掛幫礦開采對露天礦邊坡穩定性的影響*

趙永崗，章發光，王云，楊晶，李俊鵬，王文才

(1.包鋼(集團)公司白云鄂博鐵礦，內蒙古 包頭 014080；2.內蒙古科技大學 礦業研究院，內蒙古 包頭 014010)

在經濟快速發展的同時，各類資源消耗速度也在不斷加大，從而使得各露天礦開采也在不斷向深部發展.隨著露天礦開采深度的增加，剝采比越來越大，使得露天開采的經濟效益逐步變差，因此越來越多的大型露天礦開始轉入地下開采或者對掛幫礦進行回收.在露天礦轉入地下開采或掛幫礦回收時，如何確保露天礦邊坡穩定也成為各大露天礦共同面臨的難題[1-4].

所謂掛幫礦是指露天礦開采境界內的礦體在境外延伸的部分.露天開采的礦山一般均存在掛幫礦體，根據其賦存部位分為端部的或上、下盤的掛幫礦體.由于掛幫礦開采中會擾動露天礦最終邊坡，這就會使得露天礦最終邊坡的穩定程度有所降低，甚至可能引起大規模滑坡等次生災害[5-7].

1 研究背景

某鐵礦是我國具有代表性的綜合性多金屬共生礦山，蘊含鐵、鈧、鈮、稀土等多種金屬.多年來的開采，一些采場已經進入露天末期開采，急需尋找接續資源.因此，有必要研究其掛幫礦的開采及其對已有邊坡的的穩定性影響，為將來最大限度的回收掛幫礦提供參考.

2 數值模型建立及穩定性觀測點布置

針對該鐵礦的地質資料，確定表1的巖石物理力學參數，據此建立的掛幫礦開采邊坡穩定性數值計算模型如圖1所示.模型長、寬、高分別為300 m，y方向的長度為40 m，z方向的高度為176 m，模型對x軸和y軸方向進行位移和應力約束，z軸底部進行約束，上部為自由面，模型采用摩爾-庫倫本構模型.為了更好的分析掛幫礦開采時對邊坡穩定性得影響，在圖1模型各臺階中部布置位移觀測點，從上到下依次為1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，1-6觀測點.

表1 巖石的物理力學參數

圖1 掛幫礦開采邊坡穩定性數值計算模型

3 掛幫礦開采邊坡穩定性影響分析

根據圖1的數值計算模型，對掛幫礦開采擾動露天礦最終邊坡進行了數值計算，其在開采擾動作用下達到平衡后，得到圖2，3的位移云圖和應力云圖.

圖2(a)為掛幫礦開采邊坡水平位移云圖.由此可以看出，受開采擾動的影響，掛幫礦開采下邊坡臺階發生明顯的破壞移動現象，從巷道所在臺階依次向上發展.最大水平位移區域位于掛幫礦開采的上一臺階，并逐步向邊坡上部臺階減緩；其總體移動趨勢是由邊坡的內部向邊坡面移動.

圖2(b)為掛幫礦開采邊坡垂直位移云圖.由此可以看出，同樣受開采擾動和邊坡自重的影響，在掛幫礦開采下巷道上部臺階和邊坡內部發生明顯的破壞移動現象，并且在掛幫礦開采區域形成明顯的垂直位移區域，其不同垂直位移的范圍由開采區域逐步向邊坡四周外呈擴展狀.最大垂直位移區域位于掛幫礦開采的上部臺階，并隨著與開采巷道高度的高度增大其垂直位移逐漸減小.

圖2 掛幫礦開采的位移云圖(a)水平位移云圖；(b)垂直位移云圖

圖3(a)為掛幫礦開采邊坡水平應力云圖.由此可以看出，在掛幫礦開采下，掛幫礦開采巷道的頂板和平硐入口處發生了明顯的應力釋放現象，致使在采空區處形成了不同方向的應力集中現象，且呈層狀分布；由于掛幫礦的開采，致使采空區頂部的應力集中現象比較突出，從而形成了較復雜的次生應力場，引起采空區周圍的巖體發生變形和破壞現象，并且破壞現象逐步向邊坡內部發展.

圖3(b)為掛幫礦開采邊坡垂直應力云圖.由此可以看出，受掛幫礦開采擾動影響，邊坡內部覆巖能量得到釋放，致使采空區上部覆巖發生沉降，并使得覆巖應力從采空區逐步向邊坡上部發展，且在采空區的頂部其應力集中現象更明顯；在應力集中足夠大的情況下，可能會使得邊坡內部的覆巖向露天礦采場發生滑移，從而影響邊坡的穩定性.

圖3 掛幫礦開采的應力云圖(a)水平應力云圖；(b)垂直應力云圖

圖4為邊坡位移曲線圖.由此可以看出，整個位移曲線圖可以分為兩部分，一部分為邊坡各臺階穩定狀態曲線，另一部分為邊坡各臺階在掛幫礦開采下的位移變化曲線.從邊坡各臺階位移變化曲線可以看出，邊坡各臺階隨著開采的進行(即運算步數增加)，位移先呈直線增加，然后增加速度逐步放緩直至趨于定值.這也說明，在掛幫礦開采下，位于采空區頂部(即1～6觀測點)的邊坡巖體最先發生位移，當采空區垮落的覆巖逐步對邊坡臺階形成支撐時位移逐步減緩，直到位移終止.

圖4 邊坡位移曲線圖

采空區上部臺階位移規律相似，即隨著開采的進行，采空區上部臺階由下至上依次發生位移，即位于上部的臺階有延遲位移現象，且由于垮落巖體對采空區的支撐，后續垮落臺階的位移明顯比其下部臺階的位移小.隨著開采的結束(即運算步數終止)，邊坡最大位移為采空區頂部，最大位移值為5.0 cm左右，最小位移臺階為邊坡最上部臺階，位移值為1.5 cm左右.可見，采空區已經引起了邊坡內部及表面的滑移，但邊坡表面滑移要小于其采空區頂部的滑移.

4 結論

(1)受掛幫礦開采擾動影響，邊坡從采空區所在臺階依次向上發生滑移現象.最大水平移動區域位于掛幫礦開采采空區的上一臺階，逐步向邊坡內部和上部臺階減緩，總體移動趨勢是由邊坡上部臺階和內部向露天礦邊坡移動.

(2)受開采擾動影響，采空區上部頂板和平硐入口處發生了明顯的應力釋放現象，致使采空區頂部形成了不同方向的應力集中現象，且呈層狀分布，在應力集中足夠大的情況下，可能會使得邊坡內部的覆巖向露天礦采場發生滑移，從而影響邊坡的穩定性.

(3)采空區上部臺階位移規律相似，即隨著開采的進行，采空區上部臺階由下至上依次發生位移，且由于垮落巖體對采空區的支撐，后續垮落臺階的位移明顯比其下部臺階的位移小.