露天邊坡殘礦回采分析

董成龍，周 杰

（新疆地質礦產勘查開發局第十一地質大隊，新疆 昌吉 831100）

在露天邊坡采礦回采施工過程中，圍巖和邊坡應力會發生變化，出現位移、塑性破壞等情況。需要采取填充措施，保持邊坡穩定性，對圍巖變形和塑性區發展進行控制，從而確保邊坡殘礦回采施工的安全性。其中，邊坡穩定性分析是一個重要環節，需要確保分析計算的準確性，從而科學制定回采及填充施工方案。

1 工程地質條件

某礦區露天采場開采時間為50年，為回收東北、東南部殘余礦體，該礦區制定了掛幫礦開采施工方案，目的是緩解礦山轉產壓力，同時提高礦體回收率。但是在實際施工中，由于工程地質條件較為復雜，施工方案設計難度高，需要對露天邊坡穩定性進行分析，并采取合適的邊坡加固方案。該礦區屬于巖漿后期熱液澆帶型礦床，平面呈半環狀，西翼延伸較大，南部巖體斷開，剖面呈穹隆狀。在采場東側有一水體，與礦區最近處相距50m左右，目前礦區已經采取群井疏干、聯合疏干和防滲帷幕等防水措施。但受此影響，露天邊坡穩定性不足，在采場東北角曾發生過坍塌事故。由于工程周圍地質條件較為復雜，為露天邊坡殘礦回采增加了難度。其中，工程上部設置有露天采場排土功能，東部為邊坡治理功能和帷幕注漿防水工程，北部為第四系帷幕注漿工程。該工程露天邊坡殘礦回采范圍實際為東部4號勘探線到水體河堤保護線，標高為-58m～-130m，資源儲量為671萬t左右。

2 露天邊坡殘礦回采模型

（1）模型構建。在該工程的開采方案設計過程中，擬采用平硐開拓方式及嗣后填充方案。采場東部的邊坡近似為長線型體，在模型構建過程中，可以按照平面應變進行處理。將工程東部3號勘探線剖面作為建模對象，其長度為350m，坑底寬度為62m，Y向長度為10m。礦體上盤的邊坡角為36°，下盤邊坡角為24°，上盤邊坡角大于下盤，且高度也大于下盤邊坡，可以選擇上盤區域作為主要研究對象。該工程現階段施工屬于淺部采礦，僅考慮自重應力的影響。在模型構建過程中，將地表作為模型自由邊界，底部作為固定約束，周圍是單向位移邊界。

（2）計算方法。在分析嗣后填充方案對于邊坡穩定性影響的過程中，主要考慮兩種施工情況，一是空場開采后沒有立刻填充，二是空場開采后立刻進行填充。工程礦房分段高度和寬度分別為12m、20m，在上述構建的模型下，需要模擬開采擾動以及填充施工對于圍巖、邊坡產生的影響，分析其應力變化規律，采用Mohr-Coulomb破壞準則進行計算。在模擬過程中，填充體力學參數根據實驗室測量值確定，圍巖和礦體力學參數綜合礦巖地質數據以及實驗室測量數據確定。其中，礦體密度為3.50t/m3，體積模量20.6GPa，抗拉強度4.29MPa，內摩擦角50.2°，泊松比0.25。圍巖密度為2.62t/m3，體積模量10.2GPa，抗拉強度1.64MPa，內摩擦角45.8°，泊松比0.32。填充體密度為2.13t/m3，體積模量0.1GPa，抗拉強度0.39MPa，內摩擦角43.0°，泊松比0.15。可以根據模型參數對邊坡、圍巖的應力分布情況以及位移變化等進行計算，從而為工程施工設計提供依據。

3 模型計算結果及邊坡穩定性分析

（1）應力分布規律。從上述模型計算結果來看，工程標高-92m水平開采段在邊坡開挖卸載后，未出現明顯拉應力區，主要表現為壓應力。礦房附近的邊坡破壞形式為壓-剪破壞。在水平礦房開采作業結束后，采空區頂板、幫區的應力得到釋放，應力集中區域出現在采空區的對角線上。如果采用采空后立刻回填的施工方案，對角線應力約下降0.5MPa，圍巖壓力約下降1MPa，這說明采取采空后立即回填的方式，有利于改善工程圍巖的應力分布狀態。

