露天轉地下房柱法開采擾動下采場穩定性研究①

王孟來， 李小雙， 王運敏， 李啟航

（1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 昆明 650600； 2.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000； 3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；4.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；5.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000）

目前大部分露天磷礦山已轉入深凹開采階段，礦山進入深凹開采階段后，采場不斷拓展延伸，導致運輸效率降低［1］；邊坡堆積高度逐漸增加，導致邊坡有效管理和后期維護愈加困難。 礦山由露天開采轉入地下開采后，采場上覆巖體變形和力學行為復雜化給礦山地壓管理與安全生產帶來嚴峻挑戰［2］。 因此有必要對露天開挖形成的終了邊坡與地下開采耦合作用下的巖體非線性變形機制進行研究。

雖然國內外科研工作者圍繞露天轉地下開采展開了大量卓有成效的研究工作［3－6］，但大都集中于露天邊坡穩定性、境界礦柱厚度及隔離層厚度選取等方面［7－9］，對于露天終了邊坡與地下采場圍巖在房柱法開采擾動下的相互作用研究較少。 本文結合FLAC3D數值模擬與相似材料模擬試驗，對坡高300 m 礦山采用房柱法以三階段開采的方式，獲得各測點位移數值變化曲線，分析露天終了邊坡與地下采場圍巖之間的關聯性。

1 相似模擬實驗模型設計

1.1 相似系數

模擬實驗在3.0 m×0.30 m×2.0 m（長×寬×高）規格的大型多功能平面模擬實驗裝置內展開，基于相似定理確定相似系數如下：

1） 模型幾何相似系數：αL＝1/200；

2） 時間相似系數：αt＝≈1/14.1；

3） 容重相似系數：αr＝0.64；

4） 其他相似系數：強度比ασ＝1/312.5，外力比αp＝8×10－8，彈模比αE＝1/312.5，泊松比αμ＝1。

5） 模擬試驗以工程實際情況為準則，模型與原型的支撐條件、約束情況、邊界條件等外界條件保持相似性。

1.2 相似材料選取與參數確定

依據礦山實際地質條件，基于以上要求，選取細河砂為本次模擬的主要材料、碳酸鈣和石膏為膠結材料、硼砂為緩凝劑、云母粉為分層材料。 水泥、鋸末粉、塑料、機油作為本次試驗的輔助性材料。 云南晉寧周邊典型緩傾斜薄至中厚磷礦床各巖層的相似材料配比參數見表1。 鋪設完畢后的300 m 邊坡相似模型見圖1。

圖1 鋪設完畢后的300 m 邊坡相似模型

表1 相似材料配比參數

1.3 模型開采方案

根據礦山工程經驗，以房柱法沿礦體傾向劃分24 m厚度的境界礦柱，然后沿礦體傾向依次劃分礦房礦柱，每劃分礦柱10 m，留設6 m 連續礦柱進行采場支護。相似模擬試驗將整個開采區域劃分為3個開采階段，每個階段包含7個礦房開采和6個礦柱回采，相鄰開采階段以15 m 的階段礦柱為間隔，開采順序從第一階段開始，開采方式沿礦體傾向每2 h 開挖一次礦房，開挖完后再進行礦柱回采，每一階段礦柱回采完畢后進行下一階段礦體開挖。 每一次礦房或礦柱開挖記為一次開挖步，便于后面位移分析。 礦體空間系統圖如圖2 所示。

圖2 礦體開挖空間系統圖

1.4 監測點布置

如圖3 所示，采用PhotoInfor 和PostViewer 數字照相測量系統對相似模型各巖層應力和位移進行監測，共8個應力監測點，主要分布在露天邊坡和采場上方位置。 沿礦層傾斜法線方向在頂板均勻布置5 條位移觀測線（1～5），共30個觀測點。 頂板起始觀測線到采場的垂直距離為20 cm（實際礦山工程中為20 m），隨后頂板觀測線沿法線方向距采場垂距以長度20 cm 依次增加（L1～L6）。

