露井同期联采对边坡稳定性的影响规律研究-sup-①-_sup-_孙世国.pdf

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露井同期联采对边坡稳定性的影响规律研究 ① 孙世国, 邵树森, 江 俊, 权建源 (北方工业大学 土木工程学院,北京 100144) 摘 要 结合某露井联合开采工程实例,采用有限元软件建立三维模型并通过有限差分法计算边坡体的位移与应力,研究了多阶 段露井联采对边坡稳定性的影响特点及其边坡位移应力分布状况,结果表明,联采过程中采空区两侧在上覆岩体连续下落时边坡 中上部岩体一方面向井工区方向下沉,另一方面朝临空自由面方向位移,边坡下部岩体表现出“倾倒”的位移特征;随着井工开采不 断推进,整个露天矿边坡都处于井采沉陷区,边坡岩土体强度在节理裂隙面逐渐发育张开的过程中逐步减弱,最终导致边坡破坏。 关键词 边坡稳定性; 露井联采; 边坡岩体; 有限元; 变形规律; 有限差分法 中图分类号 TD85文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.05.004 文章编号 0253-6099(2020)05-0015-04 Influence of Combined Method of Opencast and Underground Mining on Slope Stability SUN Shi⁃guo, SHAO Shu⁃sen, JIANG Jun, QUAN Jian⁃yuan (School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China) Abstract An engineering practice with the combined method of opencast and underground mining was taken for studying slope stability. A three⁃dimensional model was established by using finite element analysis software and the displacement and stress of the slope were calculated by using the finite⁃difference method. The influence on the slope stability and the distribution of stress caused by slope displacement at the multi⁃stage of the combined mining of opencast and underground were all explored. The results show that during the combined mining process, the rock mass on the upper and middle part of the slope body sink in the direction of the underground working area when the overlying rock masses on both sides of the goaf are continuously falling down, and there is also a displacement towards the free surface of the slope, showing a “toppling” deformation for the rock mass in the lower part of slope with displacement. With the continuous advancement in the underground mining, the slope of the open⁃pit mine will be completely within the mine subsidence district. The strength of rock⁃soil slope gradually becomes weak as the joints and surface fissure gradually develop and become wider, which will eventually lead to the slope failure. Key words slope stability; combined method of opencast and underground mining; rock mass of slope; finite element; deformation rule; finite⁃difference method 露天和井工联采工艺于 1970 年左右起源于前苏 联。 中国也较早地采用了露井联采方法,迄今为止,国 内有许多矿区采用这种方法开采,还有许多矿区计划 使用这种开采方法[1]。 浅层和深部的矿体在同一时间分别进行露天和井 工开采,露天边坡角和坡体移动变形随着开采的推进而 持续增大,危及矿山的安全,并对周边环境产生破坏作 用[2-3]。 针对露天和井工两种采区空间相对位置关系, 井工采动将直接影响露天边坡岩体的稳定性,导致边坡 变形增大、稳定性降低、开采难度相应增加[4]。 所以为 了保障矿区的作业安全,提高采矿效益并合理降低成 本,有必要研究露天和井工联合开采过程中边坡的变形 机理[5-6]与边坡失稳机制。 