露天轉地下開采覆巖采動響應的坡角影響效應研究①

李小雙，羅 浪，王運敏，耿加波

（1．江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州341000；2．金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000；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；4．紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000）

露天礦山進入深凹開采后會給礦山的生產建設及安全維護帶來諸多挑戰，例如運輸距離增加而效率降低，邊坡管理愈加困難等，這些因素使得礦山轉入地下開采變得迫在眉睫。而礦山一旦轉入地下開采，其原來露天開采形成的高陡邊坡體與地下采場就構成了一個復合的采動系統［1－4］，使得采場上覆巖體在開采擾動下的變形及力學行為相較單一的地下開采更為復雜，這也給礦山的地壓管理與安全生產帶來了新的挑戰［5］。

本文以某礦山露天轉地下開采為背景，研究不同邊坡坡角影響下采場上覆巖體的采動響應特征，以揭示覆巖采動響應的坡角影響效應，并指出該礦山合理的邊坡角度。研究結果對礦山的邊坡維護及地壓管理具有一定的理論參考價值。

1 工程概況

某礦山礦體埋藏深度60～240 m，目前露天開挖邊坡角度55°左右，礦體平均傾角14°，厚14～17 m，屬于典型的近淺埋緩傾斜薄至中厚礦床。邊坡坡體內不存在大的構造結構和軟弱面，地表為15～45 m的砂質黏土層，礦層直接頂為含礫石英砂巖，間接頂為層狀泥質白云巖，當前露天開挖深度－40 m，設計露天開挖深度－100 m，露天開挖完后計劃轉入地下開采。

2 巖石力學試驗

根據該礦山的地質賦存條件，對7種主要巖層的巖體介質進行取樣，然后在實驗室加工成徑高尺寸Φ50 mm×25 mm和Φ50 mm×100 mm的2種圓柱形標準試件，通過巖石力學試驗測得巖體的抗拉強度和不同圍壓下的軸向破壞強度，然后對測得的數據進行分析處理，得到巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數

3 FLAC3D數值模擬

3．1 三維建模

運用AutoCAD制圖軟件繪制坡高100 m時，3種不同坡角（35°、45°和55°）的二維平面模型，然后通過AutoCAD-ANSYS接口將平面模型導入到ANSYS進行三維建模及網格劃分，最后將生成的含有單元節點及分組信息的網格模型導入FLAC3D進行計算和后處理［6］。

3．2 邊界條件

本次數值模擬的邊界條件設置如下：

1）對于應力邊界條件，結合礦山工程實際，基于數學化歸思想，將巖體內部應力場進行簡化，只考慮巖體自身重力，故只在模型Z方向施加－9．8 m／s2的應力加速度。

2）對于位移邊界條件，對模型前后左右的水平位移進行約束，底部固定，頂部保持自由。

初始地應力平衡圖如圖1所示。

圖1 初始地應力分布云圖

3．3 開采方案與監測點布置

根據控制變量思想，將坡角作為單一變量，其他如地質賦存屬性、采礦工藝及采礦方法等條件相同。3種模型均采用房柱法采礦，另外根據工程經驗及結合礦山實際，選取境界礦柱厚度30 m，整個采場長度沿礦層傾向154 m，共劃分10個礦房和9個礦柱，每個礦房寬10 m、礦柱寬6 m，且礦柱類型為連續型的礦壁［7］。同時，由于模型存在邊界效應，沿礦層走向在兩側各留30 m邊界。礦房分10步沿礦體傾向逐一開挖，礦柱分5步沿傾向隔一回采，采場俯視圖如圖2所示。同時在采場上覆巖層距采場垂距1 m處均勻布置5個監測點進行數據監測，具體布置如圖3所示。

