露轉地逆傾分步開采對含斷層高陡邊坡穩定性的影響

查文華， 劉新權*， 姚蘇琴， 季圣星， 周雪云， 王新豐

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院， 南昌 330013； 2.湘潭大學環境與資源學院， 湘潭 411105)

中國露天開采的鐵礦石量所占比重較大，據統計，現有露天邊坡高度為100～300 m的露天礦占52%，高度大于300 m的占14.7%，設計邊坡高度100～300 m的占56%，大于300 m的占34.7%[1]。隨著國民經濟的快速發展，大型露天采礦活動形成的高陡邊坡越來越受到學者的關注[2]，中國諸多學者針對大氣降雨[3]、節理裂隙[4]、軟弱巖層[5-7]、坡角[8]、爆破振動[9]、斷層[10]等因素對露天礦邊坡穩定性的影響做了大量研究。但近年來，中國許多大型露天金屬礦山已基本完成了露天開采設計規模，為了保證礦山產量的持續穩定，大部分礦山已進入深凹開采或轉入地下開采，在露天轉地下開采過程中，邊坡會前后受到兩次采動(露天開采+地下開采)影響，且第二次擾影響動使邊坡的安全系數不斷地下降，導致邊坡的穩定性越來越差，進而誘發邊坡產生滑移變形或破壞[11]。因此研究在露天轉地下開采過程中邊坡的穩定性及其失穩破壞模式至關重要。

近年來，針對露天轉地下開采后露天礦邊坡穩定性問題，諸多學者進行了一些研究。張鵬等[12]以某大型露天煤礦邊坡北邊幫為研究背景，研究了采空區對露天轉地下開采邊坡的影響。杜加揚[13]則通過野外踏勘、現場原位試驗、點載荷試驗及室內巖石力學試驗、赤平極射投影、Rocscience Dips軟件及FLAC3D數值模擬軟件研究了四川省某銅礦露天轉地下開采后邊坡的穩定性問題，提出對采空區進行充填可以提高邊坡的安全系數。劉艷章等[14-15]進一步研究了隔離層厚度和露天轉地下開采充填體變形參數對露天邊坡穩定性的影響。楊宇江等[16]以孟家鐵礦露天轉地下開采工程為研究背景，研究了地下開采深度與邊坡穩定性之間的相互關系。宋朝陽等[17]以海南礦業公司露天邊坡掛幫礦井采為研究背景，研究了露天轉地下掛幫礦的開采工作面傾角布置方式對邊坡失穩破壞模式的影響。趙曰茂[18]以孟家堡子鐵礦露天轉地下開采為研究背景，采用FLAC3D數值計算方法分析了地下開采過程中圍巖活動規律及對邊坡穩定性的影響，確定了覆蓋層對邊坡作用機理。黃波等[19]對貴州息烽磷礦露天轉地下開采過程中的邊坡穩定性進行了實時監測，研究分析了露天轉地下復合擾動作用下邊坡應力和位移變化規律。孫世國等[20-21]以北京云冶礦山、烏海礦露天轉地下開采為工程背景，分別研究了井工與露天聯合開采條件下的復合疊加效應及L型工作面地下采區由里向外和由外向里不同開采推進順序對邊坡穩定性的影響。然而，當露天礦由露天轉地下開采時在含斷層情況下采用逆傾分步開采對露天高陡邊坡穩定性的影響及破壞機制的相關研究較少。

現以攀枝花某礦區露天轉地下采礦邊坡為研究對象，運用FLAC3D軟件數值模擬了存在斷層的情況下采用逆傾分步開采對露天轉地下開采過程中露天高陡邊坡的應力分布狀態、巖石運動破裂范圍的影響，從而總結出邊坡的破壞變形形態，探討了有斷層存在時逆傾分步開采對露天邊坡穩定性的影響及邊坡的滑移模式，對于采礦安全和提前預警有重要意義，同時為正確確定合理開采方案和制定合理的安全治理技術措施提供了依據。

1 工程概括

攀枝花某礦區坐落于四川省攀枝花市東區銀江鎮，占地面積約0.63 km2，礦區斷層分四組，即北東東向、北東向、南北向、北西向(圖1)，均為成礦后斷層，其中 F303、F304、F309、F316、F317、F318對礦體破壞程度較大；屬晚期巖漿分異型礦床，含礦母巖為攀枝花層狀輝長巖體。巖體呈北東-南西向展布，長19 km，寬2 km左右，面積約40 km2，呈單斜層，傾向北西，傾角一般為50°～60°。在該礦區的邊界構造中，東緣為F212和F213斷層，西緣為F316與F317斷層(圖1)。F212與F213斷層的產狀：90°～280°∠75°～85°，水平錯距600 m，垂直錯距1.2 km，F316與F317斷層的產狀：90°∠76°～86°，水平錯距1.5 km，垂直錯距5 km。