1 工程概况 福建省紫金山金铜矿区坐落于福建省上杭县才溪 ①收稿日期 2020-04-13 基金项目 国家自然科学基金(41772335);北方工业大学毓优团队项目(107051360019XN134/017) 作者简介 孙世国(1961-),男,辽宁鞍山人,教授,博士(后),博士研究生导师,主要从事岩土工程方面的研究和教学工作。 第 40 卷第 5 期 2020 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №5 October 2020 镇旧县乡,上部是特大储量低品位金矿,下部为大型储 量铜矿[7-8]。 矿山最高标高+1 138 m,开采坑底最低标 高目前为+700 m,坡高438 m,采场边坡地形单台阶高度 并段前后为 12 m 和 24 m,台阶坡面角大约为 65。 依 据矿山的规划设计,露天开采矿体从标高+340~+100 m, 同期 0~ -200 m 标高的矿体进行井工开采。 +340~ +300 m、+300~+260 m、+260~+220 m、+220~+160 m 和 +160~+100 m 为露天开采的 5 个阶段;0 m、-10 m、 -50 m、-100 m 和-150 m 为地下井工开采的 5 个中 段。 如图 1 所示。 628 m 地下铜矿开采区 0 m中段 -10 m中段 -50 m中段 -100 m中段 -150 m中段 中微风化 中细粒 花岗岩Ⅰ2 中风化中细粒花岗岩Ⅱ1 中微风化中细粒花岗岩Ⅰ1 中强风化中细粒花岗岩Ⅲ 中微风化 中细粒 花岗岩Ⅰ2 中微风化中细粒花岗岩Ⅰ1 24 m 露天金矿开采区 中风化中细粒花岗岩Ⅱ2 72 m 42 43 中微风化中细粒 花岗岩Ⅰ1 中微风化 中细粒 花岗岩Ⅰ1 340 m 300 m 260 m 220 m 160 m 100 m 300 m 1909.5 m 300 m748 m 图 1 矿区分段开采地层简化示意 2 边坡体位移和应力分布特点 2.1 边坡数值模拟分析模型的建立 作为矿区最重要的铜金矿层位白垩系,主要分布 在矿区南部的上杭盆地,有粉砂岩、砂质黏土、紫红色 砂砾岩等砂岩。 矿区地形经强烈的侵蚀和构造运动处 于隆起地段,呈现的大概面貌为深沟峡谷状。 矿区中 部断裂相对发育,特别是北东向和北西向构造运动较 为活跃;北东向构造为宣河复式背斜,呈“S”形蜿蜒, 向西南倾斜,轴面向西北倾斜,两侧有向斜,断裂程度 较严重,一般表现为压扭断裂,部分为张性断裂,总体趋 势为南东或北西向,走向为 40~50。 北西向上杭⁃云霄 断裂带,即断裂整体倾向于南西或北东,倾角 40~80, 走向 300~329。 因此,两大断裂构造带成为矿区的 主要控制区。 根据现场勘察资料,采区岩层岩性主要 表现为中微风化细粒花岗岩、中风化中细粒花岗岩、中 强风化中细粒花岗岩和强风化中细粒花岗岩。 矿山工 程地层相关的岩土物理力学参数如表 1 所示。 表 1 采场岩土体物理力学参数 岩组类别 岩体结构 代号 容重 γ/ (kNm -3 ) 黏聚力 C/ MPa 内摩擦角 φ/ () 弹性模量 E/ GPa 天然泊松比 μ 中微风化中细粒花岗岩Ⅰ1K⁃X29.40.7039.0038.50.31 中风化中细粒花岗岩Ⅰ2C28.40.6538.0837.50.30 中风化中细粒花岗岩Ⅱ1K⁃X26.40.6038.0037.00.33 中风化中细粒花岗岩Ⅱ2C25.40.3535.5037.00.32 中强风化中细粒花岗岩ⅢC⁃X26.20.1533.0427.30.23 强风化中细粒花岗岩ⅣS25.20.1130.4532.80.22 中细粒花岗岩26.61.7036.2050.00.25 英安玢岩26.41.2632.9637.90.26 石英斑岩23.80.5732.948.80.34 铜矿体27.52.2635.5994.30.23 依据紫金山金铜矿开采实际建立了数值模拟分析 模型,如图 2 所示,模型尺寸为 x 方向长 2 036 m,y 方 向长2 000 m,z 方向为1 048 m,模型共划分416 639 个 单元网格和 79 050 个节点。 61矿 冶 工 程第 40 卷 图 2 紫金山金铜矿露井联采数值模型图 依据露天和井工同时自上而下的开采工况进行数 值模拟分析,模拟露井联采影响下 5 个阶段露天边坡 体位移应力演变机制。 2.2 模拟结果分析 数值模拟分析得到各阶段 x、y、z 方向位移云图。 x 方向最大位移值 3.74 m 与 y 方向最大位移值 3.42 m 都出现在最后一个开采阶段,分别是在露天坡中部和 地下采空区两侧的清扫平台。 露天采场边坡岩体 y 方 向位移指向井工采空区中心,呈“盆地”状沉陷,伴随 井工开采的持续进行,位于地表的露天边坡沉陷区域 持续扩展,受联采影响程度持续增加,露天采区+100 m 处岩土体朝井工采区方向滑动,与此同时井工开采的 矿区顶部位置处岩土体也向井工采区方向滑动,随着 各阶段的开采最终出现 19.5 m 的最大沉降位移,而且 最大位移发生的位置就在采空区正上方。 露天边坡 5 个开采阶段 x、y、z 方向的移动变化如图 3~5 所示。 第 5 阶段开采岩体及 A⁃A 剖面 z 方向应力变化云 图分别见图 6 和图 7。 井工开采前,露天边坡 z 向压 应力从左到右呈非线性递减。