民采空區(qū)規(guī)模對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響分析

孫 亮,黨建印

(中鋁山西分公司孝義鋁礦, 山西孝義市 032303)

民采空區(qū)規(guī)模對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響分析

孫 亮,黨建印

(中鋁山西分公司孝義鋁礦, 山西孝義市 032303)

結(jié)合孝義鋁礦邊坡下伏民采空區(qū)分布特征,建立民采空區(qū)邊坡三維有限元模型,分析了民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡位移場(chǎng)、最大應(yīng)變、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡主應(yīng)力的影響非常顯著,民采空區(qū)規(guī)模越大,民采空區(qū)頂板拉應(yīng)力集中程度越高,民采空區(qū)和邊坡在外力擾動(dòng)下越容易發(fā)生破壞;民采空區(qū)規(guī)模越大,邊坡豎直方向位移越大,民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡最大主應(yīng)變的影響并不明顯。

邊坡穩(wěn)定性;采空區(qū);位移;應(yīng)力集中;數(shù)值模擬

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的強(qiáng)勁需求,原來不太引人注意的采空區(qū)殘存資源也日益受到世人關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),這部分資源量目前已占我國(guó)金屬資源總量的1/3,該部分資源將成為我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的重要接替資源。由于鋁土礦資源埋藏較淺,孝義鋁礦民采盜采盜挖現(xiàn)象十分嚴(yán)重,在保證邊坡穩(wěn)定和生產(chǎn)安全的前提下,最大限度地回收利用邊坡下伏民采空區(qū)殘存礦產(chǎn)資源成為亟待解決的難題。

民采空區(qū)的規(guī)模、產(chǎn)狀走向、尺寸跨度、相對(duì)位置等要素直接影響露天礦山邊坡的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外關(guān)于此領(lǐng)域的研究主要涉及產(chǎn)狀走向、尺寸跨度、相對(duì)位置等要素,很少有學(xué)者開展民采空區(qū)規(guī)模大小對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,同時(shí),在分析時(shí),僅僅將民采空區(qū)問題簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問題,忽略了民采空區(qū)和邊坡的三維力學(xué)效應(yīng),分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際尚有一定的差距,指導(dǎo)性不強(qiáng)。

因此,結(jié)合孝義鋁礦邊坡下伏民采空分布特征,建立民采空區(qū)邊坡三維有限元數(shù)值模型,研究民采空區(qū)規(guī)模對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)保障該部分殘存資源開采過程的安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 孝義鋁礦邊坡下伏民采空區(qū)分布調(diào)查

孝義鋁礦邊坡下伏民采空區(qū)的存在使礦體完整性遭到嚴(yán)重破壞,給礦山正常生產(chǎn)帶來前所未有的挑戰(zhàn),同時(shí)導(dǎo)致一系列環(huán)境地質(zhì)問題,見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)揭露的民采空區(qū)來看,孝義鋁礦邊坡下伏民采空區(qū)的分布特征如下。

(1)主要呈條狀分布在礦產(chǎn)層,空區(qū)高度不超過礦體厚度。

(2)采用不正規(guī)全面采礦法開采,為節(jié)約成本,一般無支護(hù)設(shè)施,依靠空區(qū)圍巖自身調(diào)整應(yīng)力分布,維持平衡狀態(tài)。

(3)空間形態(tài)各異,規(guī)模大小不一,空區(qū)跨度不超過10 m,長(zhǎng)度不超過100 m。

(4)空區(qū)走向與邊坡走向存在3種位置關(guān)系:空區(qū)走向與邊坡走向平行;空區(qū)走向與邊坡走向斜交;空區(qū)走向與邊坡走向垂直。

2 數(shù)值模型的建立

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和礦山地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)邊坡體的地質(zhì)條件,實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡三維地質(zhì)模型的建立和數(shù)值計(jì)算,具體步驟如下:

(1)根據(jù)露天礦邊坡的開采設(shè)計(jì)CAD圖,導(dǎo)入3DMINE礦業(yè)工程軟件,選取分析范圍,提取范圍內(nèi)相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo),包括邊坡表面地形地貌、巖層分層界面等;

(2)根據(jù)選好的關(guān)鍵點(diǎn),利用SUFER繪圖軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行插值,生成與礦山地形及巖層分層情況相吻合的3D表面模型;

(3)通過編寫FISH應(yīng)用程序代碼,導(dǎo)入FLAC3D軟件,自動(dòng)轉(zhuǎn)換成構(gòu)筑模型的整體功能信息,再導(dǎo)入有限元軟件ANSYS,建立分析范圍內(nèi)的地質(zhì)體模型;

