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隔离层厚度对露天最终边帮破坏形式及稳定性影响研究 ① 吴恩桥1， 刘艳章1，2， 潘杨月1， 潘世华1， 蔡原田1 （1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081； 2.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081） 摘 要 以霍各庄铁矿露天转地下首阶段开采为工程背景，选取典型勘探线剖面，建立二维有限元数值模型，运用有限元局部强度 折减法计算不同隔离层厚度下地下首阶段开采时露天最终边帮破坏形式及安全系数。 分析表明，霍各庄铁矿地下首阶段开采时， 隔离层厚度低于 19 m 时会造成露天最终边帮失稳，隔离层厚度在 19～28 m 范围内时，顶帮塑性变形区由坡脚先向首阶段采空区上 盘侧壁发展，再向坡顶扩展贯通，隔离层厚度在 28～50 m 范围时，顶帮塑性变形区直接由坡脚贯通至坡顶；顶帮安全系数随隔离层 厚度增大而增大，但增长速率逐渐减小，隔离层厚度超过 45 m 时，顶帮安全系数变化不再显著；底帮塑性变形区由坡脚贯通至坡 顶，且安全系数无变化，底帮破坏形式和稳定性受隔离层厚度影响较小；霍各庄铁矿考虑边帮稳定性时隔离层厚度应不低于 25 m。 研究结果可为霍各庄铁矿及类似露天转地下开采矿山合理隔离层厚度的选择提供指导。 关键词 霍各庄铁矿； 隔离层厚度； 首阶段开采； 边帮破坏形式； 安全系数 中图分类号 TD325文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.06.003 文章编号 0253-6099（2018）06-0012-05 Effect of Isolation Layer Thickness on Stability and Failure of Final Pit Slope of Open Cut Mine WU En-qiao1， LIU Yan-zhang1，2， PAN Yang-yue1， PAN Shi-hua1， CAI Yuan-tian1 （1.School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， Hubei， China） Abstract Huogezhuang Iron Mine is in the first stage of mining after transition from open-pit mining to underground mining. In the study， a typical prospecting line profile of the iron mine was selected to establish a two-dimensional finite element numerical model. Then， finite element strength reduction （local） was adopted to calculate the failure and safety coefficient of final pit slope during the first stage of mining with different thickness of underground isolation layer. Analysis showed that in the first stage of underground mining， an isolation layer with the thickness less than 19 m will result in the failure of final pit slope. And when an isolation layer is 19～28 m in thickness， the plastic deation zone of topwall will develop from the toe of slop to the hanging wall of the stope， then up to the crest. But with an isolation layer being 28～50 m in thickness， the plastic deation zone of topwall will running through from the toe