后，露天終了邊坡及坑底周圍巖體與地下開采組成統一的復合開采系統。露天終了邊坡及坑底周圍巖體在露天開采時期受到開挖卸荷的應力擾動，在局部地段產生應力集中，并在坡體內形成潛在滑坡體。在此基礎上再轉入地下開采階段，地下礦體開挖對其造成二次擾動，并隨著開挖空間的推進，二次擾動效果的動態疊加，不斷地影響并改變其應力與變形狀態。因此，露天轉地下開采是一項復雜的系統工程，它不是一個孤立的過程，需要把露天和地下作為一個整體，通過科學規劃和完美銜接，實現總體安全高效開采［1-2］。

本項目針對云南某緩傾斜含軟弱夾層中厚磷礦床露天轉地下開采存在的問題，通過現場勘查取樣，室內巖石力學試驗以及FLAC3D數值模擬［3］，對在邊坡影響下緩傾斜中厚磷礦體覆巖的采動響應特征進行研究分析，以確定露天終了邊坡的合理高度范圍。

1 工程概況

云南某緩傾斜含軟弱夾層中厚磷礦體的埋藏深度100～240 m，礦體厚度12～14 m，平均傾角16°，屬于典型的近淺埋緩傾斜中厚磷礦床。邊坡傾向與礦體和巖質傾向反向，目前露天開采高度約為40 m，坡度為45°，坡體內無大的構造結構和軟弱面，組成邊坡的巖層均屬于中硬—堅硬巖體，屬于典型的中高穩定性反傾向巖質邊坡。

2 模型與開采方案建立

2.1 參數確定

按一定密度在磷礦體、采場圍巖及上覆巖體中取塊狀巖樣，依據國土資源部2015年頒布的《巖石物理力學性質試驗規程》，將獲取的巖石樣品在實驗室中加工成徑高尺寸為50 mm×25 mm和50 mm×100 mm的圓柱形標準試件［4］，通過巴西劈裂試驗（島津AGI-250伺服材料實驗機，每種巖石取4組，每組4個標樣）計算得巖體抗拉強度，其破壞后的試件如圖1所示；通過三軸壓縮試驗（TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，取巖石4組，每組4個標樣）測得在不同圍壓下的軸向破壞強度，破壞后試件如圖2所示。計算得出邊坡、磷礦體及地下采場圍巖及上覆巖體的主要巖石力學性質與變形特征參數（彈性模量、內聚力、內摩擦角、抗拉強度、抗壓強度、泊松比）。然后根據Hoek-Brown經驗公式［5-6］，對計算出的參數進行適當折減，得到最終所使用的巖石力學參數見表1。

2.2 三維建模

運用AutoCAD制圖軟件畫好平面模型，然后導入到ANSYS進行網格劃分，最后將生成的網格模型導入到FLAC3D軟件進行數值計算。根據研究內容，對模型進行非均勻的網格劃分，對需要重點研究的巖層如磷礦層及其直接和間接頂底板進行網格加密，其他巖層網格單元尺寸可按照規則適當加大，坡高50 m最終模型尺寸為350 m×60 m×150 m，模型共劃分123 058個節點、117 125個六面體單元；坡高80 m為350 m×60 m×180 m，模型共劃分128 882個節點、122 350個六面體單元［7］。

2.3 邊界條件

為了盡可能模擬工程實際情況，約束模型前后左右四面的水平向位移，底部約束三向位移，頂部自由，在計算的時候不考慮其他構造應力的作用，只考慮自重應力，因此在模型垂直方向施加反向應力加速度。在自重應力下的初始地應力平衡結果見圖3，其應力值整體上隨著坡面的起伏而起伏，基本符合實際情況。

2.4 開采方案

根據控制單一變量思想，除坡高這一變量不同之外，其他條件相同。開采方式采取房柱法開采，境界礦柱厚度為30 m，礦房長度10 m，礦柱寬5 m，為連續型礦柱。整個礦體開挖長度為145 m，礦房分10步從左至右依次開挖，礦柱分5步從右至左隔一回采。同時對邊坡和開采區域設置11個變形監測點進行位移分析，監測點設置如圖4所示。

3 FLAC3D數值模擬與結果分析

3.1 應力分析

為了研究不同邊坡高度影響下的采場覆巖應力分布特征，需要對模型在每個開挖步下的應力變化進行計算、監測和記錄。2種模型礦房5步開挖完后垂直應力分布如圖5所示；礦房10步開挖完后垂直應力分布如圖6所示；礦柱回采完畢后垂直應力分布如圖7所示。

