尖山鐵礦西北幫巖體及地表移動范圍預(yù)測研究

陳樹林，朱志崗，李世彬，馬濤，董秋平，楊八九

(1.攀鋼集團礦業(yè)有限公司， 四川 攀枝花市 617063；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650093；3.云南亞融礦業(yè)科技有限公司， 云南 昆明 650093)

0 引言

攀枝花鐵礦尖山采場于近期由露天采礦轉(zhuǎn)為地下開采。在完全轉(zhuǎn)入地下采礦之前，計劃先回采露天邊幫下部 1300～1330 m標高的掛幫礦和海拔1200～1300 m礦體。露天坑西北邊幫頂部和西側(cè)有一條瀝青公路，即倮密路。掛幫礦及其下部北傾礦體回采引發(fā)的巖體移動破壞可能對倮密路穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，進而影響其安全運營。在預(yù)測巖體移動范圍方面，廣泛使用工程類比法[1]、計算方法[2-3]、現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)等方法和手段。具體到地采巖移研究也有諸多方法和成果[4]，如網(wǎng)格積分法分析巖體移動[5]；用遺傳規(guī)劃方法確定巖體移動參數(shù)[6]；研究地形對巖體移動的影響[7]；用 Fuzzy數(shù)學(xué)理論分析巖體移動[8]；用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論分析地表下沉[9]；采用模擬試驗方法確定巖體移動極限角[10]；研究巖體移動的動態(tài)過程[11]；采用經(jīng)典力學(xué)理論分析巖體移動的蠕變問題[12]；地下開采引起的大范圍巖體移動問題[13]；山區(qū)厚礦層開采引起的巖體移動規(guī)律[14]；用模糊-遺傳規(guī)劃理論分析巖體移動[15]；文獻[16]和文獻[17]提出一種新的三維影響函數(shù)公式并用于分析急傾斜礦體開采巖體移動問題。上述方法中，有的需要工程技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗，有的需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還有的方法涉及到諸多難以精確測定的巖石物理力學(xué)參數(shù)。

結(jié)合現(xiàn)場條件，先分析現(xiàn)狀西北幫邊坡的穩(wěn)定性，然后采用FLAC3D、3DEC和相似材料模擬試驗研究回采掛幫礦與標高 1200～1300 m 的 Ⅴ#和ⅤI#礦體過程中，露天邊坡的穩(wěn)定性及巖移對倮密路段穩(wěn)定性的影響。

1 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

國內(nèi)學(xué)者采用了多種方法對邊坡穩(wěn)定性進行了研究。這些方法分為定性和定量兩大類。定性分析方法有地質(zhì)分析法、工程地質(zhì)類比法、圖解法和邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)。定量分析方法有極限平衡法、數(shù)值分析法、破壞概率計算法等。其中，極限平衡法包括普通條分法、改進條分法、瑞典條分法、Bishop法、SarmaSK法、Janbu法、Morgensterm-NR和 price ⅤE等方法[18-19]；數(shù)值分析法又包括有限單元法（FEM）、邊界單元法（BEM）、無界元法（IDEM）[20]、離散單元法（DEM）、快速拉格朗日分析法（FLAC）、不連續(xù)變形分析法（DDA）、有限差分法（FDM）、數(shù)值流形元法（NMM）和塊體理論（BT）[21-22]。在分析邊坡穩(wěn)定性時，又有模糊綜合評判法、模式搜索法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法（ANN）、遺傳算法、模擬退火法、反分析法、可靠度評價法和灰色系統(tǒng)評價法等不確定性分析方法。不同礦山具有不同的地質(zhì)條件，因而有豐富經(jīng)驗的地質(zhì)工作者才能用好工程地質(zhì)類比法。本文主要使用圖解法對礦山露天開采閉坑、地下開采之初的西北幫邊坡穩(wěn)定性進行分析。

圖解法用于邊坡穩(wěn)定性分析，具有簡單、快速、直觀的優(yōu)點，根據(jù)分析可知：露天坑西北幫邊坡安全系數(shù)在1.0～1.1之間，坡高為392 m，坡角為47°，邊坡面傾向為142.901°，邊坡巖性為流層狀輝長巖（ω1），節(jié)理裂隙發(fā)育。