圖3 應力及位移監測點布置圖

2 相似模擬試驗結果

2.1 采動影響下采場覆巖應力分布特征

各階段開挖與回采應力變化情況見圖4。 由圖4可知，礦山由露天轉入地下開采后，邊坡巖體及采場覆巖受到地下礦體的開挖擾動，第一階段開挖時，邊坡受到壓應力，隨著開采推進，壓應力線性增大；第二階段開挖時，邊坡受到壓應力繼續增大，但增幅小于第一階段；第三階段開挖時，第二階段采場頂板發生大范圍垮塌造成采場應力急劇調整，第10 步到第13 步開挖壓應力值減小，直至維持在某一固定值水平。

圖4 各階段開挖與回采應力變化

2.2 采動影響下位移變化特征

各階段開挖與回采垂直位移情況見圖5。 由圖5可知，第一階段采場開挖完后，采場上方頂板覆巖出現不同程度下沉，且測線1 上各測點受采動影響最大，其他測線各點豎向位移變化不大。 第二階段采場開挖完后，在第一階段開采擾動基礎上，繼續受到二階段礦體開挖擾動，其覆巖垂直下沉量持續增加。 第二階段采場覆巖豎向位移量整體大于第一階段，測線3 處豎向位移量變化更為明顯。 第三階段采場礦體開挖完后，上覆巖層繼續受到開挖擾動力的作用，由非充分采動階段發展到較為充分采動階段，豎向位移進一步增加。 位于第三階段采場中部上方的測線5，最大豎向位移為－5.62 mm，對應于實際工程最大豎向位移值為112.4 cm。

圖5 各階段開挖與回采垂直位移曲線

2.3 采動影響下礦體變形破壞特征

各階段回采過程采場覆巖變形情況見圖6。 第一階段礦房開挖完后，采場整體穩定，上覆巖層未出現裂紋，隨著第一階段礦柱回采逐步進行，采場頂板巖體開始小范圍冒落，且裂縫帶高度不斷向上發展。 到第二階段礦房開挖，采場覆巖較第一階段整體下沉更明顯，且采場中部上覆巖體出現零星的小范圍裂隙帶，但裂隙帶未發生貫通。 第二階段礦體全部開挖完后，第二階段采場上覆巖層出現一定程度的彎曲下沉。 第三階段礦柱全部回采完畢后，第一、二階段覆巖層及頂板彎曲程度加劇，直至發生垮塌，采場覆蓋破壞形式最終呈現出“拱”形。

圖6 各階段回采過程采場覆巖變形情況

3 FLAC3D數值模擬

3.1 三維建模

300 m 邊坡模型尺寸水平方向長度600 m，走向方向長度300 m，垂直方向高度450 m，整個模型共包含623 934個節點和603 550個單元。 坡高300 m 露天轉地下開采三維模型如圖7 所示。

圖7 坡高300 m 露天轉地下開采三維模型

3.2 數值模擬巖體力學參數確定

本次數值模擬所使用的巖體力學參數見表2。

表2 數值模擬巖體力學參數

3.3 數值模擬監測點布置

為了便于數據處理和計算結果分析，需要對模型關鍵節點進行位移監測。 與相似模擬試驗監測點相對應，共設置了8個監測點，分別位于露天終了邊坡的坡頂、坡腰和坡腳及地下采場各開采階段和間柱中部，具體布置見圖8。

圖8 數值模擬監測點布置平面圖

3.4 數值模擬結果分析

3.4.1 應力演化規律

露天轉地下開采不同開采階段應力分布規律如圖9所示。 由圖9可知，第一階段礦體開挖完后，最大垂直應力僅出現在采空區前端，其值為20.3 MPa，采空區頂板垂直應力為4.1 MPa。 第二階段礦體開挖完后，采場范圍擴大導致采場頂板應力進一步釋放，應力降低區域的范圍也進一步擴大，最大垂直應力出現在回采區前后兩端，為31.8 MPa，且范圍和大小相較第一階段有所增加，此時采場頂板最大垂直應力為3.8 MPa。第三階段礦體開挖完成后，采場頂板應力相較第二階段進一步釋放，應力降低區域的范圍也在動態前移，最大垂直應力為43.0 MPa，僅出現在第二個階段礦柱的右下側，采場頂板最大垂直應力為4.8 MPa。

