三友石礦露天轉地下開采邊坡穩定性研究

張亞賓,王鑫,艾蕊,李宜楊,黃琛瀧

(1. 華北理工大學 礦業工程學院,河北 唐山 063210;2. 河北省礦業開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山 063210)

引言

石礦本身價值比較低,在原有市場經濟條件下不適于地下開采,但是近年來隨著綠色開采的推進,一些小型石礦紛紛關閉,導致現今石材價格升高,逐漸使石礦具備了地下開采的可能[1,2,3]。為了實現平穩過渡不停產,露天邊坡的穩定性至關重要。許多學者利用相似模擬和數值模擬等方法對露天轉地下開采的邊坡穩定性問題進行了研究和探討。周瑞龍[4]等對露天轉地開采后礦山高邊坡穩定性進行了研究,通過有限元數值模擬方法驗證了石人溝鐵礦露天轉地下開采礦山高邊坡整體是穩定的。姚俊輝[5]等為探究露天轉地下開采空區破壞特征和邊坡穩定性影響,對某鐵礦露天轉地下無底柱分段崩落法開采進行FLAC3D數值模擬,分析了露天轉地下開采過程中地壓活動規律及邊坡穩定性,得出回采過程中空區圍巖和空區的破壞狀況以及回采過程中邊坡安全系高。孫世國[6]等通過模擬了3種條件下地下開采對邊坡穩定性的影響機制,得出了3種條件下露天轉地下采區的穩定狀態。肖林京[7]等結合工程實例和數值模擬對采用無底柱分段崩落法礦體露天轉地下開采進行了研究,分析了開采礦房深度增加引起上部邊坡的受力及位移變化和采空區充填對邊坡穩定性的影響,并得出合理的開采方案。王孟來[8]等采用相似模擬和FLAC3D數值模擬的方法對坡高300m礦山在不同開采階段位移變化特征等進行了對比研究,沉降結果基本一致。黃波[9]等通過高陡邊坡監測系統對礦山露天轉地下過程中的邊坡應力和位移進行監測,分析其變化規律,在復合采動下邊坡巖體破壞機制更加復雜,為在露天轉地下復合采動影響下邊坡滑移預測提供關鍵理論支撐。王云飛[10]等針對露天轉地下開采過程中地下開采對露天邊坡變形破壞問題進行了三維數值模擬,分析了地下礦體開采過程中邊坡巖體的變形和應力變化,不同標高處邊坡巖體的豎向位移有所區別,開采對礦體上盤圍巖影響更大,上盤邊坡巖體最大主應力隨深度增加而增加。以唐山三友集團三友石礦露天轉地下開采為研究背景,采用相似模擬實驗法觀測、分析模型在地下開采過程中的邊坡及圍巖的位移和應力變化,從而對開采過程中造成的邊坡及圍巖穩定性問題進行探究。

1 工程背景

唐山三友集團有限公司三友石礦位于唐山市北東20公里處的開平盆地西北處,交通便利,自建成已露天開采30年。根據礦區天然條件將礦區自東向西分為一、二、三采區,礦體總體呈北東向層狀分布。礦區內含多條斷層,二礦區目前已經開采至+16 m水平,擬進行露天轉地下開采,邊坡下的Ⅴ號礦體8#勘探線(如圖1)剖面南北長525 m,深345 m。礦區地質復雜,由于受斷層的影響,礦體被切割并發生位移,就露天礦整體而言,由南至北依次由含泥灰質白云巖、豹皮狀白云質灰巖、含泥質灰巖和白云質灰巖組成,且南幫礦體強度高于北幫。礦區內斷層多南北走向,地面裂縫、塌陷明顯,露天部分由于多年開采形成了高陡的邊坡,北幫邊坡標高+188 m,南幫+82 m,如果繼續采用露天開采不僅會增大礦山剝采比降低經濟效益,也會出現一系列的安全問題,影響礦山安全生產,所以計劃在原有露天坑底穿孔爆破,以地下出礦的方式進行露天轉地下開采。地下開采過程中,露天邊坡產生的變形破壞將直接影響地下開采的安全,因此針對地下開采對邊坡穩定性問題影響的研究是十分有必要的。

圖1 8#勘探線剖面分布圖

2 實驗方案

2.1 相似材料配比選定

利用相似模擬實驗可以認識和探討地壓規律,并在實驗室利用人工材料制備出與天然巖石物理力學性質相似的模型。根據實驗目的,實驗模型滿足相似三大定律條件,與原型物理參數相似,最終確定模型幾何相似常數αL=200,容重相似比αγ=1.47。實驗需要相似材料滿足密度為1.8 g/cm3、抗壓強度為0.1 MPa要求,最終選定如表1所示相似材料的強度及配比方式。

