露天轉(zhuǎn)地下開采引起露天采場邊坡垮塌數(shù)值模擬研究①

姜安民， 董彥辰， 江學良， 熊奇?zhèn)ィ?王飛飛

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學院，湖南 湘潭 411100； 2.中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004； 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 4.長沙礦山研究院有限責任公司 金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

隨著礦產(chǎn)資源需求量增加，深部礦體資源開采逐漸被重視，很多原先采用露天開采的礦山逐漸轉(zhuǎn)為地下開采［1］，由此產(chǎn)生一系列露天采場邊坡穩(wěn)定性問題［2-3］，如地表塌陷［4］、邊坡滑坡垮塌［5］等。 已有多位學者開展了露天轉(zhuǎn)地下后露天采場穩(wěn)定性的研究工作［6-11］。 通過分析已有研究內(nèi)容可知，露天轉(zhuǎn)地下開采會對露天采場邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。 不同礦山地質(zhì)條件差異較大，因此急需對背景礦山開展地下開采對露天采場邊坡穩(wěn)定性的影響研究。 本文以某金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采引起露天采場邊坡滑塌為研究背景，采用三維數(shù)值模擬研究方法研究了礦體開采過程中圍巖塑性區(qū)發(fā)展過程，并分析了圍巖塑性區(qū)分布的變化規(guī)律。 研究結(jié)果可為礦山滑坡治理提供參考。

1 礦山概況

某金屬礦山礦區(qū)內(nèi)主要地層巖性有白云巖、砂巖、礦體及黑破巖。 礦區(qū)有斷層構(gòu)造多條，對礦體開采產(chǎn)生影響的主要有2 個斷層，影響較大的1 個斷層北西走向，長度與寬度規(guī)模較大，斷層帶巖性分布不規(guī)則，巖石風化破碎嚴重，且含有較多泥質(zhì)，易透水。 斷層在露天采場的北部邊坡區(qū)域出露，斷層帶穿過的邊坡目前均產(chǎn)生不同程度的變形垮塌現(xiàn)象。

井下礦體開采以11 線為界劃分為東西2 個采區(qū)。設(shè)計開采中段高度60 m，依據(jù)礦體實際情況，設(shè)計了5個開采中段。 礦山西部礦體采用底柱分段崩落法開采，東部礦體采用充填法開采。

礦山西部井下采用底柱分段崩落法開采礦體，導(dǎo)致西部采空區(qū)上覆巖層隨著時間推移不斷崩落垮塌。在開采擾動、巖體節(jié)理面、巖層孔隙水滲流等因素耦合作用下，采空區(qū)上覆巖層既有裂隙不斷損傷劣化擴展，多次循環(huán)演化，新的巖層裂隙不斷形成與擴展至近地表巖層，最終導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫、西部露天采場邊坡發(fā)生滑坡。 露天采場邊坡底部出現(xiàn)孔洞，地表巖土不斷灌入井下。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 三維力學分析模型

采用犀牛軟件與FLAC3D聯(lián)合完成整體礦山三維模型建立，包含礦山地表地形、礦體賦存形態(tài)及巖層的FLAC3D三維數(shù)值力學分析模型。

為了更精確地模擬井下礦體開采過程，建立的三維模型在兼顧計算精度的同時，仍要考慮計算機計算能力，過精密的網(wǎng)格將耗費大量計算時間。 綜合考慮，選取合適的模型尺寸為：長1 152.43 m、寬886.88 m、高395.65～1 065.10 m。

2.2 模型計算參數(shù)

從現(xiàn)場采集了巖石樣品，開展了室內(nèi)巖石力學試驗，得到白云巖、砂巖、礦體及黑破巖的巖石力學參數(shù)，然后采用各種工程折減后獲得礦巖體力學參數(shù)。 充填體力學參數(shù)參考項目研究所依托的礦山充填體試驗數(shù)據(jù)。 礦巖體及充填體力學參數(shù)見表1。