圖1 礦區構造綱要圖

2 數值模擬計算

2.1 地質模型的建立

2.1.1 幾何參數及本構模型

(1)幾何模型的參數確定：通過對現場鉆孔巖塊樣品的測試，獲取了巖層物理力學參數，并結合摩爾-庫侖模型中涉及的巖體物理力學參數，最終確定了有效巖體物理力學參數，如表1所示。

表1 計算模型中各巖層的力學參數

(2)材料的本構模型：FLAC3D程序提供了彈性模型、莫爾-庫侖模型、遍有節理模型、應變強化和軟化模型等多種本構模型，本次計算使用了帶抗拉強度的Mohr-Coulomb 強度準則。

本次模擬研究確立的巖體本構關系如下：①在開采之前，巖體處于原巖應力狀態；采用近似理想的彈塑性模型，選用Mohr-Coulomb準則作為破壞準則；②采后由于露天開采巖石強度大，隨著間隔時間的增加和應力的重新分布，邊坡趨向移動變形失穩，經歷巖石全應力應變曲線規律，同樣采用Mohr-Coulomb準則;③邊坡開挖后，當單元應力處于受拉狀態，且拉應力超過巖體的抗拉強度，則該單元自動垮塌，在坡下形成堆積。未垮塌的巖體仍服從Mohr-Coulomb準則。

2.1.2 計算方案

通過FLAC3D軟件對問題進行模擬分析。數值模擬主要對開挖過程對邊坡穩定性的影響做分析，由于計算模型所選擇的區域比較大，故選取B-B、C-C典型剖面(圖1)進行計算分析。在計算分析過程中，巖體內應力場僅考慮自重應力，不考慮構造應力場的作用。先計算在自重狀態下模型的初始平衡，然后分階段開采礦體，計算各個開采階段對邊坡穩定性的影響。具體流程為分別將模型內從標高+1 420 m以上，然后每20 m一個階段向下開采，一直到標高+1 200 m的鐵礦石分次采出，模型一共分11個階段開采，如圖2所示，其中Ⅰ～Ⅺ為各個開采階段開采部位。模型2共分9個階段開采,如圖3所示，其中Ⅰ～Ⅸ為各個開采階段開采部位，每個階段垂高20 m，從而分析不同狀態下的邊坡應力分布特征和移動變形規律。

圖2 模型1地質模型(B-B地質剖面)

圖3 模型2地質模型(C-C地質剖面)

在模型中，地層主要分為中粒流層狀輝長巖(w1)，細粒流層狀輝長巖(w3), 釩鈦磁鐵礦(Fe)，結構面考慮F317、F316、F312斷層，在模型中均取厚度0.5 m。斷層采用弱化材料模擬，服從Mohr-Coulomb準則。

模型1共劃分為21 503單元，43 652節點；模型2共劃分為11 250個單元，22 976個節點。

2.2 計算結果分析

綜合地質條件、礦石開采順序建立了地質模型，利用有限差分方法對礦石開采過程進行了模擬，分析了礦石開采形成的逆傾邊坡變形及破壞規律。計算結果包括最大主應力、最小主應力、開挖位移、塑性區等，主要從邊坡位移變化、應力值變化規律和塑性區分布大小3個方面進行分析。

采礦活動的不斷進行，必然會引起巖體內部應力的重新分布和位移的變化。隨著礦石的采出，邊坡巖體的垂直應力發生了一定程度的變化，坡腳出現拉應力，從開始的原巖應力狀態逐漸向局部區域出現應力集中變化，當集中應力高于巖石強度時，巖石隨即發生破壞，當破壞區域達到一定程度時，邊坡就會發生破壞失穩。整個礦石開采過程中，兩模型中右邊坡受開采的影響遠小于左邊坡，僅表層局部區域可能出現塊體穩定。開采活動對于左邊坡的影響結果分析如下。