表1 選定材料強度及配比

2.2 監測點布置及開挖方案設計

按照礦山實際原型,制作尺寸長2.3 m,高1.5 m的實驗模型,接著在模型中模擬采場開挖工作。在砌筑模型過程中埋設應變片,以便對模型內部進行監測,設置非接觸全場應變與應變儀監測點相對應,綜合考慮布置監測點的因素,布置如圖2所示監測點。

圖2 應變儀測點布置圖

監測點布置完畢即對模型進行回采,分四步模擬實際開采工作,每次向下開采65 mm、即實際依次向下開采至-2 m、-17 m、-32 m、-47 m,每步開采15 m,共60 m,模型每次向前掘進40 mm,即實際掘進8 m。整個模擬開采全程使用全場應變儀和靜態應變分析系統進行監測。圖中10、12、13號測點分別為礦體南幫邊坡的+74 m、+60 m、+10 m水平測點,1、4、6、8、9號測點分別為礦體北幫邊坡的+163 m、+94 m、+48 m、+10 m、+6 m水平測點。

3 結果分析

3.1 邊坡位移變化分析

通過非接觸式全場應變儀對開采過程中的位移變化進行監測,南幫邊坡和北幫邊坡的水平、豎直位移隨開采步序的變化如圖3、圖4所示,10～13測點和1～8測點分別為南北幫邊坡測點。

圖3 南、北幫邊坡水平位移與開采次序的關系曲線

圖4 南、北幫邊坡豎向位移與開采次序關系曲線

觀察圖3可知,第一次開采完成,南北幫邊坡位移變化均較小,在第二次開采完成后水平位移量均增大,由于北幫邊坡過高對礦體形成的擠壓現象更明顯,在之后北幫監測點的水平位移量隨開采次序的增加呈線性增長,且北幫邊坡原露天礦坡腳位置的測點8產生的位移增量最大為0.23 mm(折合實際位移為46 mm);南幫邊坡第三次開采過程中即-17 m水平至-32 m水平時,邊坡位移出現輕微的回落,南幫邊坡水平位移在坡腳10測點位置達到最大值,即在第四步開采完成,地下開采到-47 m水平時,水平位移最大值為0.18 mm(折合實際位移為36 mm)。南幫坡頂12、13測點和北幫坡頂1、2、3測點的水平位移在完整開采過程中變化較小,由此說明隨著地下開采的進行,開采擾動對礦山邊坡坡頂的水平位移影響最小,10測點和8測點分別取得南北幫邊坡水平位移的最大值,說明地下開采對礦山邊坡坡腳的水平位移影響最大。

觀察圖4可知,模型南、北幫邊坡都出現了位移沉降,且北幫大于南幫。南、北幫豎向位移量隨著開采的進行逐漸增大,第三次開采完成,豎向位移量突然增大,說明開采至-32 m水平此時地下開采擾動對邊坡影響突然增大。整個開采過程中邊坡豎向位移值都在不斷增大,且越接近坡頂的位置豎向位移量增速越大,南北幫邊坡豎向位移最大值分別出現在位于坡頂的13測點和1測點,南幫邊坡最大豎向位移值為0.27 mm(折合實際位移為54 mm),北幫為0.43 mm(折合實際位移為86 mm),礦體北幫大于南幫沉降值,由此可知地下開采對北幫邊坡的影響大于南幫邊坡。

3.2 圍巖位移變化分析

隨開采的進行,礦體周圍圍巖的水平和豎向位移也在發生變化,圖5(設置北幫到南幫的方向為X軸正方向)、圖6(設置豎直向上為Y軸正方向)分別為周邊圍巖各監測點的水平和豎向位移隨開采步序的變化曲線,圖中14～17測點為礦體上盤附近測點,18～21測點位于礦體下盤附近測點,各測點距礦體邊界的距離基本相等。

圖5 圍巖水平位移與開采次序關系曲線

圖6 圍巖豎向位移與開采次序關系曲線

觀察圖5可知,隨開采步序的進行,礦體周圍圍巖的水平位移先逐步增加,隨后快速增加,最后又趨于緩慢增長趨勢,說明在開采至某一水平時,圍巖的水平方向出現較大位移形變,之后恢復到緩慢增加的狀態。第一次開采完成,各測點位移變化微小,第二次開挖完成后,14測點和21測點水平位移出現較大變化,第三次開挖完成,15測點和20測點水平位移出現較大變化,分析可知是由于相近水平礦體開挖擾動引起上下盤圍巖出現相似的增長趨勢,上下盤水平位移值出現在14測點和21測點,且上盤14測點的位移值略大于下盤21測點,上盤圍巖的水平位移量大于下盤。開采引起上盤14測點即北幫邊坡坡底處的位移值為0.2 mm(折合實際位移為41 mm),由此可見,高陡的邊坡和坡底巖石穩固性較低導致北幫邊坡水平位移較大,南幫邊坡水平較低,圍巖穩定性相對較好。不同深度圍巖的水平位移有所變化,隨著深度增加變化越來越小,可知開采對于淺層圍巖影響比深層更加顯著。

