眼前山露天礦轉地下開采邊坡大變形模式數值模擬*

常來山 李 欣 牛文杰

(1.遼寧科技大學礦業工程學院;2.鞍鋼集團礦業公司)

露天采礦以成本低、生產能力大、安全性好等優點而被廣泛采用，為追求投資收益的最大化，一般采用分期開采方式。但露天采場達到一定深度后，下一分期繼續采用露天采礦方式會面臨諸多的問題，如剝采比增加、初期投資過大、過渡期太長、運距大幅增加、效益指標惡化、排土場容積不足及環保問題制約等，而地下采礦設備及技術的大幅進步，已擺脫了生產能力小、采礦成本過高、安全性較差的制約，因此由露天轉入地下開采變成一種非常合理的選擇［1-2］，特別是由于環境保護的需要目前已經成為一種趨勢。露天轉地下開采會帶來一系列新的問題有待于研究解決，其中地下開采過程中露天礦邊坡巖體變形破壞模式、范圍等的預測分析即是一個重要課題［3］，變形破壞是必然的，但突然的整體破壞可能會造成災難性的后果［4］，本研究基于FLAC的大變形模式對鞍鋼眼前山鐵礦露天轉地下開采后的邊坡巖體變形破壞演變過程進行了模擬分析，以期對礦山的安全生產有一定的指導作用。

1 工程概況

眼前山鐵礦始建于1960年8月，設計采用露天方式開采，1994年執行2期擴建設計，設計規模為250萬t/a，采場長1 410 m，寬570～710 m，封閉圈標高93 m，臺階高度12 m，境界邊坡3并段為3 6m，底標高－195 m，后因邊坡問題調整至－183 m水平。南幫邊坡主要由混合巖組成，節理發育，為硬巖碎裂型結構巖體，北幫為綠泥千枚巖和碳質千枚巖，表現為軟巖的特性，屬反傾薄層狀結構巖體，局部為散體結構。露天開采過程中邊坡發生過多次變形破壞，巖石物理力學參數如表1所示。2期露天開采結束后轉入地下開采，采礦方法為無底柱分段崩落法，露天坑底人為形成40 m厚松散覆蓋巖層。

表1 巖石物理力學參數

2 邊坡大變形FLAC模擬

2.1 建立采場巖體FLAC網格模型

根據眼前山鐵礦露天采礦境界圖及相應資料，以Y4200剖面(如圖1)建立FLAC邊坡模型，邊坡北幫坡頂標高155 m，南幫坡頂標高100 m，坡底標高－183 m，地下模擬開挖階段高度為180 m。為了減少開挖模擬時模型邊界條件的約束對模型計算結果的影響，模型取長1 800 m，高度600 m。根據剖面形狀劃分網格形成FLAC數值計算模型。

圖1 Y4200剖面圖

2.2 露天邊坡初始應力場計算

首先按原始地貌進行自重應力場的計算，然后模擬露天開采，形成地下開采的初始應力場，位移場與速度場置零，置為大變形模式，為地下開采模擬做好準備。

2.3 地下開采模擬方式

眼前山鐵礦地下開采設計方案采用無底柱分段崩落法，階段高為180 m，分段高18 m。露天開采轉入地下開采的過渡期內－183 m形成40 m厚的松散巖石覆蓋層，并進行邊坡殘留礦體的開采，由于松散覆蓋層對邊坡的變性影響較小，模擬中近似地視為被開挖掉。地下開采模擬從－229 m水平開始，然后按18 m向下依次開挖各分段:－229、－247、－265、－283、－301 m等。

2.4 地下開采模擬結果與分析

圖2～圖6為5個分段開采后的邊坡巖體塑性區圖和大變形滑移后的形態。對于南幫邊坡巖體，模擬開采到－301 m時，因其強度較高，并未出現大變形的整體滑移，僅在露采中下部邊坡表面和地下采場附近的巖體中，表現為開挖瞬間單元進入塑性狀態;而后隨著應力調整又重回彈性狀態的現象，地下開采造成巖體松動變形而形成滾石至巖石松散覆蓋層，是無底柱分段崩落法采礦的正常現象。對于北幫邊坡巖體，第1分段－229 m開采后，不僅出現大量單元開挖瞬間進入塑性狀態而后又調整回彈性狀態的現象，采場巖體中也出現了傾斜的剪切破壞帶，向上延伸至－100 m水平，傾角54°，厚31.8 m。隨著開采剪切破壞帶向上延伸，在開采至－249 m時延伸至邊坡表面+70 m水平形成滑體，開始向下滑動。開采至－265 m水平時，滑體發展至+100 m水平左右。開采至－283 m水平時滑體向內發展變厚，向上延展至地表坡頂處，邊坡面臺階明顯下沉，FLAC網格出現變形，坡面附近節點呈現大變形形態。開采至－301 m時，北幫邊坡變成1個大的傾斜坡面由露天采場總體邊坡角40°降為38°，臺階基本上全部滑落，個別臺階平臺已完全消失，滑面傾角51°，地表寬77 m。由于北幫巖體為破碎的軟巖，實際的變形破壞過程應為地下采動影響下的逐漸剝落，補充給松散巖石覆蓋層，不會形成突然快速的滑坡，對地下開采的安全影響不大，但大量小顆粒碎石補充至巖石覆蓋層，對控制損失貧化指標不利。

圖2 開挖至－229 m的塑性區及邊坡形態

圖3 開挖至－247 m的塑性區及邊坡形態

3 結論

(1)露天轉地下開采將引起邊坡巖體的較大變形和滑動，采用FLAC方法的大變形模式來模擬是可行的，可以得出一些較有意義的結論。

圖4 開挖至－265 m的塑性區及邊坡形態

圖5 開挖至－283 m的塑性區及邊坡形態

圖6 開挖至－301 m的塑性區及邊坡形態

(2)眼前山鐵礦在轉入地下開采的過程中，開挖模擬顯示北幫軟巖邊坡易產生大量滑落，但一般不會形成突然快速的滑坡，對地下開采的安全影響不大，但大量小顆粒碎石補充巖石覆蓋層，對控制損失貧化指標不利。

(3)眼前山鐵礦南幫硬巖邊坡巖體，模擬顯示開采初期并未出現大變形和整體滑移，深部開采應進一步關注。

(4)在礦山實際開采中，應加強邊坡巖移監測，采取預防措施，防患于未然，保證生產的安全。

［1］ 史秀志，黃剛海，張 舒，等.基于FLAC3D的復雜條件下露天轉地下開采空區圍巖變形及破壞特征［J］.中南大學學報:自然科學版，2011，42(6):1710-1718.

［2］ 韓現民，李占金，甘德清.露天轉地下礦山邊坡穩定性數值模擬與敏感度分析［J］.金屬礦山，2007(6):8-12.

［3］ 葛勇勇，張紅兵，趙洪寶，等.井工開采對露天礦邊幫穩定性影響研究［J］.金屬礦山，2013(2):32-35.

［4］ 劉占衛，王 健，李述濤.金山礦業露天轉地下開采技術分析［J］金屬礦山，2013(2):42-45.