2.2.1 模型1開采計算結果

1)位移變化規律

圖4為模型1各個開采階段最大位移曲線圖。數值模擬結果表明：①邊坡位移方向皆指向臨空面，如圖5所示；②在開采過程中，在斷層影響區域，最大位移位于斷層附近；超過斷層干擾范圍后，最大位移位于邊坡上部；③開挖位移以塊體垮落為主，開挖最大位移變化規律性較強。隨著采區深度的增加，開挖最大位移呈現先保持平緩然后突然增大，最后相對平緩的變化趨勢。

圖4 模型1開采階段開挖位移曲線

具體表現如下：第1階段即1 400 m以上開挖時，由于礦石分布影響開挖形成了反傾58°的邊坡巖體，造成巖體外伸，在巖體自重作用下拉應力超過巖體抗拉強度，產生拉伸破壞，導致垮塌冒頂，最大位移超過3 m。隨后開挖造成局部塊狀巖體逐步垮塌，變形量不大，隨著開挖的深入，邊坡坡角不斷增大，開挖表面也越來越接近F312、F316、F317斷層，開挖應力與斷層應力場逐漸相互聯系，邊坡變形愈來愈大，第5～7開采階段變形最為嚴重，分別為1.6、1.75、6.5 m。原因是采礦至第5階段時，邊坡坡角已至80°～90°，且開挖應力與斷層應力場相互疊加(圖6)，邊坡面臨沿F316、F317斷層滑塌的風險；開采到第6階段時，由于巖石底部約束挖除，沿斷層F317兩側位移有明顯的間斷效應，邊坡沿F317斷層垮塌。第7階段是邊坡垮塌的延續。之后隨著采礦的逐漸結束，應力場逐漸穩定，邊坡自我調整區域停滯，邊坡開挖位移逐漸平緩，邊坡形成70°～80°的自然坡。

2)應力變化規律

圖7為各個開采階段模型一主應力變化曲線。結果表明：開挖過程在邊坡體內產生了卸荷拉應力，主要位于開挖坡表。開挖初始階段由于外伸巖體長度較大，巖體自重作用下的拉應力較大，隨著開挖過程中巖體逐步垮塌，外伸巖體減少，最大、最小主應力降低，然后隨著開挖表面越來越接近F312、F316、F317斷層，開挖應力與斷層應力場逐漸相互聯系、相互疊加，應力逐漸增大，邊坡在第6、第7階段沿斷層垮塌；最后隨著開挖的逐步結束，應力趨于平緩。

圖7 模型1主應力變化曲線

在開挖過程中，邊坡巖體逐步垮塌，邊坡應力場不斷重分布，以適應由于采動帶來的影響。在模型B-B中，由于幾條斷層的影響，這種變化沿斷層更為明顯，為了對比這種變化，采用如圖8所示斷面，對比隨礦石開采滑面法向與切向力的變化規律，滑面總長度300 m。從圖9、圖10可以看出，露天開采邊坡沿著F316斷層法向應力以坡表與深度較大，中間部位略有降低，其變動幅度在0.4 MPa以內，剪切應力自上而下緩慢升高，300 m內變化0.2 MPa。露天轉地下開采后，邊坡孤懸，坡表應力急劇下降，自第1～6步開挖，坡表法向力下降了70%，剪切力不再隨深度增加，而是自坡表向下逐漸降低，但在一定深度后應力又開始增加，局部區域出現剪應力的反向現象。表明此時邊坡應力場調整，孤懸部分的重力逐漸向斷層深度集中。第6步開挖后，邊坡沿F316斷層垮塌，該滑面進入極限平衡，此時沿深度法向及切向應力成鋸齒狀的近似均勻分布，邊坡垮塌，如圖9(b)所示。

圖8 截面位置示意圖

圖9 模型1前6步開挖后截面應力分布

單位長度截面上總法向力及總剪力隨開挖進程變化如圖10所示。表明法向力隨開挖深度呈反指數下降，而剪力隨開挖深度下降一定程度后又略有增加。

圖10 截面剪力和軸向力隨開采變化規律

3)塑性區分布規律

礦石在開挖過程中邊坡的塑性區主要位于開挖坡表的拉塑性區，并未形成貫通的剪切塑性區。第一階段開挖初始形成反傾向邊坡，巖體外伸產生較大范圍拉塑性區，造成垮塌冒頂。自第二階段后隨著開挖深度的增加，拉塑性區不斷增加，巖體逐步垮塌，直至第6、第7階段塑性區域達到最大，邊坡沿F316、F317斷層垮塌(圖11)，最后塑性區域隨著開采活動逐步下降。