由圖6可知,隨著開采步序增加礦體上下盤圍巖豎向位移逐漸增加,且礦體上盤沉降值大于下盤。在第四次開采結束,位于礦體上盤圍巖的14測點出現最大位移沉降值0.28 mm(折合實際位移為56 mm),17測點取得上盤最小位移沉降值為0.18 mm(折合實際位移為36 mm)。位于礦體下盤圍巖的21測點出現最大位移沉降值為0.17 mm(折合實際位移為34 mm),19測點取得下盤最小位移沉降值為0.1 mm(折合實際位移為20 mm)。14測點與21測點同處于15 m水平屬于淺部圍巖,17測點與19測點同處于-47 m水平圍巖,由此可知,地下開采對淺部圍巖的影響大于深部。對于同水平的上盤圍巖豎向位移均大于下盤圍巖,可知下盤圍巖的穩固性更好。

3.3 應力變化分析

通過靜態應變儀埋設應變片的方式,對開采過程中的南北幫邊坡及個水平的最大主應力變化進行監測,統計好主要監測點的信息并繪制應力變化曲線圖。南北幫邊坡主要監測點應力變化如圖7所示。

圖7 邊坡典型監測點應力變化曲線

圖7中10～13測點和1～9測點分別為南北幫邊坡測點。隨著地下開采的逐步進行,南、北幫邊坡的最大主應力變化較小。縱觀南幫邊坡測點,整體應力值變化隨著開采深度增加呈減小狀態。第四步開采完成,南幫邊坡13測點即坡頂應力值最小,10測點即坡底應力值最大為1.49 kPa(折合實際應力為480 kPa), 北幫邊坡位于+48 m水平的6測點受地下開采影響最大,最大應力值為1.76 kPa(折合實際應力為580 kPa)。最小應力值為位于邊坡坡腳位置+6 m水平的8測點和9測點。由此可知北幫邊坡測點應力值隨著地下開采深度的增加,呈先增大后緩慢減少的趨勢,在北幫邊坡的+48 m位置應力集中區域分布。

通過觀察主應變分布云圖可以知道主應力的分布規律。觀察圖8可知,采區周圍應變值有所變化,開采后臨空面的應變值最大,暴露的礦體邊界應變值向內部逐漸減弱。應變值隨開采次數的增加而增大,最大主應變區域沿開采區規律分布。第一次開采完成即-2 m的水平時,此時巖體沒有發生剪切破壞,第二次開采完成即-17 m水平時,北幫出現了拉破壞,第三次開采完成即-37 m的水平時,相比第二次的開采北幫底部的拉破壞區域有明顯擴展,第四次開采完成即地下開采至-47 m水平時,北幫邊坡坡底巖石出現明顯的破壞。前兩次開采對圍巖應力變化影響較小,后續開采對采空區底部圍巖影響較大且應力集中明顯,北部圍巖應力狀態整體大于南部,即地下開采對礦體上盤影響較下盤更顯著。應變分布規律與應力分布規律吻合。

圖8 最大主應變分布云圖

4 結論

(1)地下開采引起邊坡形變,在露天轉地下開采的過程中,隨著開采深度增加,采場邊坡的位移隨之增加,水平位移從坡頂到開采中心位置逐漸增大,由于北幫邊坡水平位置相較南方高,對坡底擠壓效果更為嚴重,當地下開采至-47 m水平時,南北邊坡坡腳水平位移值達均到最大,且北幫邊坡水平位移大于南幫邊坡。

(2)南北幫邊坡沉降值隨高程增加而增加,最大沉降值出現在邊坡的坡頂位置,且北幫大于南幫,南幫54 mm,北幫為86 mm,因此地下開采對北幫邊坡的影響較大。

(3)圍巖水平位移隨開采深度增加而增加減緩,當地下開采至某一水平,其對應水平的巖體出現明顯形變,地下開采對淺層較深層影響更為顯著,對于同水平的上盤圍巖豎向位移均大于下盤圍巖,地下開采對礦體上盤的影響大于下盤。

(4)受地下開采影響南北幫邊坡的最大應力值出現在不同位置,南幫邊坡出現在邊坡的坡腳位置,應力值為480 kPa。北幫邊坡應力最大為+48 m水平,其應力值為580 kPa。