directly to the crest of the slope. Safety factor of topwall will increase with an increase in the thickness of isolation layer， with the rising rate in a gradual decline. However， when an isolation layer is over 45 m in thickness， there will be little change in the safety factor of topwall and the plastic deation zone of the footwall will run through from the toe to the crest of slop with the safety factor unchanged， indicating the thickness of isolation layer will bring less impact on the stability and failure mode of footwall. Based on the study， the isolation layer was determined to be no less than 25 m in thickness for slope stability in Huogezhuang Iron Mine. This study may be of reference for selecting reasonable thickness of isolation layer for mines with similar practice of transition from open-pit mining to underground mining. Key words Huogezhuang iron mine； isolation layer thickness； first stage of mining； slope damage ； safety factor 露天矿山开采到一定深度后，继续进行露天开采会造成剥岩量增加，露天边帮高度增大，无法满足矿山 ①收稿日期 2018-06-03 基金项目 国家自然科学基金（51074115，51574183）；湖北省自然科学基金（2015CFA142） 作者简介 吴恩桥（1992-），男，湖北利川人，硕士研究生，主要从事矿山岩石力学、矿山安全等方面的研究。 第 38 卷第 6 期 2018 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №6 December 2018 ChaoXing 经济和安全要求，往往需要转入地下开采［1-2］。 在转 入地下开采后，地下首阶段开采形成的采空区逐渐扩 大，易引起露天最终边帮坡脚附近产生较大的局部变 形和破坏。 随着坡脚附近局部变形破坏的扩展和延 伸，容易造成露天最终边帮的整体失稳［3-4］，威胁地下 采场安全。 露天转地下矿山开采时，需要在露天境界 底部与地下采场间预留一定厚度的矿柱，该矿柱即为 隔离层［5-6］。 隔离层是分隔地下首中段与露天最终边 帮的安全屏障，隔离层可以减小地下首阶段开采对露 天最终边帮坡脚的扰动作用。 国内外学者采用各类边坡稳定分析方法对露天境 界扩帮开采和地下开采扰动下的露天最终边帮稳定性 展开了相应的研究［7-9］，较好地解决了许多实际工程 问题。 相关学者结合采场顶板安全厚度的理论估算公 式和实际工程情况，确定了合适的厚跨比，并以此为依 据选取隔离层厚度［10-12］。 本文以霍各庄铁矿典型勘探线剖面为例，建立露 采终了时和不同隔离层厚度下地下首阶段开采时的二 维有限元数值模型，采用有限元局部强度折减法［13-15］ 计算露采终了时和不同隔离层厚度下首阶段开采时的 露天最终边帮潜在滑移面及安全系数，分析隔离层厚 度对露天最终边帮破坏形式及稳定性的影响，为露天 转地下矿山隔离层厚度的选择和矿山安全生产提供相 关指导。 1 工程概况 霍各庄铁矿露天开采已经结束，形成了高度大于 100 m，顶、底帮最终帮坡角分别为 47和 49的高陡边 坡，坑底标高为 0 m；即将进行的地下矿体开采范围为 0～-240 m，矿体倾角为 60～65，矿体平均厚度约为 40 m，地下采矿方法为分段凿岩阶段出矿嗣后充填法， 阶段高度为 70 m；露天坑底与地下首阶段间的隔离层 跨度为 40 m。 霍各庄铁矿典型勘探线剖面工程概况 如图 1 所示。 