軟弱夾層對掛幫礦開采過程中邊坡穩定性影響

韓超超 趙雨薇 王大國 何金城

（西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽621010）

露天礦山邊坡的穩定性是礦山生產安全的基礎保障，除邊坡自身的地質構造條件外，人為的外部擾動也是影響露天邊坡穩定性的一個重要因素。掛幫礦作為一類殘留在露天境界外且臨近最終邊坡的礦產資源，如何對其進行安全高效地回采一直是困擾國內外礦山企業的難題。譚玉葉等［1］利用相似材料實驗方法，設計采用充填法回采大冶鐵礦2#掛幫礦并監測開采過程中的邊坡沉降，實驗結果表明，充填法能有效控制邊坡沉降，能實現掛幫礦安全回采。進一步考慮到掛幫礦回采的經濟性、高效性，同時為縮短露天轉地下過渡期時限，任鳳玉、李海英［1，2］等提出采用誘導冒落法開采掛幫礦，該方法以無底柱分段崩落采礦法為基礎，在特定位置布設誘導工程，在本分段礦房內實現礦石的自然冒落；礦山實踐證明，該方法能有效地提高境界礦量回采率，大幅度提高礦石的回采效率。

目前，國內多位學者基于無底柱分段崩落采礦法，對掛幫礦開采過程中的邊坡穩定性進行了大量研究工作［4-8］。主要分析最終邊坡形態、掛幫礦賦存條件以及礦房結構參數布置等對邊坡穩定性的影響，而含地質結構面條件下掛幫礦開采對邊坡穩定性影響的研究相對較少。軟弱夾層作為一種力學強度低、對邊坡穩定性影響顯著的地質結構面，歷來是作為含弱層邊坡穩定性分析的首要影響因素［9-11］。總結前人研究成果可知，弱層邊坡在外部應力擾動下，弱層一般會首先發生變形破壞，進而直接影響弱層周邊邊坡巖體的應力分布，一定條件下將造成邊坡巖體結構發生變形破壞，破壞的進一步演化則體現為邊坡整體發生失穩坍塌事故，將給礦山企業帶來不可估量的人員傷亡和財產損失。

本研究基于自建的巖石拉張破壞有限元模型，研究了弱層長度、埋深以及傾角影響下，掛幫礦開采對邊坡破壞范圍的影響，以期為類似工程地質礦山的掛幫礦開采設計提供可靠的理論支持。

1 拉張破壞有限元模型

1.1 本構模型

計算模型采用線彈性二維平面應力本構模型。

1.2 巖石拉張破壞準則

（1）當巖體內某一點的巖石極限抗拉強度小于該點的最大主拉應力值，則該節點發生拉張破壞。

（2）巖體內一點產生拉張破裂的方向垂直于該點第一主應力方向。

（3）如果巖體內存在多個節點的第一主應力值大于等于巖石的抗拉強度時，在第一主應力最大的節點處破裂。

1.3 程序設計流程

（1）施加各項邊界條件；

（2）求解位移場；

（3）求解應力場；

（4）利用開裂準則來判斷模型內是否存在滿足開裂準則的節點，若存在，則確定開裂點以及開裂單元，在開裂單元不含開裂點的一邊增加節點，劈裂單元并修改校正單元信息，重復以上步驟；若不存在，則程序計算結束。

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

參考國內學者針對弱層邊坡進行穩定性分析的案例［12-14］，本研究建立含弱層巖質高邊坡簡化模型如圖1（a）所示。模型長1 000 m，基底巖層厚125 m，邊坡高250 m，露天邊坡最終邊坡角45°；掛幫礦體厚50 m，埋藏深度30 m，傾角30°，掛幫礦自上而下按埋藏深度均分為2個分段且依次進行開采，①分段掛幫礦靠近坡面，首先進行回采；②分段掛幫礦在下，待①分段礦石開采結束后進行開采。圖1（b）給出了邊坡內弱層模型I的局部放大圖（放大倍數為3倍），弱層出露邊坡坡面厚5 m，出露點距坡頂面垂直距離H，弱層長度l，弱層傾角α。

2.2 礦巖物理力學參數

計算模型中包含圍巖、礦體以及弱層等三類巖體，數值模擬中的主要力學參數見表1。

2.3 數值模擬工況設定

弱層邊坡的穩定性直接受制于坡體內軟弱夾層的賦存條件，根據工程實際中弱層邊坡失穩破壞模式分析，選取弱層長度l、埋深H以及傾角α等三類弱層地質條件作為主要分析因素，探討不同弱層地質條件對邊坡穩定性以及破壞過程的影響。本研究共設定12種數值模擬工況，詳見表2。

