多層復雜空區群下邊坡穩定性影響研究

馬增 ，陳湘根，田朝暉，劉峰，聶永祥， 葛虎勝，陳鵬，李家東

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術中心， 湖南 長沙 410012； 3.欒川鉬業有限公司， 河南 洛陽市 471500)

0 引言

邊坡穩定性問題是露天開采技術研究中的重點和難點，關系著礦山的安全生產，研究的成果是礦山高效開采、綠色建設的保障。影響邊坡穩定性的主要因素為邊坡工程地質條件、開采方式、降雨、空區等，特別是在最終境界下賦存的采空區嚴重阻礙生產進度，時刻存在著邊坡滑塌的安全隱患，比如廣東大寶山鉛鋅礦、太鋼袁家村鐵礦等礦山由于歷史地采、偷采、盜采導致邊坡下存在大量采空區，不僅影響生產進度，而且在治理采空區時花費了大量的人力、物力和財力[1-2]。

國內的專家學者對賦存空區群的邊坡穩定性研究開展了大量的工作[3-9]。柴紅保等利用強度折減法，對邊坡下不同位置不同跨度的采空區進行數值模擬分析，得到了各種情況下的安全系數，發現空區在坡腳處對邊坡的影響最大，安全系數約降低20%[10]；馮志樓等以某鐵礦為研究對象，通過Midas/GTS分析了不同應力條件下的邊坡，分析結果與現場實際吻合，為工程治理提供了依據[11]；李同鵬等利用FLAC3D，對比分析了不同跨度采空區和不同厚度保安礦柱的應力、塑性區和安全系數等，得到了邊坡穩定性受空區跨度和保安礦柱厚度共同影響[12]。

礦山開采方式會根據礦體賦存條件、生產技術手段等進行選擇，甚至會根據金屬價格和開采的技術水平進行改變。南泥湖鉬礦在開采歷史時期內，由地下開采變為露天開采，雖然產量有了很大提高，但是地下開采時期留下的空區成為了目前制約礦山生產的重要癥結，也為安全生產埋下了隱患。因此進行多層復雜空區群對邊坡穩定性的影響分析是十分有必要的，能夠為后期的邊坡治理提供 參考。

1 礦山地質概況

1.1 礦山地質條件

南泥湖鉬礦位于欒川縣城北西30 km處，屬河南省欒川縣冷水鎮管轄，礦山隸屬于欒川龍宇鉬業有限公司。南泥湖鉬礦與洛鉬公司的三道莊鉬礦以及眾鑫公司采區同在一個礦床上且3家采礦權證界 線緊緊相鄰。礦區內出露地層主要為新元古界青白口系-震旦系（QnZ）官道口群—欒川群的白術溝組和三川組、南泥湖組、煤窯溝組，自下而上互呈整合接觸。北部邊坡涉及的主要巖性為南泥湖組的黑云母長英角巖、長英角巖和透輝石長英角巖。北區主要構造為F1和F6斷層，斷層以東北北走向為主，傾角在60°～75°，與北部邊坡斜交。

1.2 礦山生產條件

南泥湖鉬礦為露天開采礦山，封閉圈高度為1342 m，北部邊坡是凹陷露天和山坡露天結合的邊坡，目前最低開采標高為1258 m，最高開采標高為1495 mm，開采形成了22個臺階，1390 m以上已經靠幫到界，邊坡整體形態為上陡下緩，1390 m以上工作幫坡角為41°，1390 m到1258 m工作幫坡角為18°。

圖1 北部邊坡

2 空區情況

2.1 空區形成過程

南泥湖鉬礦的開采始于20世紀80年代，由地方鄉鎮企業及民采企業進行無序開采。鄉鎮企業主采區位于礦區橫20線至14線之間和橫8-1勘探線之間，原M1主礦體之內。采用豎井和斜坡道開拓，采礦方法為中深孔階段礦房法和淺孔