片麻岩 角砾岩 闪长岩 磁铁矿 隔离层 首阶段 47 49 顶帮 70 40 闪长岩 角砾岩 底帮 图 1 霍各庄铁矿典型勘探线剖面工程概况 根据霍各庄铁矿地质资料，矿山主要矿岩物理力 学参数如表 1 所示。 表 1 矿岩物理力学参数 岩石 类型 内聚力 / MPa 内摩擦角 / （） 密度 / （kgm -3 ） 弹性模量 / GPa 泊松 比 片麻岩1.542.52 7002.50.25 角砾岩0.843.02 6302.00.25 闪长岩1.043.22 5002.00.24 磁铁矿0.840.24 1202.50.24 2 隔离层厚度对边帮破坏形式及稳定 性影响定性分析 露天开采终了时，最终边帮多是由边帮坡脚发生 局部变形，产生塑性变形区，变形区由坡脚沿某一路径 延伸至坡顶，形成坡脚至坡顶的塑性贯通区，造成边 帮整体失稳，露采终了时顶帮和底帮潜在滑移面如 图 2（a）所示。 矿体 潜在滑移面 露天边帮 潜在滑移面 矿体 隔离层 采空区 露天边帮 潜在滑移面4 围岩 潜在滑移面2 潜在滑移面3 潜在滑移面1 围岩 围岩围岩 （a） （b） 图 2 露天边帮失稳破坏形式示意 （a） 露天开采终了时； （b） 地下首阶段采空区未充填 隔离层厚度不同，采空区与露天边帮的距离不同， 采空区对边帮稳定性状态影响不同。 顶帮位于采空区 上方，地下开采对其影响较大，若隔离层厚度太小，则 其承载力较低，受围岩及采空区影响，可能发生破坏垮 塌，造成坡脚发生破坏，直接威胁到露天边帮的稳定 性，造成露天边帮的失稳，如图 2（b）中的潜在滑移面 1；若隔离层厚度满足承载力要求，但隔离层厚度较小， 首阶段采空区与露天顶帮坡脚较近，首阶段矿体开挖 后，采空区附近围岩会发生较大变形，顶帮坡脚产生局 部塑性变形区可能向采空区上盘侧壁发展，使顶帮坡 脚的塑性变形区先向采空区上盘侧壁发展贯通，再向 坡顶延伸扩展，造成最终边帮的失稳，如图 2（b）中的 潜在滑移面 2；若隔离层厚度较大，采空区与露天顶帮 坡脚距离较远，则顶帮坡脚产生的局部变形区不会向 采空区上盘侧壁发展，而直接向坡顶延伸，如图 2（b） 31第 6 期吴恩桥等 隔离层厚度对露天最终边帮破坏形式及稳定性影响研究 ChaoXing 中的潜在滑移面 1，此时采空区附近围岩产生的较大 变形会直接向坡顶扩展，形成采空区上盘侧壁至坡顶 的潜在破坏路径，如图 2（b）中的潜在滑移面 3，该滑 移面为采空区围岩破坏形式。 由于露天底帮位于采空 区下盘，且距离采空区较远，隔离层厚度和首阶段采空 区对其影响较小，产生的滑移面仍由坡脚至坡顶，如图 2（b）中的潜在滑移面 4。 3 露天边帮破坏形式及稳定性数值计算 以霍各庄铁矿典型勘探线剖面为对象，根据表 1， 建立露采终了时和不同隔离层厚度下的二维有限元数 值模型，结合前文露天边帮破坏形式定性分析，考虑隔 离层厚度对边帮破坏形式的影响，采用有限元局部强 度折减法分别对采空区上下盘围岩及顶、底帮围岩进 行局部强度折减，确定露采终了时和不同隔离层厚度 下首阶段开采时的露天最终边帮破坏形式及安全系 数。 为研究不同隔离层厚度下露天边帮破坏形式及稳 定性规律，结合工程实际隔离层厚度的取值，在建立数 值模型时，隔离层厚度均取整数值，所有模型边界条件 为左右边界施加 X 方向上的约束，下边界施加固定 约束，上边界为自由边界，对模型施加自重应力场。 模 型网格划分及边界条件加载示意如图 3 所示。 图 3 模型网格划分及边界条件加载示意 3.1 露采终了时边帮破坏形式及稳定性数值计算 采用局部强度折减法分别对露采终了时的矿体 上、下盘围岩进行折减，确定露天境界顶、底帮的破坏 形式及安全系数，强度折减至有限元计算不收敛或塑 性区贯通至坡顶时终止，得到露采终了时的等效塑性 应变分布云图如图 4 所示。 由图 4 可知，露采终了时， 露天最终边帮潜在失稳均从坡脚开始，塑性区由坡脚 逐渐发展至坡顶，导致边坡整体失稳。 通过对露采终 了时的矿体上、下盘围岩进行局部强度折减，得到露天 境界顶、底帮安全系数分别为 1.98 和 1.84，露采终了 时露天境界最终边帮稳定性较好。 3.2 不同隔离层厚度下边帮破坏形式及稳定性数值 计算 为使隔离层满足承载力要求，需确定隔离层的最 图 4 露采终了时的塑性等效应变分布云图 （a） 顶帮； （b） 底帮 小厚度。 建立不同隔离层厚度的数值模型进行试算， 对不同隔离层厚度下的数值模型进行首阶段开挖的弹 塑性计算，试算结果表明，隔离层厚度不低于 19 m 时， 计算结果收敛，此时隔离层厚度才能满足承载力要求， 因此，当隔离层厚度低于 19 m 时，隔离层会产生过大 变形而发生破坏垮塌，失去承载力，而隔离层是分隔地 下首阶段与露天最终边帮的安全屏障，隔离层的破坏 也将导致露天边帮坡脚发生破坏，造成露天最终边帮 失稳。 