根據(jù)尖山鐵礦露天采場的實際情況，確定了 9個調(diào)查點。其中，9#調(diào)查點位于西北幫邊坡1325 m標高。9#調(diào)查點處共調(diào)查了7.78 m巖體，共獲得63條結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面平均間距為0.22 m。共有三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。第一組結(jié)構(gòu)面傾向為250°～270°，平均為 260°，傾角為 70°～90°，平均為 80°；第二組結(jié)構(gòu)面傾向為 260°～280°，平均為 270°，傾角為 60°～80°，平均為70°；第三組結(jié)構(gòu)面傾向為13°～47°，平均為 30°，傾角為 40°～76°，平均為 55°。9#調(diào)查點結(jié)構(gòu)面極點等密度圖如圖1所示。

圖1 9#點結(jié)構(gòu)面極點等密度圖

將該處優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和坡面運用赤平極射投影方法分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)面L1、L2和L3與開挖邊坡面斜交，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；就結(jié)構(gòu)面組合作用而言，兩結(jié)構(gòu)面L1、L2和L3的投影大圓的交點位于開挖邊坡面投影大圓的內(nèi)側(cè)，因而結(jié)構(gòu)面組合交線的傾角比開挖邊坡面的傾角緩，整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，該段邊坡巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面有利于邊坡的穩(wěn)定。

圖2 西北幫邊坡赤平極射投影圖

2 采動對邊坡巖移變形的影響

2.1 基于有限單元法數(shù)值模擬分析其邊幫穩(wěn)定性

FLAC3D廣泛應(yīng)用于采礦、土木、交通、水利等行業(yè)的復(fù)雜巖土工程數(shù)值分析和計算。根據(jù)尖山礦區(qū)地形地質(zhì)圖及中段平面圖構(gòu)建模型，模型以X為正東方向，長為1100 m；以Y為正北方向，寬為650 m；以Z為豎直方向，高為1150 m。地形和建模范圍如圖3所示。

圖3 模型建立范圍（尖山礦區(qū)地形地質(zhì)圖）

計算所采用本構(gòu)關(guān)系及模型假定如下：巖層材料采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型；選取摩爾－庫侖強度準則；地層的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化；結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。模型邊界設(shè)定為：地表為上邊界，以X軸為法線的立面為左右界面，以Y軸為法線的立面為前后界面，以Z軸為法線的立面為上下界面。模型上表面設(shè)為自由邊界，其他 5個面都施加位移約束。巖體及斷層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)前期室內(nèi)、外巖石力學(xué)試驗確定，計算參數(shù)見表1。

數(shù)值計算方案為：第1步計算原始地形下的穩(wěn)定性；第2步計算現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性；第3步開采掛幫礦；第4步按不同順序回采標高1280～1300 m礦體；第5步開采1200～1280 m礦體；第6步在設(shè)計保安礦柱的基礎(chǔ)上，分5次逐步縮小保安礦柱尺寸進行計算。

計算結(jié)果顯示，在原始地形和現(xiàn)狀邊坡的工況下，采場內(nèi)的位移以開挖后的回彈位移為主，邊坡不發(fā)生大變形，亦不發(fā)生破壞。開挖完掛幫礦，邊坡巖體的變形和位移呈現(xiàn)如下特征：西北幫邊坡出現(xiàn)位移，北部公路位置位移量約0～4 m，開采后礦體上盤邊坡巖石移動角在50°～55°之間；上盤邊坡很大區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū)；南幫邊坡位于礦體的下盤且邊坡較緩，沒有出現(xiàn)位移和塑性區(qū)；西側(cè)受斷層阻隔作用，坡體移動破壞沒有向西越過F317斷層。說明 1300 m以上掛幫礦的開采會導(dǎo)致西北幫邊坡的破壞，影響到公路的安全；西側(cè)公路穩(wěn)定性不受影響；南幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。1280～1300 m礦體開采完畢后的巖石移動情況和采完掛幫礦的變化不大。巖石移動主要發(fā)生在礦體上盤，北邊巖石移動角在55°～60°間；西邊受斷層F316和F317的隔斷影響，西邊沒有發(fā)生較大垮塌；南幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。地表沉降位移如圖4所示。

圖4 Z方向位移等值線與公路位置關(guān)系

2.2 基于離散單元法分析其邊幫穩(wěn)定性和巖移范圍

巖體包含巖塊和節(jié)理裂隙。巖體變形由巖石材料變形和巖體結(jié)構(gòu)錯動變形兩部分組成，后者變形量大于前者。3DEC（三維離散單元法程序）是一款以離散單元法為基本理論，模擬離散介質(zhì)力學(xué)行為的計算分析軟件，可用于巖體移動、變形和破壞研究。