在露天矿边坡开采过程 位置/m 5 4 3 2 1 0 -1 -20 4647671023127320351591 位移/m ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲▲ ▲▲▲▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆◆◆◆ ◆ ▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲▲ 第1次开挖 第2次开挖 第3次开挖 第4次开挖 第5次开挖 ▲ ▲ ▲ ◆ ▲ 图 3 露天矿边坡 x 方向位移变化 位置/m 4 2 0 -2 -40 4607631019127920001587 位移/m ▲ ▲ ▲ ◆ ▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ◆▲ 第1次开挖 第2次开挖 第3次开挖 第4次开挖 第5次开挖 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲▲▲▲ ▲▲ ▲ ▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆◆◆◆ ◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆ ◆◆◆ ▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 图 4 露天边坡 y 方向位移变化 ▲ 位置/m 0 -5 -10 -15 -20 -250 76712832035 位移/m ▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ ▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲▲ ▲ ▲ ◆▲ 第1次开挖 第2次开挖 第3次开挖 第4次开挖 第5次开挖 ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆ ◆◆◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 图 5 露天边坡 z 方向位移变化 中,露天矿开采岩体体积由左向右持续增大,内部岩体 的外覆岩质量随之一直减小。 观察露天边坡和井工采 区拉应力部分可以发现,露天部分拉应力随着 5 个阶 段的开采不断变大,井工部分拉应力出现在自由端附 近,采至第 5 阶段井工采区自由端附近出现最大拉应 力 4.86 MPa(见图 6)。 从图 7 可见,井工采区正上方 岩体 z 方向最大拉应力为 1.89 MPa,在井工开采采空 区上,该处覆岩连通露天开采的边坡体,在自重应力的 作用下,露天边坡下部岩体发生滑动。 可以说露天边 坡体的滑动是由于井工采区的诱发而不是露天开采时 露天边坡自身的原因。 在露井联采的复合叠加扰动影 响下,露天边坡体坡脚处强度加剧降低,进而露天边坡 岩体滑动速度变快,破坏程度变大。 71第 5 期孙世国等 露井同期联采对边坡稳定性的影响规律研究 图 6 第 5 阶段开采 z 方向应力变化云图 图 7 第 5 阶段 A⁃A 剖面 z 方向应力变化云图 3 结 论 在 FLCA3D软件中模拟了露天和井工联合开采工 况下的位移场和应力场,并对边坡位移应力进行了系 统分析,通过分析得出 1) 由于位于采空区两侧的上覆岩体在开采初期 厚度不同,在上覆岩体连续下落时边坡中上部岩体一 方面向井工区方向下沉,另一方面朝临空自由面方向 位移。 2) 边坡中上部岩体的位移随采空区厚度增加而 增大,边坡下部岩体表现出“倾倒”的位移特征。 随着 井工开采不断推进,整个露天矿边坡都处于井采沉 陷区。 3) 在露天边坡中,产生的拉应力致使边坡表面出 现大量的采动裂隙。 边坡岩土体的强度在节理裂隙面 逐渐发育张开的过程中逐步减弱,最终导致边坡破坏。 参考文献 [1] 王 东,吴国辉,曹兰柱,等. 露井联采含断层逆倾边坡岩移规律 试验研究[J]. 金属矿山, 2018(5)35-39. [2] 王创业,李俊鹏,刘 伟,等. 露井联采下边坡稳定性及时效性研 究[J]. 煤矿安全, 2018,49(8)258-261. [3] 赵 强,豆玉杰,黄其冲. 露井联采中采矿方法对露天边坡的稳定 性分析研究[J]. 金属矿山, 2019(1)174-180. [4] 刘艳章,蔡原田,张 奎,等. 露天转地下开采充填体变形参数对 边坡稳定性影响研究[J]. 矿冶工程, 2019,39(1)1-4. [5] 孙世国,张玉娟,苗子臻,等. 露天转地下开采对边坡稳定性的影 响[J]. 金属矿山, 2016(7)171-174. [6] 孙世国,郭炜晨,刘文波,等. 露天转地下开采诱发高边坡滑移机 制研究[J]. 金属矿山, 2015(5)162-165. [7] 周友清. 福建紫金山矿区金矿床次生富集规律初探[J]. 贵州地 质, 2015,32(2)119-125. [8] 崔晓琳,刘文元,刘 羽,等. 紫金山高硫型金铜矿的矿床地质研 究进展[J]. 矿物学报, 2015,35(2)167-177. 引用本文 孙世国,邵树森,江 俊,等. 露井同期联采对边坡稳定性的 影响规律研究[J]. 矿冶工程, 2020,40(5)15-18. 关于检测学术不端的公告 为弘扬良好学术风气,保护知识产权,防止抄袭、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、一个学术成果多篇发表等 学术不端行为,本刊与中国学术期刊(光盘版)电子杂志社合作,由中国学术期刊(光盘版)电子杂志社学术不端 文献检测中心对本刊网络版刊登的文章进行系统检测,并按照“中国学术期刊网络出版总库删除学术不端文 献暂行办法”,对出现以上学术不端行为的文章作出严肃处理。 特此公告 矿冶工程杂志编辑部 2020 年 10 月 81矿 冶 工 程第 40 卷
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