露天轉地下開采地表沉陷范圍快速圈定及邊坡穩定性分析：案例研究

李 林

（招遠市阜山金礦有限公司，山東 煙臺 265400）

當地表的露天開采無法安全高效地提取礦產時，便轉移成地下開采。但將礦體及圍巖轉運后，就會導致地表沉陷等一系列環境問題和安全隱患。從露天開采到地下開采是一個復雜的地質力學過程。在開采順序上，由于淺部到深部開采的過渡，邊坡巖體受到兩次擾動或影響。在空間關系上，兩個受采礦影響的區域部分相互重疊形成了復合動力系統。這種復雜的狀態可能影響邊坡穩定性，進而誘發滑坡災害。有時還會引起地表與地下裂縫導通回，導致地表污染物滲入地下水。此外，沉降和邊坡變形還會導致地表構筑物失穩破壞[1，2]。因此有效的預測和管理開采活動引起的地表變形對采礦業來說應該是一個關鍵問題。

露天開采向地下開采過渡產生的擾動區域一般是由于淺層資源到深部資源的開采逐步擴大的。這種擾動是相當危險的，因為它可能威脅到高陡坡的穩定性。為了保證這些礦山的安全生產，目前有許多研究方法來研究地下開采對高陡邊坡穩定性的影響。在邊坡穩定性分析及相關領域，極限平衡法是被廣泛的應用于工程邊坡分析方法領域。極限平衡方法可以確定不同的開采深度造成的斷裂面角度及崩落角。Brown和Ferguson將Hoek的分析方法推廣到考慮傾斜地表和張裂縫中以及剪切面中地下水壓力作用的情形。有時二維數值模型也被用來輔助分析掛壁的破壞并開發新的預測方法。

此外，由于計算機技術的發展，許多重要的理論得以實現。 但開采沉陷范圍問題研究在面對礦區級別的三維數值模型時，往往需要的計算量巨大，計算時間長。這時候需要一種在計算精度及快速圈定范圍之間平衡的方法，即粗略考慮礦區級別范圍的沉陷區域，細致考慮關鍵區域的穩定。此外，如何采取有效的措施來加固這種危險狀態的邊坡，也是需要進行合理分析的。

1 工程背景

原露天采場坑底長度約550m，坑底寬為22m～36m。坑底平均高程為+70，東南邊坡高差80m～160m，西北邊坡高差80m～120m。邊坡及地表建筑狀態，可從圖種A、B和C三個視角進行掃掠。其中A視角看出主井筒位于邊坡北端近鄰。而視角B則揭示，礦區建筑距離西北邊坡較近，該邊坡的臺階較緩。C則觀察到高差最大的邊坡，其角度極為傾斜，臺階日漸風化坍塌，下部有散體覆蓋。

邊坡發生破壞崩落的位置主要集中在東南邊坡，間隔的小范圍的塊體滑落為最常見的一種破壞類型。這種破壞的主要誘因可能是由于結構面切割后的巖體在開挖后由于長期的松弛效應及風化作用，其巖塊沿結構面發生滑移冒落。業主由于擔心地下開采誘發邊坡更為劇烈的失穩破壞，于是將部分廢石填埋至坑底。

目前面臨的問題有三個：①由于開采可能導致的地表沉陷問題對地表構筑物及邊坡的影響范圍估算。②由于不斷增加的深度的崩落法開采通常誘發的沉陷范圍會擴大，涉及的模型巨大。大尺度的數值模擬必然面臨巖體參數準確性、計算精度及計算效率問題。③是如何保障受影響的邊坡上重要構筑物安全問題。需要對受影響的邊坡采取必要的安全措施，以增強安全系數。

2 礦區沉陷范圍快速圈定

采用漸進崩落極限平衡理論及三維建模快速圈定沉陷區范圍。在使用無底柱分段崩落法時，當開采礦體非常巨大且傾角較陡時，隨著采礦水平的逐漸下降將會造成上盤巖體的漸進崩落。根據極限平衡理論的分析方法對A鐵礦10號礦體的陷落角進行計算。基礎巖體物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學性質參數