此處著重考查尖山采場露天坑西北邊坡及坡頂回頭彎附近巖體受采動影響下的穩(wěn)定性，分別以Ⅴ#剖面、27#剖面，以及穿過倮密路回頭彎、走向為142.901°、長度為931.69 m的新切剖面為地質(zhì)原型，構(gòu)建數(shù)值模型。礦區(qū)平面和剖面位置見圖5。

圖5 離散元建模剖面布置

礦區(qū)上盤為流層狀輝長巖，下盤為細粒輝長巖，礦體分為Ⅴ#、ⅤI#、ⅤIII#，ⅤII#礦體品位較差，為流層狀輝長巖夾層。離散元數(shù)值模擬試驗中使用的巖體力學(xué)參數(shù)和節(jié)理力學(xué)參數(shù)由課題組根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，結(jié)合礦山前期相關(guān)研究報告中的巖石和巖體力學(xué)參數(shù)綜合分析確定，詳見表2和表3。

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》（JTG/T D31-03-2011）中規(guī)定：采空區(qū)公路地基穩(wěn)定性評價標準應(yīng)根據(jù)公路工程地基容許變形值確定。以采空區(qū)公路地表水平變形作為指標對公路穩(wěn)定性和巖移范圍進行分析，即公路路基水平變形大于6 mm/m時，公路不可以再使用；水平變形大于6 mm/m的云圖區(qū)域為巖體巖移范圍。

2.2.1 Ⅴ#剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

以Ⅴ#縱剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分8步開采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1400 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開采。數(shù)值模型見圖6。按計劃開挖完畢后的結(jié)果見圖7。Ⅴ#剖面模型塊體長度為 25 m，在 Ⅴ#剖面的模型中，查找距離邊坡最遠且相鄰塊體間距大于0.15 m時西側(cè)塊體的坐標，以該塊體所在位置坐標作為邊坡巖移破壞范圍的邊界。剖面開挖導(dǎo)致地表塌陷范圍見圖8。由圖8可知，西側(cè)公路路基發(fā)生輕微的變形，由于斷層的存在對巖移具有阻隔作用，開采1200 m以上礦體，Ⅴ#勘探線方向上的巖移并未對西側(cè)公路造成破壞。

圖6 V#縱剖面模型

圖7 V#縱剖面按計劃開挖完畢后巖體移動

圖8 V#剖面開挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

2.2.2 27#剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

以27#勘探線剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分5步開采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1380 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開采。數(shù)值模型見圖9。按計劃開挖完畢后的結(jié)果見圖10。27#剖面模型塊體長度為20 m，查找距離邊坡最遠且相鄰塊體間距大于0.12 m時西側(cè)塊體的坐標，以該塊體所在位置坐標作為邊坡巖移破壞范圍的邊界，分析結(jié)果見圖11。27#剖面構(gòu)建的模型在回采過程中會導(dǎo)致倮密路周圍巖體發(fā)生 2.08～23.13 m的水平位移，路面最終將產(chǎn)生累計0.73 m寬的張拉裂縫，該公路在這種情況下將被破壞。

圖9 27#剖面模型

圖10 27#剖面模型按計劃開挖完畢后巖體移動

圖11 27#剖面開挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

2.2.3 新切剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

新切剖面走向為142.901°，與露天坑西北幫走向垂直。以新切剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分 4步開采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1330 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開采。數(shù)值模型見圖12。按計劃開挖完畢后的結(jié)果見圖13。在新切剖面的模型中，查找距離邊坡最遠且相鄰塊體間距大于0.06 m時西側(cè)塊體的坐標，以該塊體所在位置坐標作為邊坡巖移破壞范圍的邊界，模擬結(jié)果見圖14。根據(jù)新切剖面構(gòu)建的模型，在回采過程中會導(dǎo)致倮密路周圍巖體發(fā)生0.05～6.76 m的水平位移，路面將產(chǎn)生張拉裂縫，倮密路在這種情況下將被破壞。