房柱法，采礦中段共有1300 m、1330 m、1350 m、1365 m、1375 m 5個中段。據初步調查5個中段的1300 m、1330 m和1350 m中段留有部分資源，1365 m標高以上均已采空，部分地段已經陷落。地方企業開采形成的采場一般長15～30 m，寬8～15 m，采場面積為100～300 m2，部分地方采場礦柱被盜采或垮落，幾個采場連通，形成采場面積500～800 m2。采場高度大多為4～8 m，個別高度達10 m以上，導致上下中段間頂板厚度小甚至采透。2005年鉬都公司開始在南泥湖鉬礦進行露天開采，但是，地下民采盜礦現象仍然持續。據調查與不完全統計，截止2003年，南泥湖礦區井下采出礦石量累計約1162萬t，采空區面積約40.6萬m2，體積約426萬m3，隨著開采深度的不斷增加，采空區部分已經處理，據最新資料統計剩余采空區為5.06 萬m3。

北部邊坡只剩下1330 m、1350 m和1365 m中段的空區未被完全處理，這些空區由于是偷采和盜采形成的，在分布上沒有明顯的規律，基本上以一條巷道為主線，采場分布在巷道兩邊，每個采場大小不一，高度不同，分布如圖2所示。

圖2 多層采空區示意

2.2 空區現狀

現場踏勘中發現部分采空區已經坍塌，部分坍塌采空區已經進行廢石堆填，部分塌落至地表的空區暴露在空氣中。空區塌落的原因一方面為斷層節理面穿過空區頂部，軟弱的斷層面夾層由于下部空區存在加上雨水等因素作用，致使空區頂板塌落，見圖3；另一方面為空區頂板較薄，采場爆破振動等因素影響，難以支撐采空區的穩定，見圖4。

圖3 1390 m采空區塌陷

邊坡下部的空區是影響邊坡穩定的重要因素，采空區的存在會降低邊坡巖體的完整性，從而降低邊坡的穩定性，另一方面采空區自身的穩定影響著邊坡的穩定，采空區的塌落會使邊坡體失去支撐，導致上部邊坡產生滑動。

圖4 1360 m采空區塌陷

3 數值模擬

3.1 分析模型

分析軟件采用專用于地下或地表邊坡工程開挖的應力和位移的2D有限元分析軟件，可用于包括巖石復雜的隧道支護問題、地下硐室開挖與支護、采礦開采與充填、邊坡開挖模擬等問題的分析。

采用最大拉應力判據，結合摩爾-庫倫屈服準則來確定邊坡開挖后的應力、位移、可能出現的拉剪破壞范圍等，以此來確定露天邊坡的穩定狀況，在進行分析荷載時按照軟件自動分級施加，解方程時用Gaussian消除法求解，最大循環次數為500次，累計誤差為0.001。

南泥湖鉬礦北部邊坡根據地形劃分3條剖面分別為A-A′、B-B′和C-C′，模型建立主要依據邊坡現狀和設計境界以及地質鉆探數據，然后根據剖面線位置進行剖面圖制作，將剖面圖導入軟件后進行網格劃分，然后將空區進行開挖。本次分析結果以A-A′為主，現狀模型和設計模型見圖5、圖6。

圖5 A-A′現狀模型模型

3.2 分析參數

分析參數的選取按照巖石力學試驗、結構面測繪、巖體質量評價等步驟進行，最后進行巖體強度折減得到。巖體分析參數見表1。

圖6 A-A′設計境界模型

表1 邊坡巖體分析參數

4 結果分析

4.1 安全系數

安全系數是直接反映邊坡穩定與否的關鍵指標，也是計算分析的重要結果。通過強度折減法分析北部邊坡的安全系數，得到了對應的安全系數，見表2。

從安全系數的分析結果來看：現狀邊坡是穩定的，安全性較好；設計邊坡不能夠達到邊坡許用安全系數要求，安全儲備不足，難以滿足規范標準要求[13]。現狀邊坡安全系數較大是由于北部邊坡下部（1360～1258 m）工作幫坡角只有18°，且邊坡的高度為237 m（1258～1495 m），設計邊坡由于達到了設計境界，邊坡角度高，邊坡高度達到393 m（1102～1495 m）。

