露天采場邊坡下伏掛幫礦開采穩(wěn)定性研究*

闞曉平,席世強(qiáng),錢京

(1.四川德鑫礦業(yè)資源有限公司,四川 阿壩藏族羌族自治州 624199;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012)

0 引言

部分露天礦山由于開采技術(shù)、安全生產(chǎn)等原因在露天邊坡下部留存了部分礦體,形成了掛幫礦體[1-3]。近年來,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對礦產(chǎn)資源的需求量持續(xù)增加,原先預(yù)留的露天邊坡掛幫礦礦體逐漸被開采。掛幫礦的開采勢必會(huì)對露天邊坡造成擾動(dòng),并影響其穩(wěn)定性[4-5]。因此,亟須開展掛幫礦開采對露天采場邊坡的安全穩(wěn)定性的影響研究,保證礦山開采安全。

目前,多位學(xué)者開展了掛幫礦體開采對既有采場邊坡穩(wěn)定性的影響研究工作。陳韜等[6]以備戰(zhàn)鐵礦掛幫礦開采為研究對象,采用理論計(jì)算和三維滾石模擬對露天采場內(nèi)部的硐口安全性進(jìn)行了分析,得到了變形區(qū)域中部到露天坑的位置和露天采坑北側(cè)的溝谷內(nèi)均存在滾石現(xiàn)象的結(jié)論。張儒學(xué)等[7]綜合安全技術(shù)、邊坡治理技術(shù)、開采技術(shù)等,提出了“有限楔形斜槽式”的掛幫礦開采工藝。謝代洪[8]以蘭山采場閉坑后的1270～1210 m 固定幫臺(tái)階為例,采用倒采法從下往上逐臺(tái)階進(jìn)行掛幫礦回采,通過分層裝藥和采用小孔徑鉆機(jī)縮小孔網(wǎng)參數(shù)來降低爆破振動(dòng)。張亞賓等[9]以廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采為背景,基于露天轉(zhuǎn)地下開采的時(shí)空特征,提出了一種低分段平底結(jié)構(gòu)的分段礦房法,研究結(jié)果表明,提出的采礦方法能夠安全、高效、可靠地回采掛幫礦。徐帥等[10]以山東黃金歸來莊露天礦東幫運(yùn)輸?shù)缆废聮鞄偷V回采工程為背景,針對該掛幫礦回采面臨的邊坡高陡、運(yùn)輸?shù)缆烦掷m(xù)服務(wù)等難題,提出先治理加固邊坡,后進(jìn)行掛幫礦分區(qū)進(jìn)路充填回采的方案。譚國榮等[11]以某鐵礦掛幫礦開采為依托,采用PFC離散元方法,模擬了露天礦邊坡在不同掛幫礦傾角條件下的情況,確定了采空區(qū)和邊坡的失穩(wěn)模式及范圍。魏媛等[12]利用顆粒流離散元軟件開展了地下采礦引起地表塌陷災(zāi)害演化機(jī)理研究,揭示了地表塌陷形成機(jī)理。王飛飛等[13-14]依托具體工程案例,開展了地下復(fù)雜采空區(qū)引起地表塌陷漸進(jìn)發(fā)展過程數(shù)值模擬研究,揭示了地表塌陷特征及規(guī)律。毛瑞坤等[15]依托某鐵礦南采坑開采現(xiàn)狀,構(gòu)建了南采坑回填和地下開采的數(shù)值模型,模擬了掛幫礦的開采過程,獲得了露天采場邊坡位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布等結(jié)果,評價(jià)了邊坡穩(wěn)定性。

由學(xué)者們開展的掛幫礦開采研究成果可知,掛幫礦安全高效開采是礦山安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。由于掛幫礦所處的關(guān)鍵位置、地質(zhì)條件、下伏空區(qū)、近坡體等問題,掛幫礦開采又一直是難點(diǎn)問題[16-18]。本文以具體掛幫礦開采工程為研究背景,采用數(shù)值模擬分析軟件建立三維力學(xué)分析模型,模擬了掛幫礦開采過程,分析了臨近掛幫礦的坡體應(yīng)力、位移與塑性區(qū)分布等計(jì)算結(jié)果,可為礦山掛幫礦的安全開采提供依據(jù)。

1 礦山概況

1.1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)出露的地層有震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖、寒武系下統(tǒng)、第四系全新統(tǒng)的殘坡積層與沖洪積層。上述各層中,震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖為礦區(qū)的含礦層。由于礦體上盤處于礦區(qū)“地塹”式斷塊構(gòu)造中心,圍巖強(qiáng)烈破碎,其穩(wěn)固性差,而礦體下盤主要由塊狀結(jié)構(gòu)的白云巖組成,穩(wěn)固性較好。

依據(jù)礦山工程地質(zhì)條件,綜合選取的巖體與充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖體與充填體力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)條件