圖12 新切剖面模型

圖13 新切剖面模型按計劃開挖完畢后巖體移動

圖14 新切剖面開挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

根據(jù)以上3個剖面的計算結(jié)果，在尖山采場平面圖中圈定回采 1200～1300 m礦體和掛幫礦，按設(shè)定的開挖步驟圈定巖石移動范圍，如圖15所示。

由圖15可知，黃色加粗線段為不留礦柱情況下回采至 1300 m的巖石移動范圍，線段西部與F317斷層走向一致，北段已經(jīng)包括倮密路回頭彎段。紅色加粗線段為不留礦柱情況下回采至1200 m的巖石移動范圍。藍色加粗線段為留設(shè)礦柱回采至1200 m巖石移動范圍。紅色細線段為留設(shè)礦柱回采至 1042 m巖石移動范圍。洋紅色線段為原初步設(shè)計巖石移動界線，即最終錯動界線。

圖15 3DEC模擬開挖導(dǎo)致巖石移動范圍對比

2.3 基于相似模擬試驗分析邊幫穩(wěn)定性和巖移范圍

室內(nèi)相似模擬試驗是研究采動影響下采場圍巖和覆巖變形的重要手段之一。本文根據(jù)其他學(xué)者的研究成果[25-26]，按照一定的應(yīng)力相似比配制相似材料。材料由洗干凈的河沙、石灰粉、石膏粉、碳酸鈣粉末和云母粉按一定比例混合而成。相似材料模型按照礦體賦存傾角、礦巖分層厚度以及相似條件所需的密實程度逐層夯實填筑，模型尺寸為：長1.8 m×寬 0.2 m×高 1.7 m。在模型內(nèi)部水平布置19個壓力盒以監(jiān)測開挖過程中的應(yīng)力變化情況，在模型側(cè)面布設(shè)260個位移測點。模型干燥后先按現(xiàn)狀邊坡的形態(tài)開挖，而后的回采范圍和順序為：Ⅴ#和ⅤI#礦體在海拔1330 m以上的部分作為覆蓋層，不予開采；第1步回采海拔1300～1330 m之間的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第2步回采海拔1300 m～1330 m之間、60°壓礦線以上的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第3步回采海拔1200 m以上、（60～65）°壓礦線之間的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第 3步回采海拔 1200 m以上、（60～65）°壓礦線之間的 Ⅴ#和 ⅤI#礦體；第 4步回采海拔1200 m 以上、（65～70）°壓礦線之間的 Ⅴ#和 ⅤI#礦體；第5步回采海拔1300 m至露天坑地的ⅤIII#礦體；第6步回采海拔1250～1300 m至露天坑地的ⅤIII#礦體。模型開采方案布置如圖16所示。

圖16 試驗?zāi)Ｐ筒蓤鲩_挖方案

試驗結(jié)果顯示，Ⅴ#和ⅤI#礦體按70°移動角回采至1200 m后，短期內(nèi)邊坡巖體崩落對倮密路回頭彎處不產(chǎn)生影響；經(jīng)過一定時間的發(fā)展，其巖移變形范圍將包括倮密路回頭彎處；上盤巖體崩落顯現(xiàn)一定的突發(fā)性，符合反傾巖石邊坡破壞特征[28]；ⅤIII#礦體回采至1250 m時對露天邊坡穩(wěn)定性不產(chǎn)生明顯影響。第6步回采后模型中應(yīng)力變換情況見圖17。模型開挖與變形存在著一定的時間效應(yīng)。

圖17 模型在第6次開挖過程中的應(yīng)力場變化

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)狀邊坡具有一定的穩(wěn)定性，即露天采礦至 1300 m的條件下，露天邊坡具有穩(wěn)定性，坡頂倮密路的運行是安全的；

（2）FLAC3D、3DEC以及相似模擬試驗結(jié)果均顯示：回采 1200 m以上礦體，露天坑西北邊幫會發(fā)生變形破壞，且破壞范圍包含了坡頂倮密路回頭彎；

（3）受斷層 F317和 F316的阻隔作用影響，西北幫邊坡移動破壞局限在F317以東，對露天坑西側(cè)的倮密路段不構(gòu)成威脅；

（4）數(shù)值模擬和相似模型各具優(yōu)點，數(shù)值模擬可以給出數(shù)值上更為精確的巖體移動范圍和破壞程度，相似模擬試驗則可以顯現(xiàn)出反傾邊坡破壞特征和巖體移動破壞具有的時間效應(yīng)，這與現(xiàn)場實際情況較為吻合。