井工轉露天采區頂板厚度不足誘發滑坡問題研究

孫世國 宋騰飛 劉維東 肖 劍

（1.北方工業大學土木工程學院，北京100144；2.中冶交通建設集團有限公司，北京100011）

在井工開采轉為露天開采的過程中，前期井工開采后采空區次生應力場和露天開采誘發的應力場的演化都在不同程度地影響巖體邊坡［1-5］。由于井工開采會影響坡體穩定性，應力場、各層覆巖順序也會隨之發生變化、巖體的整體強度會降低。這將直接影響到露天開采形成的邊坡穩定［6-11］。因此邊坡的安全性需要考慮井工開采與露天開采的綜合作用。本研究以紫金山金銅礦為背景，從地下采空區頂板厚度承載能力的可靠性出發探索側上部邊坡失穩的可能性及安全生產與災害控制問題，從而預防災害發生。

1 工程概況

紫金山金銅礦地勢復雜，礦床區海拔在500 m以上。初期采用露井聯采方式，后期完全露天開采，據資料顯示高陡邊坡最大高差約為434 m。經過前期的井工開采，已經形成的多個礦房海拔均在520 m左右。

邊坡地質情況較為特殊，巖石結構較為復雜，經過長時間的風化腐蝕，采場內有多條較長區域性斷層，形成羽狀結構面100多條，節理裂隙分布密集且數量較大，這些影響因素都會干擾對巖體邊坡的穩定性、完整性的判斷。

礦區主要由高達60%以上的中細粒花崗巖以及安玢巖、角礫巖組成。采場邊坡的巖體主要有塊狀、散體、鑲嵌等結構。

2 不同頂板厚度沉降變形誘發西幫邊坡穩定性分析

2.1 數值模擬分析法確定采空區頂板安全厚度

經過前期調查審核確定金銅礦礦房跨度約為15 m，應用幾種理論方法計算，得出的最小頂板安全厚度如表1所示，且厚度的平均值為13.83 m。安全頂板厚是按照平均跨度計算的，是為了滿足采空區最小跨度安全時所采用的的安全厚度，只能作為參考使用，且選取的安全厚度均要大于表1中幾種算法計算出的結果。由于采空區中跨度并不是均勻的，且跨度最大差值存在一定差距，平均值只能滿足較小跨度的安全，在大跨度時頂板安全厚度將不再滿足此值，故在選取時會選擇多組數據進行對比，才能界定出來較為安全的頂板厚度。故在下文選取了幾組不同頂板厚度進行對比分析。

有限差分法的突出優勢就是能夠較好模擬復雜巖體的應力—應變關系，本文采用FLAC 3D對工礦進行分析，研究了井工轉露天開采下采空區不同頂板厚度對邊坡穩定的影響。

圖1為井工采區與露天邊坡位置關系分布圖，井采區包含460 m中段和560 m中段（如圖2所示），表2為礦區各地層物理巖石力學參數。

根據工程中實際礦房分布圖，模擬選取的地下采空區有較為明顯的特性，此區域也非常具有代表性，據資料顯示：礦房長度為30～120 m，跨度為15 m左右。由于邊坡輪廓和地質結構的特殊性，采用MIDAS建立模型，導入FLAC 3D后進行分析。計算模型范圍長寬高為2 000 m×135 m×950 m。模型如圖3所示。

頂板破壞的形式一般拉伸破壞、剪切破壞2種形式。頂板發生剪切破壞的同時塑性區一般情況下也會貫通。

因露天開采不斷延深，對礦房造成的損傷也會隨深度的不同而改變，現模擬采空區不同頂板厚度（68 m、56 m、44 m）并進行塑性區破壞分析。從圖4中可以看出不斷向深部開采的過程中頂板的厚度不斷減小下的塑性區破壞變化情況。剪切應力塑性區分布也比較有特點，其主要分布在坡腳處以及礦柱周圍。坡腳與頂板兩端在露天開采過程中會受到剪切應力作用。頂板兩幫剪切塑性區區域大小與中間礦柱剪切塑性區呈負相關，當頂板厚度減小時，中間柱塑性區增加，坡腳塑性區則減小，主要原因是頂板厚度改變、自重減少導致受到的拉應力減小。