礦床位于水文地質(zhì)單元的東北半坡地帶,并處于斷塊構(gòu)造中,礦床控制標(biāo)高為1802～2210 m,目前最低采準(zhǔn)標(biāo)高為1884 m,礦體及開采系統(tǒng)均位于河流侵蝕基準(zhǔn)面以上,自然排泄條件好,屬于水文地質(zhì)條件較為簡單的礦床。

1.3 露天邊坡現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的露天方式開采了淺部礦體后,開采方式由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采,2008年底露天開采全部結(jié)束,坑底標(biāo)高1968 m。露天采場上口尺寸為385 m×870 m,下口尺寸為136 m×30 m,采深為360 m,最終邊坡角為34°～45°。

露天坑北邊坡原設(shè)計(jì)邊坡角為45°,原礦山企業(yè)在向露天深部開采時(shí),北邊坡掛幫礦體被開采,北邊坡傾角為70°～80°。北邊坡角過陡,為不穩(wěn)定邊坡,如果繼續(xù)向深部開采,北邊坡碎石有垮塌、滑坡的可能。北部邊坡受斷層的影響較大,尤其在斷層切割的作用下,北部邊坡在斷層面兩側(cè)形成了錯(cuò)臺(tái),并有破碎巖石垮落。由于礦區(qū)西部井下采用無底柱崩落法開采,導(dǎo)致西部邊坡發(fā)生垮塌、滑坡。礦區(qū)東部采用上向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法,采空區(qū)得到及時(shí)的充填,所以東部邊坡沒有產(chǎn)生西部邊坡的滑坡、垮塌現(xiàn)象。

南邊坡礦體位于1980 m 水平以上,在開采移動(dòng)界線以外。從目前現(xiàn)狀分析,南邊坡為穩(wěn)定邊坡,西邊坡和東邊坡都不穩(wěn)定。尤其是近三年,西邊坡垮塌非常嚴(yán)重,山頂表土和黃泥受雨水沖刷,大量進(jìn)入露天坑,露天坑底由原來的1968 m 水平堆積至1980 m 水平以上,邊坡現(xiàn)狀見圖1。

圖1 露天采場邊坡

2 數(shù)值模型建立

2.1 三維力學(xué)分析模型

利用地表地形圖,通過修剪、擠出等操作形成了包含地表地形的三維模型。再利用已經(jīng)處理好的礦體與地層圖導(dǎo)入Rhino軟件中,經(jīng)過一系列的變動(dòng)、放樣、修剪、嵌入、分割等操作處理,最終形成包含礦體、多種巖層與斷層的三維模型。模型(東西向)長1152.43 m,(南北向)寬886.88 m,高395.65～1065.10 m。

利用已建立的三維模型,在Rhino軟件中采用合并非流行、從NURBS物件、設(shè)置網(wǎng)格劃分密度等操作對模型進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格劃分處理,最后形成了三維力學(xué)分析網(wǎng)格模型。

利用Rhino的節(jié)點(diǎn)、單元信息輸出功能,將節(jié)點(diǎn)、單元信息輸出,并利用Rhino插件Griddle調(diào)用節(jié)點(diǎn)、單元信息文件,生成符合FLAC3D 數(shù)據(jù)格式的*.f3grid文件。最后,利用FLAC3D 的Grid中Import 命令導(dǎo)入保存的*.f3grid 文件,在FLAC3D 中生成包含礦體、圍巖、斷層等礦區(qū)整體分析模型,如圖2所示。由于數(shù)值建模軟件本身的特點(diǎn),在建模過程中將礦巖體分成多個(gè)模型并進(jìn)行編碼,模型字母后的數(shù)字代表在模型編碼。

圖2 三維力學(xué)分析模型

數(shù)值模擬建立的模型是從大地整體結(jié)構(gòu)中截取出來的塊體。為了使截取出來的塊體與原位狀態(tài)具有一致的條件,需要對塊體邊界進(jìn)行處理。為此學(xué)者們開展了邊界條件對數(shù)值模擬結(jié)果影響的研究,得到了當(dāng)數(shù)值模型長度、寬度大于3～5倍的所研究結(jié)構(gòu)體(礦體)時(shí),邊界對數(shù)值模擬結(jié)果影響較小的結(jié)論[19-21]。依據(jù)研究成果,選取了長(X向)為1152.78 m,寬(Y向)為890.73 m,高(Z向)為180.32～834.65 m(地表高低起伏較大),礦體水平方向上長度為90～125 m,滿足邊界條件的要求。

在數(shù)值模型中,限制邊界條件和自由面,在X=85 641.734 m 與86 794.523 m 平面上所有節(jié)點(diǎn)在X方向固定,即滑動(dòng)鉸支座。在Y=46 607.016 m與47 497.750 m 平面上所有節(jié)點(diǎn)在Y方向固定,即滑動(dòng)鉸支座。Z=1560.936 m 平面上所有節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上固定,即固定鉸支座,地表為自由面。

數(shù)值模擬的步驟:

(1)模擬礦體開采前的地應(yīng)力平衡;

(2)模擬2016～2000 m 水平壓覆礦體開采;

(3)模擬2004～2016 m 水平壓覆礦體開采;