圖11 模型1第6階段塑性區分布

2.2.2 模型二開采計算結果

1)位移變化規律

圖12為模型2各個開采階段最大位移曲線。數值模擬結果表明：①模型二開挖位移以塊體垮落為主，位移矢量均指向臨空面，如圖13所示；②開挖最大位移主要位于不同巖體開挖之后的殘余巖體，其變化具有規律性，具體表現為：自高程1 380 m開始開挖，礦體開挖角度為55°，形成反傾向邊坡，傾角大，坡度陡，巖體外伸，在巖體自重作用下拉應力超過巖體的抗拉強度，產生拉伸破壞，造成垮塌冒頂；垮塌區域垮塌后形成傾角為70°～80°的自然坡。開采活動不斷進行，邊坡坡角不斷增大，邊坡以外伸巖體在自重作用下局部塊體逐步垮塌的形式進行自我調整，開挖最大位移略有增加但總體保持平緩；至第6階段時，邊坡坡角接近85°，達到巖體保持自穩的邊坡臨界傾角。自第7階段以后，坡角超過臨界角，邊坡垮塌量增加，位移增大，最后隨著開挖的逐漸結束，邊坡擾動減少，垮塌位移下降。

圖12 模型2開采階段開挖位移曲線

圖13 模型2第5階段開挖位移矢量

2)應力變化規律

圖14為各個開采階段模型2主應力變化曲線。開挖過程中在邊坡體內產生了應力重分布，產生了局部拉應力區，主要位于開挖坡表，一般在0.05 MPa左右，在第6階段邊坡達到臨界傾角時，主應力突然增大，最小應力增大到0.07 MPa，邊坡進行自我調整導致垮塌量增大，最小主應力恢復到0.05 MPa后保持恒定，最大主應力逐漸增大，最后隨著開挖結束最大主應力突然降低，數值與開挖至邊坡臨界傾角時幾乎相等。

圖14 模型2主應力變化曲線

3)塑性區分布規律

隨著開采深度的不斷增加，拉塑性區域不斷擴大，剪切破壞區甚少。在開挖過程中，局部巖體逐步垮塌，到第6階段時邊坡坡角達到自穩臨界角(圖15)，開挖繼續進行，拉塑性區域激增，巖體垮塌量增大，至第9階段開采活動結束，拉塑性區依然較大，有大量巖體垮塌。

圖15 第6階段開挖后塑性區分布

3 結論

通過對兩個模型進行數值模擬分析，得出了有斷層存在的情況下露天轉地下逆傾分步開采對露天礦高陡邊坡應力應變的影響，獲得開采過程中巖體的力學狀態分布規律及邊坡的移動變形規律，從它們的特點總結出兩個模型礦石開采過程中的邊坡穩定性狀態。得出如下結論。

(1)自高程1 420 m逆傾開挖開始，礦體開挖角度為55°～58°。形成了逆傾邊坡，邊坡高度大、坡度陡，巖體抗拉強度低，因此露天轉地下逆傾開采形成的邊坡破壞模式以垮塌式的拉伸破壞為主，剪切破壞區甚少，破壞區規模主要受巖體參數、巖層構造控制，尤其是斷層F316與F317影響甚為明顯。F316、F317斷層的存在控制了礦區露天邊坡的潛在滑坡模式，進而影響了邊坡的穩定性；滑坡的力學成因為巖體在自重作用下順F316、F317斷層面垮塌。

(2)礦石逆傾分步開采過程中邊坡的塑性區主要為拉塑性區，并未形成貫通的剪切塑性區，因此其失穩模式為垮塌，不能采用傳統的抗滑安全系數表示。計算成果表明巖體保持自穩的邊坡臨界傾角在70°～85°。高于此角度邊坡必垮塌，小于其低值則能保持穩定。

(3)邊坡表面一定厚度內產生了拉裂損傷區，是邊坡垮塌的分界面，其拉應力一般在0.05 MPa左右。

(4)逆傾分步開挖造成的位移在開挖底面以回彈為主，但在邊坡面上受局部塊體的影響位移自坡面指向礦底。

綜上研究可以看出，有斷層存在的情況下露天轉地下逆傾分步開采形成的高陡邊坡的破壞模式以垮塌式的拉伸破壞為主，邊坡穩定狀態取決于巖體參數、巖層構造。現階段取得的僅是初步的研究結論，影響邊坡穩定性的因素有很多，研究沒有考慮大氣降雨和爆破振動等因素，今后應加以綜合考慮，從而得出更加完善的研究成果。