(4)在ANSYS中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,施加邊界約束和重力荷載,研究民采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

主要分析自重作用下,民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,模型分析范圍為280 m×260 m,最高標(biāo)高為1210 m,最低標(biāo)高為1142 m,邊坡高度為48 m,巖層傾角與礦體傾角一致,為5°,各巖層巖體力學(xué)參數(shù)見表1。每級(jí)臺(tái)階高度均為12 m,第1級(jí)臺(tái)階的階段邊坡角為45°,第2～4級(jí)臺(tái)階的階段邊坡角為65°,總的邊坡角為42.7°。

民采空區(qū)的存在形成了新的變形空間,造成的邊坡整體變形趨勢(shì)可能會(huì)導(dǎo)致邊坡向不利于穩(wěn)定的方向發(fā)展。為了分析民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響,建立了4種走向相同(與邊坡走向斜交)、規(guī)模(體積)不同的民采空區(qū)模型來研究邊坡變形位移和應(yīng)力的變化。圖1為4種不同規(guī)模的民采空區(qū)模型,為便于分析計(jì)算,民采空區(qū)空間形態(tài)為長(zhǎng)方體,高度統(tǒng)一為2.5 m,通過改變民采空區(qū)跨度和長(zhǎng)度來體現(xiàn)民采空區(qū)體積的變化。

表1 計(jì)算模型巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 4種不同規(guī)模的民采空區(qū)模型

民采空區(qū)體積計(jì)算依據(jù)長(zhǎng)方體體積計(jì)算公式,其參數(shù)見表2。

采用六面體單元solid95對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分的單元數(shù)為37544個(gè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,在模型X、Y方向的邊界面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行位移約束,底面節(jié)點(diǎn)施加X、Y、Z 3個(gè)方向位移約束。計(jì)算過程中,只考慮邊坡在自重作用下的穩(wěn)定性,因此,在Z方向施加反向重力加速度。選擇ANSYS結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析,設(shè)置大變形進(jìn)行求解計(jì)算。

3 自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

無民采空區(qū)時(shí),邊坡X方向和Y方向最大水平位移分別為1.0128 cm和0.982 cm,發(fā)生在邊坡上部的黃土層,Z方向最大垂直位移為-5.8669 cm,發(fā)生在坡頂;邊坡最大主應(yīng)變?yōu)?.001974,發(fā)生在邊坡上部黃土層且為正值,表示黃土層受到拉應(yīng)力的作用,邊坡下部巖體由于變形模量較大,產(chǎn)生的最大主應(yīng)變較小。邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布為:邊坡體表面覆蓋層出現(xiàn)拉應(yīng)力(受壓為負(fù),受拉為正),最大值約為0.099 MPa,邊坡表層黃土可能出現(xiàn)微小拉裂紋;最大拉應(yīng)力為0.474 MPa,出現(xiàn)在邊坡坡腳部位;邊坡下部巖體處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力為1.95 MPa,出現(xiàn)在邊坡底部后緣。對(duì)比邊坡巖體力學(xué)參數(shù),邊坡位移和最大主應(yīng)變較小,最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均處在極限強(qiáng)度范圍內(nèi),邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)值計(jì)算表明,當(dāng)邊坡處于自然狀態(tài)條件下,X和Y方向最大水平位移分別為1.02×10-2m和9.93×10-3m,位移變形主要發(fā)生部位為上部的山西綿黃土層;Z方向的垂直最大位移為-5.87-2m,位移發(fā)展區(qū)主要在邊坡的頂部;邊坡最大主應(yīng)變?yōu)?.974×10-3MPa,發(fā)生在邊坡上部黃土層且為正值,表示黃土層受到拉應(yīng)力的作用,邊坡下部巖體由于變形模量較大,產(chǎn)生的最大主應(yīng)變較小。

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算表明,模型表面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū),最大峰值約為9.9×10-2MPa,微小拉裂紋出現(xiàn)在山西綿黃土層;邊坡坡腳部位也出現(xiàn)次生拉應(yīng)力集中區(qū),最大峰值約為4.74×10-2MPa;邊坡底部后緣同時(shí)出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū),最大壓應(yīng)力為1.95 MPa。綜合分析表明,邊坡變形的位移、最大主應(yīng)變、最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力等參數(shù)均處于安全范圍內(nèi),邊坡處于自然平衡狀態(tài)。