表2 A-A′邊坡安全系數

4.2 位移

位移量是分析巖層移動和變化的重要指標，通過對巖層位移量的分析，能夠了解邊坡移動量最大的區域，可以指導礦山的日常管理，有助于對重點區域進行重點管理，邊坡位移量分析見圖7。

從圖7中可以看出，邊坡最大位移量為空區出現的位置，同時由于空區的存在分析得到的位移量較大；現狀邊坡分析結果可以看出，1330 m水平處的空區與1350 m水平的空區在垂直空間上有重疊，會導致1330 m水平的空區先垮塌，導致1350 m水平的空區失去支撐力后垮塌，直至垮落至1360 m平臺，這與1360 m平臺塌陷位置相同，如圖4所示，與現場情況十分相符；設計邊坡的位移量主要出現在邊坡的上部，同時根據分析結果進行預測，在未來開采達到設計境界時，1330～1345 m處采空區會先垮塌，然后上部失去支撐，最終會導致上部大面積的滑塌。

4.3 塑性區

從圖8可以看出在空區頂部出現拉應力破壞區，空區的其他部位出現剪應力破壞區，同時由于下部空區的存在，導致上部出現部分的拉應力破壞區，在現狀情況下空區的塑形破壞區域與邊坡塑性區域未完全貫通；破壞區主要集中在空區群位置，特別是在多水平重疊空區位置。在遠離邊坡面的空區，由于保護巖層厚度較大，空區體積較小，塑性區范圍不明顯。

隨著開采深度的不斷增加，邊坡不斷加陡，遠在邊坡內部的空區距離邊坡面越來越近，導致內部空區四角出現了剪切應力破壞區域，與邊坡塑性區域完全貫通，所以邊坡達到設計境界時邊坡不穩 定，安全性難以保證，這和安全系數的分析結果相對照，在空區群影響下邊坡設計境界不可靠，不能滿足安全要求。

圖7 現狀和設計邊坡位移量分析

圖8 現狀和設計邊坡最大剪應變分布及拉剪破壞區域

5 結論

為了研究空區群對邊坡的穩定性影響，以南泥湖鉬礦多層復雜空區條件下的礦山邊坡為研究對象，分析得到了現狀和設計境界下邊坡的安全系數、位移以及塑性區分布，通過數值模擬分析驗證了現場現場垮塌的根源，同時對設計境界進行了分析和論證。根據研究結果得到以下結論。

（1）根據安全系數分析，目前現狀邊坡安全系數能夠滿足許用安全系數要求，邊坡是安全的，這與現場觀測和踏勘得到的結論相符；設計境界邊坡安全系數不能夠滿足安全系數要求，邊坡達到設計境界時安全性難以保證。

（2）通過位移量分析可知，邊坡最大位移量為空區出現的位置，與塌陷位置和現場情況十分相符，分析結果與現場情況相互驗證；同時根據分析結果進行預測，在未來開采達到設計境界時，1330～1345 m處采空區會先垮塌，然后上部失去支撐，最終導致上部大面積的滑塌。

（3）在空區頂部出現拉應力破壞區，空區的其他部位出現剪應力破壞區，同時由于下部空區的存在，導致上部空區出現部分的拉應力破壞區，在現狀情況下空區的塑形破壞區域與邊坡塑性區域未完全貫通；隨著開采深度的不斷增加，邊坡不斷加陡，遠在邊坡內部的空區距離邊坡面越來越近，導致內部空區四角出現了剪切應力破壞區域，與邊坡塑性區域完全貫通。

（4）綜合分析結果，多層復雜空區嚴重影響邊坡的穩定性，空區的垮塌可能會造成上部邊坡的滑塌，南泥湖鉬礦設計境界不能夠滿足安全生產要求，應當盡早采取治理措施。