(4)模擬2004～2016 m 水平充填。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 開采2016～2022 m 水平模擬結(jié)果

由圖3可知,開采2016～2022 m 水平礦體后,形成的采空區(qū)圍巖最大拉應(yīng)力為0.66 MPa,接近巖體抗拉強(qiáng)度極限值0.75 MPa。說明開采2016～2022 m 水平礦體,采空區(qū)頂板存在垮塌崩落的情況,進(jìn)一步影響到既有邊坡的穩(wěn)定性。在采空區(qū)圍巖中壓應(yīng)力最大為0.9 MPa,尚未達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度。從模型應(yīng)力分布云圖可知,礦體開采引起了拉應(yīng)力集中在空區(qū)的上部巖層中,且貫穿至邊坡坡面。

圖3 開采2016～2022 m 水平模擬結(jié)果云圖

發(fā)生變形位移的主要為采空區(qū)頂板處,最大位移值大于0.5 m。變形位移尚未明顯變形到邊坡坡面,但隨著時(shí)間的推移,臨近坡面的巖體逐漸崩落后,勢必會(huì)造成邊坡變形破壞。

開采2016～2022 m 水平礦體后,在采空區(qū)圍巖中產(chǎn)生了塑性變形情況,且圍巖中的塑性區(qū)已經(jīng)與局部邊坡坡面實(shí)現(xiàn)貫通。通過測量發(fā)現(xiàn),采空區(qū)上部36 m 高的巖層中均產(chǎn)生了塑性區(qū),說明在開采的水平方向上部36 m 的高度長時(shí)間作用下,可能會(huì)造成邊坡產(chǎn)生滑坡垮塌等災(zāi)害。因此,在后期開采礦體前一定要做好對應(yīng)區(qū)域的警戒標(biāo)志及在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè),及時(shí)預(yù)防邊坡滑坡。

3.2 開采2004～2016 m 水平模擬結(jié)果

由圖4可知,開采2004～2016 m 水平礦體后,形成的采空區(qū)圍巖最大拉應(yīng)力為0.57 MPa,接近巖體抗拉強(qiáng)度極限值0.75 MPa。說明開采2004～2016 m 水平礦體后,采空區(qū)頂板存在垮塌崩落的情況,進(jìn)一步影響到既有邊坡的穩(wěn)定性。在采空區(qū)圍巖中壓應(yīng)力最大為0.95 MPa,尚未達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度。從模型應(yīng)力分布云圖可知,礦體開采引起了拉應(yīng)力集中在采空區(qū)的上部巖層中,且貫穿至邊坡坡面。

圖4 開采2004～2016 m 水平模擬結(jié)果云圖

發(fā)生變形位移的主要為采空區(qū)頂板處,最大位移值大于0.5 m。變形位移尚未明顯變形到邊坡坡面,但隨著時(shí)間的推移,臨近坡面的巖體逐漸崩落后,勢必會(huì)造成邊坡變形破壞。

開采2004～2016 m 水平礦體后,在采空區(qū)圍巖中產(chǎn)生了塑性變形情況,且圍巖中的塑性區(qū)已經(jīng)與局部邊坡坡面實(shí)現(xiàn)貫通。通過測量發(fā)現(xiàn),采空區(qū)上部64 m 高的巖層中均產(chǎn)生了塑性區(qū),說明在開采的水平方向上部64 m 的高度長時(shí)間作用下,可能會(huì)造成邊坡產(chǎn)生滑坡垮塌等災(zāi)害。因此,在后期開采礦體前一定要做好對應(yīng)區(qū)域的警戒標(biāo)志及在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè),及時(shí)預(yù)防邊坡滑坡。

4 結(jié)論

掛幫礦所處的關(guān)鍵位置、地質(zhì)條件、下伏空區(qū)、近坡體等問題,造成掛幫礦開采一直是難點(diǎn)問題。以具體掛幫礦開采工程為研究背景,采用數(shù)值模擬分析了掛幫礦的開采過程,分析了臨近掛幫礦的坡體應(yīng)力、位移與塑性區(qū)分布等計(jì)算結(jié)果,得到了以下結(jié)論。

(1)壓覆礦體開采后圍巖最大拉應(yīng)力為0.35 MPa,小于巖體抗拉強(qiáng)度極限值0.75 MPa。從模型應(yīng)力分布云圖可知,礦體開采引起了拉應(yīng)力集中在空區(qū)的上部巖層中,且貫穿至邊坡坡面。

(2)發(fā)生變形位移的主要為采空區(qū)頂板處,變形位移尚未明顯變形到邊坡坡面。但隨著時(shí)間的推移,臨近坡面的巖體逐漸崩落后,可能會(huì)造成邊坡變形破壞。

(3)開采2016～2022 m 水平礦體后,在采空區(qū)圍巖中產(chǎn)生了塑性變形情況,且圍巖中的塑性區(qū)已經(jīng)與局部邊坡坡面實(shí)現(xiàn)貫通。采空區(qū)上部36 m 高的巖層中均產(chǎn)生了塑性區(qū)。