4 民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 位移和最大主應(yīng)變的影響

民采空區(qū)存在條件下,邊坡各軸向位移和最大主應(yīng)變隨空區(qū)規(guī)模變化的曲線如圖2～圖5所示。對(duì)比無民采空區(qū)邊坡的情況,不同規(guī)模民采空區(qū)的存在,均使邊坡各個(gè)方向的位移有所增加。民采空區(qū)體積越大,邊坡Z方向位移越大,當(dāng)民采空區(qū)體積為1050 m3時(shí),邊坡Z方向位移最大為5.8684 cm,至上而下位移呈遞減規(guī)律。同時(shí),4種規(guī)模的民采空區(qū)均使邊坡最大主應(yīng)變降低,且降低幅度基本相同,即民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡最大主應(yīng)變的影響并不明顯。

圖2 X方向最大位移變化曲線

圖3 Y方向最大位移變化曲線

由此可見,民采空區(qū)規(guī)模對(duì)坡體位移產(chǎn)生一定影響,但影響不大,不同規(guī)模民采空區(qū)的存在沒有改變坡體位移的整體分布規(guī)律,究其原因主要是民采空區(qū)所造成坡體位移的改變?nèi)Q于重力載荷、巖體力學(xué)特性以及采空區(qū)規(guī)模,該邊坡的巖體變形模量較高,而民采空區(qū)范圍相對(duì)于坡體的實(shí)際尺寸而言較小,尚不足以對(duì)坡體位移產(chǎn)生很大改變。

圖4 Z方向最大位移變化曲線

圖5 最大主應(yīng)變變化曲線

由此可見,目前孝義鋁礦不同規(guī)模的民采空區(qū)沒有從根本上改變坡體位移場(chǎng)的整體分布,對(duì)坡體位移的影響尚處于可控狀態(tài),邊坡總體上處于安全狀態(tài)。如果民采空區(qū)的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,需進(jìn)一步分析。

4.2 最大、最小主應(yīng)力的影響

民采空區(qū)規(guī)模不同時(shí),邊坡主應(yīng)力數(shù)值分布如圖6和圖7所示。

圖6 最大主應(yīng)力變化曲線

圖7 最小主應(yīng)力變化曲線

由圖6、圖7可知,民采空區(qū)規(guī)模對(duì)邊坡主應(yīng)力的影響非常顯著。邊坡最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力,出現(xiàn)在民采空區(qū)頂板,民采空區(qū)規(guī)模越大,民采空區(qū)頂板拉應(yīng)力集中程度越高,民采空區(qū)和邊坡在外力擾動(dòng)下越容易發(fā)生破壞:當(dāng)民采空區(qū)體積為500 m3時(shí),頂板最大拉應(yīng)力為0.603 MPa,當(dāng)民采空區(qū)體積為600 m3時(shí),頂板最大拉應(yīng)力為0.632 MPa,當(dāng)民采空區(qū)體積為750 m3時(shí),頂板最大拉應(yīng)力為0.965 MPa,當(dāng)民采空區(qū)體積為1050 m3時(shí),頂板最大拉應(yīng)力為0.991 MPa;邊坡最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力,出現(xiàn)在邊坡底座后緣,且隨著民采空區(qū)規(guī)模的增大而增加,當(dāng)民采空區(qū)體積為1050 m3時(shí),最大壓應(yīng)力為5.64 MPa。最大、最小主應(yīng)力隨空區(qū)規(guī)模的變化趨勢(shì)一致。

拉應(yīng)力集中的范圍主要在空區(qū)圍巖附近,沒有大范圍增加,且拉應(yīng)力值最大不超過1 MPa,小于鋁土礦石的極限抗拉強(qiáng)度,而最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于巖體抗壓強(qiáng)度,邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

民采空區(qū)規(guī)模是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一,根據(jù)孝義鋁礦邊坡下伏民采空區(qū)分布特征,建立民采空區(qū)邊坡三維數(shù)值模型并進(jìn)行有限元計(jì)算,得出如下結(jié)論:

(1)民采空區(qū)規(guī)模越大,邊坡Z方向位移越大, 4種規(guī)模的民采空區(qū)均使邊坡最大主應(yīng)變降低,降低幅度趨勢(shì)基本相同;

(2)民采空區(qū)規(guī)模越大,頂板拉應(yīng)力的集中程度越高。

[1]孟耀偉,程菊明,田勝利.地質(zhì)體三維實(shí)體建模的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[J].2011,31(2):64-66.

[2]郝文化,肖新標(biāo).ANSYS 7.0實(shí)例分析與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3]李皓月,周田朋.ANSYS工程計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

2012-06-11)

孫 亮(1971-),男,山西交城人,工程師,主要從事采礦技術(shù)及管理工作,Email:xylksl@163.com。