隨著頂板厚度逐漸改變，頂板抗拉壓性能改變，承重能力變低，頂板中部的變形逐漸變大，最終塑性區貫通破壞。中間礦柱剪切塑性區增加。礦柱承受上部頂板的重力，且可以看出隨著頂板厚度的遞減坡腳剪應力塑性區也在不斷減小，但頂板上剪應力塑性區隨即開始發生且發生區域也較有規律性，均發生在礦柱上方以及礦柱上方周圍處。從圖中可看出塑性區在貫穿過程中的延伸也具有較強規律性，塑性區從開始發生到貫通破壞區都是從第1根礦柱、第2與第3根、第4與第5根上方產生斜裂紋，當頂板厚度達到44 m時塑性區完全貫通即發生破壞。

當頂板厚度為44 m時，頂板將發生斷裂破壞，厚度為56 m時，塑性區未貫通，所以最小安全厚度應在44～56 m之間。通過厚度折減法在計算中不斷調整頂板厚度來得出最小安全頂板厚度，由圖4中頂板厚度44 m、45 m的剪切破壞塑性區破壞圖顯示，頂板厚度為45 m時塑性區未貫通，并由此確定頂板的最小安全厚度為45 m。

2.2 不同頂板厚度沉降變形誘發西幫邊坡穩定性分析

圖5是露天開采不斷延深，不同頂板厚度下水平應力變化云圖。由于自重作用和地表荷載的作用，頂板將產生不同程度的彎曲。隨著露天開采延深，地表的壓應力也隨頂板厚度改變逐漸變小，這些壓力的改變也使得采空區頂部產生的拉應力增大，拉應力區域也由坡腳逐漸向礦柱密集處延伸，承受壓應力的區域也逐漸從坡腳周圍處變化到礦柱正上方。可以清晰看出坡腳發生拉應力的位置在改變，這也充分說明了坡腳在逐漸改變

這是因為頂板厚度的改變使得頂板自重減小的同時，開采位置也在改變，頂板沉降的同時坡角的位置和坡腳都將發生改變，此時頂板與坡角之間的拉應力逐漸減小，而對頂板的壓應力也隨著局部坡腳的增大而增大。采空區域的頂板因受到較大壓應力而破壞，這時斷裂使得側壁與邊坡成為一體，并導致坡角增大，坡腳處產生應力集中并產生剪應力破壞，從而導致滑坡。

3 西幫邊坡穩定性分析

圖6為頂板厚度由68 m到44 m西幫滑面圖。通過對比圖6中68 m、56 m、45 m、44 m 4種不同的頂板厚，可以看出隨著頂板厚度的不斷減小對邊坡的影響范圍也在逐漸擴大。頂板厚度大小與影響范圍之所以呈負相關，是因為在井工轉露天開采時，隨著開采深度逐漸加深，頂板周圍巖體發生不同程度的形變，頂板也將會發生不等距的沉降，頂板內部彎矩、剪力等力學性能也發生相應改變。且由于頂板厚度的減小，頂板剛度發生變化、承載能力減弱，較薄頂板會發生較大形變，會對坡腳周圍土體產生較大影響，所以邊坡滑道位置也發改變。所以頂板厚度改變會對邊坡穩定性產生不同程度的影響。

表3是不同頂板厚度下西幫邊坡穩定性計算結果，分析對比表中的數值可以得出，在井工轉露天開采時，頂板的厚度與巖體邊坡的安全系數呈正相關，頂板厚度減小，安全系數也隨之遞減。在開采深度逐漸延深，邊坡的安全系數改變，穩定定性受到較大影響。當頂板厚度達到45 m時安全系數也接近于1，此時西幫邊坡處于臨界狀態，即頂板厚45 m是最小的安全厚度。

4 結 論

以工程實例為背景，通過數值模擬方法系統研究了井工轉露天開采工況下頂板厚度從68 m逐漸減小至44 m時頂板的安全性，以厚度折減法計算出45 m為頂板最小安全厚度，且經過數值模擬驗證合理。同時研究了井工轉露天時不同頂板厚度對上部邊坡穩定性的影響規律，并得出當頂板變薄時上部邊坡穩定系數變小，以及隨著頂板變薄邊坡應力場的演化特點，得出隨著頂板變薄坡腳處塑性破壞區增大，從而導致邊坡穩定性安全系數逐漸變小。因此在井工轉露天開采過程中，為了確保安全生產需要確保頂板有足夠的厚度，避免作業設備和人員墜入老井采區及滑坡災害發生。