其中：γ：采動前巖體的容重，γc：崩落材料的容重，：巖體的有效黏結力，：巖體的內摩擦角，：崩落材料和未采動巖體之間的摩擦角，：礦體傾角，：上部地表的坡面角（亦可為負）。

根據上盤漸進崩落使用的極限平衡法只能較為精確的計算上盤崩落的范圍，卻無法計算下盤地表區域擾動范圍。地表移動范圍的圈定是一個復雜問題，應該結合多種方法，以減少預測的風險。參照設計手冊工程類比多個礦山，下盤使用工程類比法確定的移動角每條崩落線與地表形成交點。將地表交線連接，圈定出三維的地表沉陷帶。

3 邊坡穩定性分析及防控建議

3.1 危險區域分析及防控措施

在對邊坡穩定性分析時，建模及計算中做出如下簡化和假設：

（1）假設邊坡巖體為連續的、均質的、各向同性的介質。

（2）研究范圍內的巖性比較簡單，雖然局部存在巖脈和夾石類，但要精確描述其產狀是比較困難的，因而只簡化為巖體和礦體兩類。

根據室內試驗巖石力學參數試驗成果，采用Hoek-Brown折減后確定的巖體工程力學參數。巖體和充填體力學參數如表2。

表2 礦區巖體力學參數

由于計算研究范圍涉及的巖體為花崗巖及鐵礦石，采用摩爾-庫倫破壞準則。其力學模型為：

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應力；c，φ分別是粘聚力和內摩擦角。當f ＞0時，材料將發生剪切破壞。在拉應力狀態下，如果拉應力超過材料的抗拉強度，材料將發生拉破壞。

根據露天轉地下開采的實際情況，地下開采不留設露天隔離礦柱，各回采步驟所模擬的回采礦體范圍見表3。

表3 各回采步驟所模擬的回采礦體高程范圍

3.2 回采過程數值模擬分析及覆蓋層作用機理研究

3.2.1 無開采擾動下邊坡穩定性分析

（1）應力場分析：該邊坡應力狀態以壓應力為主，即邊坡若發生破壞，以“壓－剪”的破壞模式為主。

（2）邊坡穩定性分析。

圖1 強度折減法的邊坡狀態圖

安全系數通過強度折減法的計算得出，對給定的抗剪強度參數c和tanφ按照二分法折減，直到折減滿足精度要求，從而求解安全系數FS=1.94。

3.2.2 兩種方案應力、應變、及塑性區對比分析

圖2為開挖至+10m水平后的應力、應變及塑性區圖。從圖2(a)、(b)所示應力云圖上可知，方案二邊坡拉應力約為0.15MPa，方案一邊坡拉應力最大值在0.25MPa～0.4MPa，由于更接近邊坡體抗拉強度，因此方案一更易發生失穩破壞。因此可看成一定厚度的覆蓋巖層對于邊坡體有一定支撐作用。從圖2(c)、(d)、(e)、(f)所示的位移云圖可知，方案二比方案一在上盤邊坡的坡腳處位移量更小，覆蓋層對邊坡位移發展有一定約束作用。

圖2 +10m中段開采后云圖

4 結論

本文以A鐵礦露天轉地下開采為研究背景，在現場工程地質調查和巖石力學實驗的基礎上，開展理論分析和數值模擬研究。得出以下結論：

（1）綜合總礦區的極限平衡計算及重點剖面的數值計算，可快速解決大尺度范圍地表沉陷系列問題分析。通過采用工程類比法與極限平衡法綜合分析出，主礦體深部開采過程中的巖體移動角與移動范圍。確定了每一開采階段過后形成的沉陷區域，并由此判斷建筑物是否在受影響范圍。使用數值模擬回采過程可知隨著地下開采深度增加，邊坡穩定性逐步降低的程度。

（2）覆蓋層對露天轉地下開采后的邊坡穩定性的作用。經過數值模擬不同深度開采過程后發現，保持覆蓋層高度穩定，可確保邊坡安全系數在較高的水平。