圖9 各階段礦體開挖后應力分布

3.4.2 位移變化規律

露天轉地下開采不同開采階段位移變化特征如圖10 所示。 圖10 表明，第一階段礦體開挖完后，采空區最大垂直位移沉降為34.3 cm，邊坡坡腳處最大向上位移量為15.0 cm。 第二階段礦體開挖后，最大垂直位移相較第一階段有一定幅度增加，達到70.5 cm，且采場頂板位移沉降最大點位置有一定程度前移，位移沉降范圍進一步擴大，此時露天轉地下開采邊坡坡腳向上位移量為12.3 cm。 第三階段礦體開挖完后，最大垂直位移沉降相較第二階段大幅增加，且由于礦層存在一定傾角，最大位移沉降點位置偏離第二階段采空區中部向下，達到113.3 cm，此時第一階段和第二階段采空區由于受到第三階段礦體開挖擾動，位移沉降進一步增加，達到比較充分的采動階段，采場頂板可能出現離層、冒落和垮塌，此時邊坡坡腳處向上位移量為12.5 cm。

圖10 各階段礦體開挖后位移變化

3.4.3 塑性區分布規律

露天轉地下開采不同開采階段塑性區分布情況如圖11 所示。 圖11 表明，第一階段礦體開挖完后，塑性區主要分布在采場四周，此時采場中部因礦體開挖卸荷而受到拉應力作用，塑性區主要表現為張力破壞，兩端則因受到剪切應力，塑性區表現為剪切破壞，同時，坡腳存在少量零星的張拉破壞塑性區。 第二階段礦體開挖完后，塑性區已經發育至邊坡臨空面，此時整個地下采場處于一個比較危險的臨界失穩狀態。 到第三階段時，第一階段采場塑性區已經發育充分，已貫通至邊坡臨空面，此時整個地下采場及邊坡體已處于失穩狀態，第一階段采場上覆巖體很可能會受到外界輕微的擾動而發生垮塌進而導致多米諾骨牌效應，造成整個采場及邊坡失穩垮塌。

圖11 各階段礦體開挖塑性區分布

4 討 論

1） 在相同地質賦存條件下，露天轉地下開采邊坡坡高300 m 時，三階段礦體開挖后，數值模擬得出的頂板最大豎直位移沉降值為113.3 cm，相似模擬試驗測得的最大豎直位移沉降值為－5.62 mm（對應的實際工程最大豎直位移沉降值為112.4 cm），結果大致吻合。

2） 數值模擬與相似模擬試驗結果均表明，隨著采空區范圍逐漸增大，采場覆巖受采動影響區域也隨之擴大，采場上覆巖層最大位移沉降值及采動影響帶（裂隙帶和垮塌帶）均線性增大，且隨著礦體開挖推進而動態前移。

3） 在相似模擬試驗中，采場覆巖的破壞形式從采空區直接頂板開始，先是覆巖下沉彎曲，產生零星裂縫帶，然后裂縫帶發生貫通導致其下方巖體冒落破壞，并逐步向深部巖層發展，最終覆巖變形破壞形式呈現出“拱”形。 這與數值模擬中采場覆巖位移云圖呈現的“拱”形相對應。

5 結 論

1） 通過現場勘查取樣和巖石力學試驗得到該磷礦床各主要巖層巖石力學參數。

2） 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。 三階段礦體開挖完后，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。

3） 坡高300 m 時，在相同地質賦存條件下，相似模擬試驗測得的頂板最大豎直位移沉降值與數值模擬計算結果基本相同。 露天轉地下三階段開挖時，后一階段礦體開挖會對前一階段已開挖采場覆巖應力場、位移場及變形破壞場產生影響。