圖2 采場俯視圖

圖3 監測點布置圖

4 結果分析

4．1 露天邊坡安全系數

基于FLAC3D內置的強度折減法，運用solve fos命令對3種不同坡角模型的邊坡安全系數進行求解計算，結果見表2。由表2可知，坡高100 m的3種不同坡角模型邊坡安全系數均大于1，這表明在礦山轉入地下開采前，3種模型的露天邊坡均整體穩定，在無其他因素影響下無需考慮滑坡風險。

表2 不同坡角模型邊坡安全系數

4．2 模擬開挖結果分析

4．2．1 應力演化規律

隨著開采工作面推進，礦房在礦體開采后形成采空場，導致其上方頂板附近區域應力卸荷，同時圍巖應力也得到釋放。采場頂板應力不斷進行重新分布，并沿礦層傾向向前方巖體動態轉移，在前方形成應力增壓區。不同坡角模型地下礦房中的礦體開挖完后，采場覆巖應力值沿礦層傾向線性增加，垂直于Y＝－60 m的切面對應的應力切片云圖分別見圖4～5。

從圖4～5可以看出，當距采場垂距增加時，覆巖應力值減小，且呈現出“應力拱”。在礦柱回采完畢后，3種坡角模型剩余支護礦柱的最大垂直應力均穩定在11．3 MPa左右（見表3），小于礦層抗壓和抗拉強度，支護礦柱均較為穩定。此外，坡高一定時，采場覆巖垂直應力并不隨邊坡角度增加而線性增加，采空區頂板最大垂直應力在邊坡傾角為45°時最小，此條件下的采場覆巖相較其他2種模型穩定性更高。

表3 礦柱回采完畢后采場最大垂直應力

圖4 礦房開挖完畢后應力切片云圖

圖5 礦柱回采完畢后應力切片云圖

4．2．2 塑性區分布情況

通過模擬開挖，得到礦房開挖完后塑性區分布如圖6所示，礦柱回采完后塑性區分布見圖7。

由圖6～7可知，3種不同坡角模型在礦房開挖完后，塑性區均小范圍零星分布在礦柱及采場四周，此時3種模型采場整體穩定；礦柱回采完后，3種模型塑性區均得到較大發育。但整體上，35°及55°坡角模型塑性區相較45°模型發育更為充分。具體表現為：35°坡角模型采場起始端塑性區即將發育至邊坡臨空面，而55°坡角模型采場起始端塑性區發育至地表。這些都不利于采場穩定，在外部擾動影響下，采場覆巖有失穩風險。

圖6 礦房開挖完畢后塑性區切片分布

圖7 礦柱回采完畢后塑性區切片分布

4．2．3 位移變化特征

對3種不同坡角模型采場覆巖在地下開采擾動下的位移變化進行動態模擬，這里只考慮覆巖的垂直位移，最終礦房和礦柱開采完位移切片云圖如圖8～9所示。

由圖8～9可知，類似于應力演化規律，采場頂板最大位移沉降位置也隨著開采工作面推進而動態前移，且回采完畢后最大位移沉降值發生在3＃監測點附近，并最終呈現出“位移拱”。

圖8 礦房開采完畢后位移切片云圖

45°坡角時，采場覆巖位移沉降相較其他2種模型更小，覆巖更為穩定。而55°坡角的采場覆巖受到開采擾動影響較大，其采場中部區域可能率先出現頂板冒落與破斷等現象［8］。

圖9 礦柱回采完畢后位移切片云圖

5 結 語

1）采場內部應力隨著礦體開挖推進不斷進行重新分布，并持續沿礦層傾向向前方巖體動態轉移，在前方形成應力增壓區，最終達到新的平衡。礦體開挖完后，采場覆巖位移沉降值隨距采場垂距增加而減小，最終位移云圖呈現出“拱”形。

2）45°坡角時，采場覆巖比35°和55°模型應力及位移沉降更小，但塑性區發育不及35°及55°模型充分。這表明坡高一定時，存在一個較為穩定的坡角中間值。綜合經濟和安全性考慮，建議在露天開采完后對邊坡進行削坡處理，以控制邊坡角度在45°左右，然后再轉入地下開采。