3 數值模擬結果及分析

3.1 弱層長度對邊坡破壞范圍的影響

3.1.1 邊坡最終破壞結果

圖2～5分別為工況1～4條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖2～5分析可知，掛幫礦開采過程中，初始裂紋均出現于弱層尾部圍巖中；當l=50 m、80 m時，坡內第2條裂紋起裂于坡面，l=100 m、120 m時，坡內第2條裂紋起裂于坡頂，坡面或坡頂裂紋的起裂位置決定了塌落巖體體積大小；隨著軟弱夾層長度增大，坡面裂紋的起裂位置逐漸向坡頂轉移。

3.1.2 采空區體積與松散巖體體積變化規律

圖6為工況1～4條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區體積變化規律。由圖6可知，2分段掛幫礦開采后，松散巖體體積、采空區體積隨弱層長度增大均呈現為逐漸增大的趨勢。l=50 m、80 m時，2分段掛幫礦開采所形成的采空區體積均大于塌落的松散巖體體積；l=100 m、120 m時2分段掛幫礦開采所形成的采空區體積均小于塌落的松散巖體體積。

3.2 弱層埋深對邊坡破壞范圍的影響

3.2.1 邊坡最終破壞結果

圖7～10分別為工況5～8條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖分析可知，受軟弱夾層與采空區影響，坡內初始裂紋均產生于弱層尾部圍巖且向采空區擴展。H=70～90 m時，2個分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋均起裂于坡頂；H=100 m時，①分段礦石開采后在坡內產生的第2條裂紋起裂于坡面，②分段礦石開采后在坡內產生的第2條裂紋起裂于坡頂。隨著弱層埋深逐漸增大，①分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋的起裂點逐漸向坡面轉移，②分段掛幫礦開采后坡內第2條裂紋的起裂點位置變化不明顯。

3.2.2 采空區體積與松散巖體體積變化規律

圖11為工況5～8條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區體積變化規律。由圖11可知，對于①分段掛幫礦的開采，當弱層埋深H=70～90 m時，采空區體積小于松散巖體體積，當H=100 m時，采空區體積大于松散巖體體積。對于②分段掛幫礦的開采，當弱層埋深H=70～100 m時，采空區體積小于松散巖體體積。

3.3 弱層傾角對邊坡破壞范圍的影響

3.3.1 邊坡最終破壞結果

圖12～15分別為工況9～12條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結果。由圖分析可知，①分段掛幫礦開采后，弱層尾部圍巖中出現了兩條垂直弱層方向擴展的短裂紋，隨著坡內應力集中的釋放轉移，在坡面或坡頂產生了向采空區不斷擴展的長裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點由坡頂逐漸向坡面轉移。②分段掛幫礦回采后，坡內初始裂紋出現于弱層尾部圍巖且向采空區擴展，隨后開裂點轉移至坡頂并向采空區擴展為一長裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點逐漸向坡頂線靠攏。

3.3.2 采空區體積與松散巖體體積變化規律

圖16為工況9～12條件下，2個分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區體積變化規律。由圖可知，隨著弱層傾角增大，采空區體積與松散巖體體積整體呈逐漸減小趨勢。對于①分段掛幫礦的開采，當弱層傾角α=0°～10°時，采空區體積小于松散巖體體積；當弱層傾角α=15°時，采空區體積略大于松散巖體體積。對于②分段掛幫礦的開采，隨著弱層傾角增大，采空區體積小于松散巖體體積。

4 結論

（1）弱層埋深、傾角一定，弱層長度不定時：弱層長度小于80 m時，2個分段掛幫礦開采所形成的采空區可以完全容納松散巖體，表明在此條件下，采用無底柱分段崩落法開采掛幫礦不會危及露天坑底的采礦作業安全。

（2）弱層長度、傾角一定，弱層埋深不定時：①分段掛幫礦開采后，采空區僅在弱層埋深大于等于100 m時才能完全容納松散巖體；②分段掛幫礦開采后，采空區在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。

（3）弱層長度、埋深一定，弱層傾角不定時：①分段掛幫礦開采后，采空區僅在弱層傾角大于等于15°時才能完全容納松散巖體，②分段掛幫礦開采后，采空區在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。