露天邊坡對地下采場覆巖穩定性影響的數值模擬研究

羅 浪，李小雙

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學 江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000；)

自20世紀50年代開始，經過數十年持續高強度的開采，絕大多數露天礦山已經進入深凹露天開采階段，大部分礦山正在或者已經轉入深凹地下開采。

在礦山由露天轉入地下開采過程中，所形成的露天邊坡越來越高，邊坡控制和管理的難度愈加困難，對生產的威脅日益加劇。因此，隨著露天坑的延伸擴大，形成深凹底坑和陡峭的露天終了邊坡，使得礦山開采不僅技術難度加大，而且無經濟效益可言。

本文針對某緩傾斜含軟夾層中厚礦床露天轉地下開采進行理論研究，通過現場勘查取樣，室內巖石力學試驗以及FLAC3D數值模擬，對緩傾斜中厚礦體在一定坡高和坡角條件下對采場上覆巖層進行研究分析[2]，以確定露天終了邊坡的臨界安全高度，對礦山的安全開采提供理論指導。

1 工程概況

該礦區礦體的埋藏深度100m～240m，礦層整體呈層狀向東傾斜的單向產出，礦體厚度12m～14m，平均傾角16°，東礦層在測區范圍經開采揭露礦體形態呈寬窄不勻的條帶狀，南北方向延伸，屬于典型的近淺埋緩傾斜含軟夾層中厚礦床。

邊坡傾向與礦體和巖質傾向反向，坡體內無大的構造結構和軟弱面，組成邊坡的巖層均屬于中硬—堅硬巖體，屬于典型的中矮穩定性反傾向巖質邊坡。

2 模型與開采方案建立

2.1 參數確定

根據現場地質調查報告及室內巖石力學試驗，得到礦體及地下采場圍巖及上覆巖體的主要巖石力學性質與變形特征參數，然后根據Hoek-Brown準則對計算出的參數進行適當折減，得到最終所使用的巖石力學參數見表1。

2.2 三維建模

運用AutoCAD制圖軟件畫好平面模型，然后導入到ANSYS進行網格劃分，最后將生成的網格模型導入到FLAC3D軟件進行數值計算。得到最終模型尺寸為360m×60m×160m，模型共劃分132165個節點、123145個六面體單元[3]。

表1 巖石力學參數

圖1 采場俯視圖

2.3 邊界條件

合理的邊界條件設置可以提高模擬的計算精度，為了盡可能模擬工程實際情況，約束模型前后左右四面的水平向位移，底部約束三向位移，頂部保持自由，在計算的時候不考慮其它構造應力的作用，只考慮自重應力，因此在模型垂直方向施加反向應力加速度進行自重應力的模擬[4]。

2.4 本構關系

本次計算采用彈塑性本構模型，巖體的破壞準則采用摩爾-庫倫準則。

2.5 開采方案

開采方式采取房柱法開采，根據礦山工程經驗，沿礦體傾向劃分境界礦柱厚度為28m，每步開挖的礦房長度10m，礦柱寬6m，為連續型礦柱。整個礦體開挖長度為150m，礦房分10步沿礦層傾向依次開挖。采場俯視圖如圖1所示，同時在邊坡坡腳處和每個礦房正中部位設置監測點進行應力和位移的分析[5]。

3 FLAC3D數值模擬與結果分析

3.1 應力分析

在進行地下開采之前山體僅受到自重應力作用，應力隨著山體的深度不斷增加，開挖時的應力分布圖如圖2：

圖2 開采完畢后應力分布云圖

通過云圖可以看出，基坑開挖后，由模型變形云圖可知基坑向著坑內水平變形、基坑周邊地基發生沉降、坑底隆起，周邊的管線也發生豎向和水平向變形，符合現場實際情況。隨著地下開挖的進行，開挖過后的礦房形成采空場，其上方頂板形成應力卸壓區，頂底板位置應力值降低。同時，采場內部應力向前方巖體轉移，在前方形成應力增壓區。5步開挖后采場頂板垂直最大應力值為46Kpa；10步開挖完畢后垂直應力增大到64.10Kpa。隨著開挖的逐步推進，最大垂直應力值也逐步增大，最大應力點位置也隨著開挖的推進而動態前移。

3.2 塑性區分析

圖3 開采完畢后塑性區分布云圖

由圖3可知，礦房開挖過后形成采空場，圍巖應力得到釋放，頂板受到拉應力作用，表現為拉伸破壞，隨著開挖的逐步進行，塑性區面積也在逐步擴大。

當礦房全部開挖完畢后，塑性區已波及坡面，這將不利于采場穩定，如果外部存在較大擾動，則會有失穩風險。同時開采完畢后，礦柱由于受到較大的剪切應力，已處于臨界破壞狀態，此時外界的擾動對整個巖體的穩定性影響比較明顯。

3.3 位移分析

由云圖可知，隨著開挖的推進，變形值越來越大；就水平變形而言，當礦柱之間的坑層開挖掉之后，礦柱兩側分別向著開挖后形成的臨空面發生側向水平變形；就豎向變形而言，當礦柱之間的坑層開挖掉之后，頂板發生向下的沉降、底板發生向上的隆起。

位移分布基本跟巖層的分布一致，并出現一定程度下沉，基本符合客觀規律，隨著開挖的逐步進行，巖體內的應力也在不斷進行轉移，在前10步開挖中，頂板的最大沉降位置隨著開采的向前推進而動態前移，開采完畢后位移沉降最大值發生在6步礦房中部位置，并且上覆巖層出現采動裂隙[6]。

圖4 開采完畢后位移沉降云圖

礦房全部開挖完畢后最大位移沉降值為294mm，出現在6步礦房中部，此時采場覆巖達到比較充分的采動階段，部分采場可能出現頂板冒落、片幫等現象。

4 結論

在露天終了邊坡高度為90m，傾角為40°時，地下開采完后采場覆巖受到開挖的擾動，穩定性較差，塑性區面積已經發育至坡面，整個采場礦柱已處于臨界破壞狀態，隨時都會受到外界擾動而破裂，從而導致整個采場的垮塌，因此建議礦山露天終了邊坡高度不超過90m，以確保礦山的安全生產。