3.2.1 边帮破坏形式 在隔离层厚度满足承载力的前提下，选取不同隔 离层厚度值进行数值建模，由于隔离层厚度不同，首阶 段采空区与边帮坡脚距离不同，采空区对边帮的影响 也有所差异，为考虑采空区围岩变形的影响，采用有限 元局部强度折减法对不同隔离层厚度下首阶段采空区 上、下盘围岩及顶、底帮围岩进行折减，探讨不同隔离 层厚度下露天最终边帮破坏形式。 经过试算，折减采空区上盘围岩时，隔离层厚度在 19～28 m 范围内，采空区上盘侧壁围岩和顶帮坡脚发 生较大变形，由于采空区距离顶帮坡脚较近，顶帮坡脚 塑性变形区先向采空区上盘侧壁发展贯通，之后再向 坡顶扩展。 当隔离层厚度大于 28 m 时，矿体上盘采空 区侧壁围岩与顶帮坡脚仍发生较大变形，由于采空区 距离边帮坡脚较远，采空区围岩塑性变形区没有与顶 帮坡脚贯通，而是沿某一路径向地表扩展延伸，形成采 空区上盘侧壁至地表的潜在滑移路径，此时只能得到 采空区围岩的破坏形式，顶帮坡脚仍产生了较大变形。 其中，隔离层厚度分别取 25 m 和 45 m 时，对采空区上 盘围岩进行局部强度折减后的等效塑性应变分布云图 如图 5 所示。 41矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 图 5 等效塑性应变分布云图（折减上盘围岩） （a） 25 m； （b） 45 m 对不同隔离层厚度下首阶段开挖后的顶帮围岩进 行局部强度折减时，地下首阶段开采后，露天境界顶帮 产生坡脚至坡顶的潜在滑移面。 其中，隔离层厚度取 45 m 时首阶段开采后对顶帮围岩进行局部强度折减 的等效塑性应变分布云图如图 6 所示。 图 6 等效塑性应变分布云图（折减顶帮围岩） 对不同隔离层厚度下地下首阶段开采后的采空区 下盘围岩及底帮围岩分别进行局部强度折减，均是底 帮坡脚产生较大变形，并沿某一路径向坡顶扩展延伸， 产生坡脚至坡顶的潜在滑移面，其中隔离层取 25 m 时 对采空区下盘围岩进行局部强度折减后的等效塑性应 变分布云图如图 7 所示，隔离层厚度与首阶段采空区 对底帮破坏形式影响较小。 图 7 等效塑性应变分布云图（折减下盘围岩） 通过对不同隔离层厚度下首阶段开采后的数值模 型进行局部强度折减，得到采空区围岩和露天边帮的 破坏形式，通过对比分析，对顶帮围岩局部强度折减 时，顶帮破坏形式与露采终了时一致，对上盘围岩进行 局部强度折减时，隔离层厚度对顶帮破坏形式影响较 大，隔离层厚度决定了顶帮坡脚塑性变形区在贯通至 坡顶前是否向采空区上盘侧壁发展；底帮破坏形式受 采空区及隔离层厚度影响较小，不同隔离层厚度下首 阶段矿体开挖后露天最终边帮破坏形式数值计算结果 与前文理论定性分析一致。 3.2.2 边帮安全系数 采用局部强度折减法对露天境界上、下盘围岩及 顶、底帮围岩分别进行局部强度折减，研究隔离层厚度 对露天边帮稳定性的影响。 不同隔离层厚度下根据不 同折减区域得到的折减系数如表 2 所示。 表 2 不同隔离层厚度下的折减系数 隔离层厚度 / m 不同折减区域折减系数 上盘围岩顶帮围岩下盘围岩底帮围岩 ＜190.89 191.021.171.721.72 221.121.211.721.72 251.201.351.721.72 281.271.401.721.72 291.281.421.721.72 351.311.511.721.72 401.351.681.721.72 451.361.791.721.72 501.381.801.721.72 由表 2 可知，不同隔离层厚度下首阶段矿体开挖 后，折减区域不同，所得折减系数不同，为研究隔离层 厚度对露天境界最终边帮稳定性的影响，应以边帮潜 在破坏时的折减系数为安全系数。 通过对比分析，当 隔离层厚度在 19～28 m 范围内，对上盘围岩和顶帮围 岩分别进行局部强度折减时，均是由顶帮坡脚产生塑 性区，最后贯通至坡顶，但折减上盘围岩所得安全系数 均小于折减顶帮围岩时的安全系数，因此，折减上盘围 岩时所得潜在滑移面是顶帮潜在失稳的最危险滑移 面，此时应以上盘围岩折减系数为顶帮安全系数，隔离 层厚度在该范围内时顶帮坡脚产生的塑性变形区先与 采空区上盘侧壁贯通，再沿某一路径向坡顶扩展；当隔 离层厚度在 28～50 m 范围内时，由于采空区距离顶帮 坡脚较远，折减上盘围岩后顶帮坡脚塑性变形区没有 向首阶段采空区上盘侧壁扩展，只得到采空区附近围 岩的破坏形式，但露天顶帮坡脚仍产生了较大变形，为 确定隔离层在该范围内的顶帮安全系数，此时应以顶 帮围岩折减系数为顶帮安全系数，顶帮产生由坡脚至 坡顶的潜在滑移面。 