（2）位移變化及破壞形式。從位移變化計算結果來看，工程標高-92m水平開采段在礦房開采結束后，出現的位移較小，經過回填處理，礦房底板位移能夠得到控制。根據分析計算結果，該水平礦體開采及回填，對礦房周圍的邊坡和圍巖影響在3mm以內，圍巖可以保持較好的自持能力。從塑性破壞分析結果來看，該水平礦體塑性區主要出現在礦房的對角線區域，即應力集中部分。具體破壞形式為剪切破壞，在回采過程中，邊坡和采空區的剪切破壞可能導致塑性區貫通。

如果繼續進行回采，則容易出現邊坡滑移問題。通過采取采空后回填的辦法，可以阻止剪切破壞發展趨勢，防止塑性區貫通。

（3）表土邊坡變形分析。在該工程中，由于第四系表土邊坡的強度參數、內聚力參數與下部巖質邊坡的參數差異較大，未進行開采施工前，已經出現了一定程度的變形。其中，橫向最大位移和縱向最大位移均出現在最上層的排土產區域。在回采過程中，表土邊坡變形具有擴大趨勢，需要采取相應的邊坡加固措施，并采用隨采隨填的施工方法，否則容易引起土體滑坡問題。

（4）邊坡穩定性評價。在邊坡穩定性評價過程中，可以采用拉格朗日有限差分法中的安全系數計算公式，對該工程露天邊坡回采的邊坡穩定性影響進行判斷。其公式為Kp=（σtanφ+c）/τ，其中σ表示垂直邊坡滑移帶壓應力，單位為MPa。C表示邊坡滑移帶黏聚力，單位為MPa。φ表示邊坡滑移帶內摩擦角，單位為°。τ代表邊坡滑移帶剪應力，單位為MPa。利用該公式求出的安全系數，可以在上述模型分析計算結果的基礎上，采用強度儲備法進行運算。從理論計算情況來看，滑動面上的每個部分安全系數如果都大于等于1，則說明滑動面具有較好的穩定性。但是在實際計算過程中，由于局部發生破壞，可以根據潘氏原理，將滑坡失穩時出現貫通的破壞區定義為破壞面。結合相關露天邊坡設計規范，工作年限在10年以下的邊坡安全系數應在1.1～1.2之間，工作年限超過10年的邊坡安全系數應在1.2～1.3之間，臨時性邊坡安全系數應在1.0～1.2之間。

在本次計算過程中，通過確定邊坡穩定性剖面安全系數等值線，可以得出該工程安全系數滿足邊坡穩定性要求，因此在露天邊坡開采過程中，邊坡狀態較為穩定。其中，坡頂的邊坡安全系數要高于坡底，安全系數偏低的區域主要為排土場附近，需要針對該施工區域采取邊坡加固措施。通過采取隨采隨填的施工防范，能夠消除回采施工對于邊坡穩定性產生的影響，確保邊坡穩定性能夠滿足相關技術規范的要求。

根據上述分析結果，該工程露天邊坡整體穩定性較好，但需要在礦房回采后及時采取充填措施，否則采空區的塑性區會與地表貫通，增加出現邊坡滑移的幾率。在充填及時的情況下，則能夠改善圍巖應力的分布狀況，避免出現應力分布過于集中的情況，從而抑制塑性區的發展。在該工程施工過程中，具體可采用掛幫礦開采技術方法，通過隨采隨充填，提高邊坡穩定性，同時也可以避免卵礫層受到破壞。此外，在工程露天邊坡穩定性分析過程中，還需要考慮地下徑流影響以及爆破振動影響。由于該工程排水防滲工程較為完善，在本次分析過程中未考慮地下徑流影響因素。在爆破振動監測方面，則通過布置現場監測點，對位移變化進行監測，防止對邊坡穩定性造成不利影響。

4 結語

綜上所述，露天邊坡殘礦回采要充分考慮工程地質條件的影響，對于工程地質條件較為復雜的工程，必須通過做好邊坡穩定性分析工作，確保施工設計方案的合理性。在本次研究中提出了一種模型計算分析方法，可以較為準確的評價邊坡穩定性，對其位移及變形趨勢進行預測，從而采取制定有效的施工及加固方案，確保工程施工的順利進行。