露天轉地下開采對露采邊坡穩定性影響分析

康永紅，陳 峰，武尚榮，和德明

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山鋁業有限公司， 云南 文山 663099)

應用研究·黑色礦山·

露天轉地下開采對露采邊坡穩定性影響分析

康永紅1，陳 峰1，武尚榮1，和德明2

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山鋁業有限公司， 云南 文山 663099)

露采邊坡和隔離礦柱穩定性分析是露天轉地下礦山經常面臨的問題，對于金屬礦山地下開采安全生產極其重要。根據陽雀箐釩鈦磁鐵礦礦段隔離礦柱的厚度以及邊坡工程地質條件，采用有限元數值軟件對礦山3個階段的礦體回采進行了模擬，結果表明：露采邊坡在地下開采期間均處于穩定狀態。驗證了隔離礦柱已確定厚度的合理性，為該礦體安全高效回采提供了理論依據和技術指導。

地下開采； 露采； 穩定性； 隔離礦柱

1 前言

隨著礦山露天開采深度的增加, 露天設計布置越來越不適應礦山生產要求，需要轉入地下開采，露天礦境界內地下采空區頂板上方的隔離礦柱是露天邊坡自重應力順利傳遞的關鍵通道。通過留設隔離礦柱可以使露天與地下開采同時進行，保證在露天轉地下開采過程中，開采礦量保持穩定和通風系統正常運行，但是隔離礦柱的留設也會給地下開采的安全帶來隱患[1]。因此，必須對將要確定的隔離礦柱及露采邊坡的穩定性進行預先分析。

2 工程地質概況

陽雀箐釩鈦磁鐵礦床產于海西早期基性—超基性巖體中。含礦巖體北起白草礦山南界，南至王家屋基，東起雖都古附近F25斷裂，西到莎莎其果、陽雀箐溝一帶。

由于受海西晚期玄武巖噴溢影響和吞蝕，含礦巖體在礦區出露者為吞蝕后殘余部分，其周圍和頂、底板均為玄武巖，含礦巖體呈一南北走向的帶狀俘虜巖體，如同“孤島狀”分布在玄武巖中。

這一不完整的含礦巖體，依據其巖石及組合特征與相鄰礦區(紅格、安寧村)對比，仍具有保留不全的分異和韻律特點，可劃分出上部輝長巖相帶和下部輝石巖相帶，該礦床的釩鈦磁鐵礦體均賦存于兩個不同巖相帶中，礦體和夾石層互為厚度不等的夾層，重復交替，因巖相不同而構成上、下兩個含礦層，由下而上依次編號為Ⅰ含礦層和Ⅱ含礦層，將其分別敘述如下。

Ⅰ含礦層的巖相為輝石巖相帶，巖石種類較多，從上而下有含長輝石巖、輝石巖、含橄輝石巖、橄輝巖，局部有輝橄巖和橄欖巖，均為超基性巖，巖石基性程度高。

Ⅱ含礦層位于含礦巖體之中上部的輝長巖相帶，底部與Ⅰ含礦層頂部為過渡接觸關系，圍巖頂板為晚二疊系玄武巖，與含礦巖體之頂部為超覆侵入不整合接觸關系，在Ⅱ含礦層頂部構成巖體頂板圍巖，其接觸面向西傾斜，傾角陡緩不一，在22°～75°之間。Ⅱ含礦層中礦體和夾石層均傾向西，傾角為26°～52°。與頂板接觸面為同傾向，傾角為30°～70°

含礦巖體的頂板主要由玄武巖組成，一部分已被風化剝蝕掉。頂板玄武巖一般處于巖體淺部的風化帶中，為強—中等風化程度，呈黃褐—褐灰色，光澤暗淡，巖質松軟，力學強度較低(抗壓強度40～400kg/cm2，抗剪強度約20～200kg/cm2，內摩擦角20°～50°)。由于玄武巖的柱狀節理及風化裂隙都很發育，巖石被切割破壞成大小不等的塊體，鉆孔中巖石很破碎，多呈碎塊狀及砂礫狀，從而降低了巖石的堅固性與穩定性。

礦體底板巖石及邊界圍巖都主要為玄武巖，絕大部分為新鮮巖石，黑色，微細粒結構，塊狀、氣孔狀、杏仁狀構造。巖質堅硬，力學強度較高(抗壓強度800～1 600kg/cm2，抗剪強度約80～300kg/cm2，內摩擦角75°～85°)。裂隙不發育，巖石較完整，堅固性與穩定性較好(風化破碎者除外)。

本次計算所采用的礦巖體數據均在試驗數據的基礎上通過大量的試算和經驗折減，計算模擬中所采用的計算參數見表1。

表1 巖體物理力學參數取值表

3 礦體回采對露采邊坡的模擬分析

3.1 計算模型的建立

本次計算模擬采用三維有限元方法，模擬過程力求能反映開采的實際情況。為了滿足計算精度和計算過程的運算速度，根據該礦礦體的實際形態，結合巖石力學相關理論，模型長×寬×高為2 000m×1 300m×900m，即沿礦體走向取2 000m，垂直礦體走向取1 300m，沿鉛垂方向取900m，共計33 472個節點，284 353個網格單元；選用Mohr- Coulomb本構模型，單元網格劃分及計算機地質體模型圖分別見圖1和2所示。