因此，不同隔离层厚度下顶帮破 坏形式有所差异，不同隔离层厚度下首阶段开挖后的 51第 6 期吴恩桥等 隔离层厚度对露天最终边帮破坏形式及稳定性影响研究 ChaoXing 露天最终边帮安全系数如表 3 所示。 表 3 不同隔离层厚度下露天最终边帮安全系数 隔离层厚度 / m 安全系数 顶帮底帮 ＜190.89 191.021.72 221.121.72 251.201.72 281.271.72 291.421.72 351.511.72 401.681.72 451.791.72 501.801.72 由表 3 可知，顶帮安全系数有明显的变化，霍各庄 铁矿地下首阶段开采时隔离层厚度对露天顶帮影响较 大，露天境界顶帮稳定性受采空区影响较大；底帮安全 系数无变化，底帮受隔离层厚度和首阶段采空区影响 较小。 通过对比不同隔离层厚度下首阶段开挖及露采 终了时露天最终边帮安全系数，随着隔离层厚度增加， 露天顶帮的安全系数逐渐增大，并逐渐接近露采终了 时的顶帮安全系数，表明采空区对露天边帮稳定性有 所影响，而隔离层厚度越大，采空区对顶帮稳定性影响 越小，首阶段开挖时底帮安全系数基本不变，但仍低于 露采终了时底帮安全系数，表明首阶段采空区对底帮 稳定性有一定影响，但隔离层厚度对其影响较小。 3.3 顶帮安全系数与隔离层厚度的关系分析 通过对霍各庄铁矿露采终了时和不同隔离层厚度 下首阶段开采时露天最终边帮破坏形式及安全系数的 计算，露采终了时，露天边帮较稳定；当隔离层厚度在 0～19 m 范围时，隔离层承载力较低，受采空区及上下 盘围岩影响，隔离层发生破坏垮塌，会造成边帮的失稳， 此时顶帮安全系数为0.89；当隔离层厚度在19～28 m 范 围时，顶帮坡脚产生的塑性变形区先与首阶段采空区 上盘侧壁变形区发生贯通，再向坡顶扩展；当隔离层厚 度在 28 ～ 50 m 范围时，首阶段采空区与顶帮坡脚较 远，坡脚产生的塑性变形区直接向坡顶扩展。 露天境 界顶帮安全系数随隔离层厚度增大而增大，底帮安全 系数无明显变化。 霍各庄铁矿地下首阶段开采时露天 境界顶帮安全系数与隔离层厚度的关系曲线如图 8 所 示。 由图 8 可知，地下首阶段采空区与隔离层厚度对 顶帮稳定性影响显著，随着隔离层厚度增加，顶帮安全 系数逐渐增加，但增长幅度逐渐减小。 由于底帮位于 采空区下盘，且距离采空区较远，底帮安全系数受采空 区及隔离层厚度影响较小，底帮安全系数无明显变化， 一直处于稳定状态。 隔离层厚度/m 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 2015253035404550 顶帮安全系数 y -0.0005x20.058x0.0596 R2 0.983 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 8 露天境界顶帮安全系数与隔离层厚度的关系 霍各庄铁矿露天最终边帮高度在 100～300 m 范 围内，根据规范其设计安全系数应不小于 1.2［16］，由图 8 可知，若要保证露天最终边帮的安全，隔离层厚度取 值不能小于 25 m。 考虑到隔离层厚度对露天最终边 帮稳定性的影响，为确保露天最终边帮的安全，霍各庄 铁矿隔离层厚度取值应不低于 25 m。 4 结 论 1） 隔离层厚度小于 19 m 时会发生破坏垮塌，造 成边帮失稳；隔离层厚度在 19～28 m 范围时，顶帮塑 性变形区由顶帮坡脚先向采空区上盘侧壁发展，再向 坡顶扩展贯通，隔离层厚度在 28～50 m 范围时，顶帮 塑性变形区直接由坡脚贯通至坡顶；底帮塑性变形区 由坡脚发展至坡顶，其破坏形式受隔离层厚度影响 较小。 2） 隔离层厚度在 19～50 m 范围内增加时，顶帮 安全系数随隔离层厚度增加而增大，但增长速率逐渐 减小，隔离层厚度超过 45 m 后，顶帮安全系数无明显 变化，继续增大隔离层厚度对顶帮稳定性影响不再显 著；底帮安全系数无变化，其稳定性受隔离层厚度影响 较小；若要保证霍各庄铁矿露天最终边帮的安全，隔离 层厚度取值不能小于 25 m。 3） 露天转地下矿山地下开采时，隔离层厚度在一 定范围内增加有利于露天最终边帮的稳定，超过一定 范围对边帮稳定性影响不再显著，只会造成矿产资源 的浪费。 研究结果对保证霍各庄铁矿及类似露天转地 下开采矿山露天最终边帮的稳定、隔离层厚度的合理 选择具有重要指导意义。 参考文献 ［1］ 李海英，任凤玉，严国富，等. 露天转地下过渡期岩移危害控制方 法［J］. 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