通過以上應力云圖可以看出，隨著地下開挖的進行，開挖過后的礦房形成采空區，其上方頂板形成應力卸壓區，頂底板位置應力值降低，這是由于磷礦層開挖后形成臨空面，圍巖應力得到釋放導致。同時，采場內部應力向前方巖體轉移，在前方形成應力增壓區。5步開挖后采場頂板垂直最大應力值50 m坡高為43 kPa，80 m坡高為47 kPa，增幅達到9.5%；10步開挖完畢后50 m坡高垂直應力增大到55 kPa，80 m坡高增大到64 kPa，80 m模型相對50 m模型增幅達16.3%。隨著開挖的逐步推進，50 m坡高和80 m坡高最大垂直應力值也逐步增大，但總體坡高80 m較坡高50 m頂板應力值更大，圍巖穩定性更低，安全性下降。

3.2 塑性區分析

圖8～圖10為各階段開挖下采場塑性區分布情況。由圖可知，礦房開挖過后形成采空區，圍巖應力得到釋放，頂板受到拉應力作用，出現拉伸破壞屈服區，而礦柱受到剪切力作用出現剪切破壞屈服區。隨著開挖的逐步進行，塑性區面積也在逐步擴大。相比較于坡高50 m，坡高80 m回采完畢后塑性區進一步發育，已波及坡面，這將不利于采場穩定，在外部擾動影響下，加大了巖體失穩風險。同時回采完畢后的礦柱處于臨界破壞狀態，主要為剪切破壞，此時在外部因素的擾動下，可能導致礦柱發生剪切破斷，從而引發多米諾骨牌效應導致其他礦柱的損壞，進而使得采場整體垮塌破壞。

3.3 位移分析

模型在未進行開挖之前，位移分布基本跟巖層的分布一致，并出現一定程度下沉，基本符合客觀規律。圖11～圖12分別為2種坡高模型礦房開挖完畢及礦柱回采完畢后的位移沉降云圖；圖13、圖14分別為2種模型的監測點在各開挖步下的頂板沉降曲線圖。

由圖11～圖14可以看出，隨著開挖的逐步進行，巖體內的應力也在不斷進行轉移，在前10步開挖中，頂板的最大沉降位置隨著開采的向前推進而向前移動，無論是坡高50 m還是坡高80 m，規律都比較明顯，回采完畢后位移沉降最大值都發生在6號監測點的位置，且呈現出“拱”型。

坡高50 m開挖完畢后最大位移沉降值為172 mm，回采完畢后最大位移沉降值為260.8mm，采場覆巖相對穩定；坡高80 m開挖完畢后最大位移沉降值為275 mm（相比坡高50 m增幅達59.8%），回采完畢后最大位移沉降值為397.0 mm（相比坡高50 m增幅達52.7%），此時采場覆巖達到比較充分的采動階段，部分采場可能出現頂板冒落、片幫等現象［8］。

4 討論

目前國內外學者對礦山露天轉地下開采的研究主要集中在境界礦柱厚度的選取、開采后坑底覆蓋層與隔離頂柱的穩定性與適宜厚度、采場結構參數優化等，對于地下采場在露天終了邊坡坡高及坡角影響下的覆巖采動變形破壞特征研究較少［9］。由于礦山露天轉地下開采是一項復雜的系統工程，受到礦山地質賦存條件、采礦工藝、采礦方法等多方面影響，當前露天轉地下開采后礦山邊坡與地下采場圍巖及其上覆巖體的應力分布特點、變形破壞特征及失穩機理的研究成果尚未形成系統的理論體系，露天終了邊坡與地下采場圍巖在開采擾動下的相互作用關系尚不明確，這也是下一步需要研究的內容。

5 結 論

以云南滇池周邊典型的緩傾斜含軟夾層中厚磷礦床露天轉房柱法地下開采為研究背景，通過現場勘查取樣和室內巖石力學試驗，利用CAD、ANSYS和FLAC3D等軟件構建在傾角為45°條件下露天終了邊坡為50 m和80 m的2種不同坡高的仿真分析模型，在房柱法開采擾動下對上覆巖層位移與應力響應特征進行分析研究。研究表明：在露天終了邊坡為50 m時，地下開采對覆巖影響相較80 m坡高小，此時圍巖相對穩定，塑性區面積較小，整個巖體處于相對穩定狀態。露天終了邊坡為80 m時，開采對覆巖的擾動較大，回采完畢后礦柱處于臨界破壞狀態，塑性區較50 m坡高進一步發育并延伸至坡面，不利于礦山的安全穩定。因此，綜合經濟和安全性考慮，建議控制露天終了邊坡高度在50 m至80 m之間。