表1 礦巖體及充填體力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究地下礦體開采引起露天采場邊坡滑塌形成機制，模擬了多個開采水平礦體的開采過程。 西部礦體從2 064 水平開采到2 004 水平，東部礦體從2 064 水平開采到1 884 水平。 通過提取數(shù)值模擬開采不同水平的塑性區(qū)、地表塑性區(qū)與井下塑性區(qū)分布，對比每個水平塑性區(qū)的變化，可以獲得地下礦體開采對露天采場邊坡垮塌與露天采場底部孔洞產(chǎn)生的影響規(guī)律。 具體塑性區(qū)分布見圖1。 由圖1 可知：①開采2 004 水平之前，隨著西部礦體的開采，形成的采空區(qū)體積不斷擴大，采空區(qū)圍巖的塑性區(qū)不斷擴大，且影響到采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定。 采空區(qū)上部巖層主要以拉伸破壞模式為主，采空區(qū)其他部位巖層主要以剪切破壞為主，且靠近西部邊坡坡面的一側(cè)已經(jīng)與邊坡塑性區(qū)相互貫通，說明開采到2 004 水平后，露天邊坡西部已經(jīng)出現(xiàn)垮塌滑坡災(zāi)害。 ②東部礦體采用充填法開采，在一定程度上控制了地表塌陷。 但由于充填采空區(qū)不能完全接頂，亦不能完全控制地表沉降，東部礦體開采后，東部地表同樣出現(xiàn)了塑性區(qū)，且主要以拉伸破壞模式為主，不可避免地在露天采場底部產(chǎn)生地表裂縫。 在靠近西部礦體，即邊坡腳部位，產(chǎn)生地表孔洞。從地表可以看出，產(chǎn)生塑性區(qū)的部位為西部邊坡和靠近西部邊坡的露天采場底部。 從模型剖面可以看出，產(chǎn)生塑性區(qū)的部位為西部采空區(qū)圍巖、東部充填體。③2 064 水平、2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平在西部邊坡坡面和露天采場底部產(chǎn)生的塑性區(qū)較多。 開采后續(xù)水平礦體對地表塑性區(qū)的產(chǎn)生影響不大。 主要是因為井下開采對地表產(chǎn)生的影響范圍有限，尤其在東部采用充填法開采礦體，控制了露天采場底部的塌陷。④模擬結(jié)果與實際情況相吻合，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖1 開采各水平礦體后塑性區(qū)分布

通過提取開采各個水平礦體后的塑性區(qū)分布體積，計算出塑性區(qū)占整體模型的比例，分析塑性區(qū)隨著開采深度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖2。 由圖2 可知，開采過程產(chǎn)生的塑性區(qū)可劃分為3 個階段，有兩個突變點，分別在2 046 水平與1 968 水平。 第1 個階段為開采2 064 水平與2 046 水平，因采用無底柱分段崩落采礦法，產(chǎn)生了較大的圍巖塑性區(qū)分布，對應(yīng)到西部邊坡開始出現(xiàn)裂縫、局部垮塌滑坡階段。 第2 階段為開采2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平與1 968 水平，該階段對應(yīng)到邊坡出現(xiàn)較大范圍的垮塌滑坡，且露天采場底部出現(xiàn)裂縫、西部邊坡腳處出現(xiàn)塌陷孔洞。 第3 階段為開采1 968 水平到1 884 水平，該階段主要開采東部礦體，且采用充填法開采。 第3 階段塑性區(qū)占比逐漸增加，沒有出現(xiàn)突變點，說明在東部礦體采用充填法開采，有效控制了礦體圍巖塑性區(qū)的產(chǎn)生。

圖2 塑性區(qū)占比與開采水平關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

以實際礦山工程案例為研究背景，以圍巖體塑性區(qū)分布為研究指標，由得到的數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測了礦體圍巖塑性區(qū)發(fā)展過程，得到如下結(jié)論：

1） 空區(qū)上部巖層主要以拉伸破壞模式為主，其他部位巖層主要以剪切破壞為主，西部邊坡坡面的一側(cè)已經(jīng)與地下采空區(qū)塑性區(qū)相互貫通。

2） 東部礦體采用充填法開采，在一定程度上控制了地表塌陷。 從地表看，產(chǎn)生塑性區(qū)的部位為西部邊坡和靠近西部邊坡的露天采場底部；從模型剖面看，產(chǎn)生塑性區(qū)的部位為西部采空區(qū)圍巖、東部充填體。

3） 開采前期西部礦體在西部邊坡坡面和露天采場底部產(chǎn)生的塑性區(qū)較多。 開采后續(xù)水平礦體對地表塑性區(qū)的產(chǎn)生影響不大。

4） 模擬礦體開采過程，可將產(chǎn)生的塑性區(qū)劃分為3 個階段，有兩個突變點。 第1 階段對應(yīng)西部邊坡開始出現(xiàn)裂縫、局部垮塌滑坡階段；第2 階段對應(yīng)邊坡出現(xiàn)較大范圍的垮塌滑坡、露天采場底部出現(xiàn)裂縫、西部邊坡腳出現(xiàn)塌陷孔洞；第3 階段塑性區(qū)占比逐漸增加，沒有出現(xiàn)突變點。

5） 數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況相吻合，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。