圖1 三維有限元計算模型

圖2 礦體與圍巖相互位置剖面圖

3.2 計算方案

本次計算模擬采用與現場施工完全一致的順序進行回采。第一步：回采露天部分，形成現狀邊坡；第二步：開采一期工程標高1 750～1 780m之間礦體；第三步：回采1 750m以下二期工程。

3.3 露天礦體回采后邊坡穩定性分析

從模擬結果應力、安全系數及塑性區分布圖3、圖4和圖5可以看出，露天邊坡形成后整體最大主應力為21.46MPa,，整個臺階回采過程沒有出現拉應力；邊坡的安全系數為2.3，遠遠大于臨界狀態；而在臺階開采后邊坡只在局部出現零星的塑性區，不會構成安全隱患。說明在下部礦體沒被擾動的情況下，邊坡的形成對整體結構沒有較大影響，此時的邊坡整體是穩定的。

圖3 露采邊坡形成后邊坡最大主應力分布圖

圖4 露采邊坡形成后邊坡安全系數分布圖

圖5 露采邊坡形成后邊坡塑性區分布圖

3.4 一期回采結束后邊坡整體穩定性分析

從模擬的安全系數及塑性區分布圖6、圖7和圖8可以看出，在一期工程回采結束后，主應力為21.27MPa,變化不明顯，回采過程也沒有出現拉應力；在此過程中，隨著下部礦體開采范圍的擴大，安全系數也明顯下降，邊坡安全系數從露采期后的2.3降至1.38，但此時的安全系數仍遠遠大于臨界狀態，邊坡整體仍然處于穩定狀態，此步驟的開采也使局部塑性區有所加大，但范圍僅局限在開采體附近、邊坡底部及邊坡的兩端，整體沒有出現塑性區連片的情況，所以此時的邊坡仍然是穩定的。

圖6 一期工程回采后邊坡整體最大主應力分布圖

圖7 一期工程回采后邊坡整體安全系數分布圖

圖8 一期工程回采后邊坡整體塑性區分布圖

3.5 1 750m以下二期工程回采結束后邊坡整體穩定性分析

圖9 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體最大主應力分布圖

從應力、安全系數及塑性區的模擬結果分布圖9、圖10和圖11可以看出，在二期工程開采結束后，由于暴露面積和高度都有所加大，整體最大主應力由之前的21MPa增加到22MPa，但回采過程拉應力未出現；隨著開采范圍和深度的逐漸加大，此時邊坡底部穩定系數降至1.11，已處于安全臨界狀態；此時邊坡底部也出現了連片的塑性區域，這與安全系數的變化也相吻合，由此可以說明，隨著二期工程的開采，邊坡坑底局部出現了較大的塑性變形，隔離礦柱應力進入屈服狀態。但由于露采轉地采有25m厚的隔離礦柱，邊坡穩定性相對較好，所以下部二期工程的開采可能會造成坑底區域出現塑性擾動變形區，邊坡整體相對處于極限平衡的暫時穩定狀態。

圖10 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體安全系數分布圖

圖11 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體塑性區分布圖

4 結論與建議

綜合以上分析，可得到如下結論。

(1)露采邊坡從露采到坑采二期過程中，邊坡整體始終處于穩定狀態。

(2)通過模擬結果得出：露采和地采之間的隔離礦柱厚度確定為30m具有一定的經濟性和安全性，但到二期開采期間30m高的隔離礦柱將處于極限平衡狀態，建議礦山要加強該處的監測。

(3)數值模擬分析結果表明，隔離礦柱發揮了最為關鍵的支撐和應力傳遞作用,分析確定和驗證了露天轉地下開采隔離礦柱的留設厚度，這樣就可保證露天轉地下開采工作的平穩過渡，為安全采礦提供了重要的指導和建設性的依據和建議。

[1] 李元輝,南世卿,等.露天轉地下境界礦柱穩定性研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(2): 278-283.

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[3] 陳文林,張永彬，等.露天轉地下境界礦柱穩定性評價[J].地下空間,2004,24(2):260-264.

[4] 王 軍.露天轉地下開采圍巖穩定性數值模擬分析[J].金屬礦山,2010,(1): 48-50.

[5] 許傳華,任青文.露天地下聯合開采合理保留層厚度研究[J].金屬礦山,2008,(7):12-14.

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[7] 楊宇江,李元輝，等.露天轉地下開采境界礦柱安全厚度穩定性分析[J].東北大學學報(自然科學版),2011,32(7):1032-1040.

Stability analysis of open-pit slope during the transition from open pit to underground mining

The stability of open-pit slope and isolated pillar is the common problem during the transition from open pit to underground mining, and it is very important for the safe production of metallic mine. According to the thickness of isolated pillar and the slope engineering geological condition of Yangqueqing mine, the FEM program was adopted to simulate three stages orebody mining. The result showed that the open-pit slope was stable during underground mining, and the rationality of the isolated pillar thickness was verified. It provided the theoretical basis and technical guidance for orebody safe and effective mining.

underground mining; open-pit; stability; isolated pillar

TD854+.6

A

2017-01-06

康永紅(1982-)，男，湖南衡陽人，工程師，主要從事采礦設計及巖石力學研究方面的工作。

國家自然科學基金項目(41362013)

1672-609X(2017)03-0028-04