露井联采中采矿方法对露天边坡的稳定性分析研究_赵强.pdf

露井联采中采矿方法对露天边坡的稳定性分析研究 赵强 1 豆玉杰 2 黄其冲 1 （1. 北方爆破科技有限公司， 北京 100089； 2. 北京奥信化工科技发展有限责任公司， 北京 100043） 摘要在露天矿露井联采阶段， 地下开挖采矿方法的不合理选择可能会对露天边坡的稳定性造成扰动， 以 致出现边坡失稳、 地面塌陷以及排土场滑塌等灾害事故， 这就增加了对边坡以及排土场等的维护费用。为了减少地 下开挖对边坡扰动的影响， 结合某露天磷矿的工程背景， 利用ANSYS有限元法进行数值模拟分析， 通过对未开挖、 上向水平分层充填法、 空场法3种情况下对边坡和隔离带的影响分析， 得出使用充填法进行地下开挖时， 隔离层的 变化较小， 边坡局部有影响且可能发生破坏， 则需对边坡加强防护措施。使用空场法时， 开挖结束后采空区附近和 隔离层底部的位移量比较大， 在此种情况下边坡整体不会出现失稳， 但局部可能发生破坏， 需同时对边坡和隔离层 做保护措施。通过对比可知充填法的整体安全系数较高， 所以在今后的开采中可优先考虑充填法。 关键词露井联采边坡数值模拟稳定性分析 中图分类号TD854.6文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-174-07 DOI10.19614/ki.jsks.201901030 Influence of Mining on Stability of Open Pit Slope in the Open-underground Combined Mining Process Zhao Qiang1Dou Yujie2Huang Qichong1 （1. North Blasting Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China； 2. Beijing Auxin Chemical Technology Co.， Ltd.， Beijing 100043， China） AbstractIn the phase of open-underground combined mining， the unreasonable selection of underground mining meth⁃ ods may disturb the stability of open-pit slopes and even lead to such disasters occurrence as slope instability，surface col⁃ lapse and dumping landslide. These increases the maintenance cost of open-pit slopes and dumps. In order to reduce the dis⁃ turbance of underground excavation on slope， and combined with the engineering background of a certain open pit phosphate mine， the finite element of ANSYS is used to carry out the numerical simulation analysis. Through the analysis of the influences on the slope and isolation zone under the three conditions of non-excavation， upward horizontal slicing filling meth⁃ od and open-pit ， it is concluded that the change of the isolation layer is small when using the filling for under⁃ ground excavation. Local slopes are affected and may be damaged, it is necessary to strengthen the protection measures for the slope. When the empty field is used, the displacement near the goaf and the bottom of the isolation layer after the exca⁃ vation is relatively large.In this case, the slope as a whole will not appear instability, but local damage may occur, The slope and isolation layer need to be protected at the same time. By comparison, it can be seen that the overall safety factor of the fill⁃ ing is high, Therefore, filling can be given priority in future mining. KeywordsThe open-underground combined mining， Slope， Numerical simulation， Stability analysis 收稿日期2018-09-15 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金项目 （编号 2017IVA048） 。 作者简介赵强 （1986） ， 男， 工程师， 硕士。 目前， 在我国越来越多的露天矿开始转向深凹开 采， 为了避免深凹开采引起的高额费用以及对边坡的 损害， 大多矿山选择采用露井联采的开采方式； 而在 露井联采阶段， 由于地下开挖采矿方法选择不合理等 因素的影响， 难免对露天边坡的稳定性造成扰动， 以 致出现边坡失稳、 地面塌陷以及排土场滑塌等灾害事 故， 这就增加了对边坡以及排土场等的维护费用， 给 矿山安全生产和经济效益造成了较大的影响和损 失。一些学者就此问题做过有益的研究， 孙旭光等 ［1］ 分析了露井联采对边坡稳定性的影响以及用计算机 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 174 ChaoXing 模拟实验验证井工开采可导致边坡台阶变形失稳； 彭 洪阁等 ［2］根据工程实例建立数值模型对边坡和梁结 构进行了研究分析， 分析出露井联采条件下的边坡扰 动是由于地下开采过程中的顶板变形而引起的。本 研究采用ANSYS有限元进行数值模拟， 依据采矿方 法的不同， 对隔离层和边坡进行稳定性影响分析， 分 析露井联合开采时边坡中的复合应力场及位移场， 探 讨地下开采合理采矿方法的选择。 1综合分析 ［3-16］ 露井联采中一般有2种类型的滑动 岩体沿坡面 滑动和岩体向采空区滑动。在联合开采过程中， 露 天坑底上覆岩体随着地下开采扰动， 地表会发生下 沉拉裂等变形破坏。由于地下采动扰动影响， 采空 区隔离层下部岩体会发生掉落、 弯曲等变形。露天 地下联合开采初期， 由于地下开挖工程量较小， 扰动 范围有限， 露天边坡稳定性基本不变。但随着地下 开采工程量的逐渐加大， 地下扰动范围逐渐变大， 边 坡应力发生改变， 应力重新分布， 使边坡岩土体发生 改变， 边坡的稳定性降低； 如果扰动过大， 边坡就失 稳， 会发生沿坡面滑坡事故。如果地下扰动使露天 坑底地表发生沉降或塌陷坑， 那么它的产生就会加 大坡面角， 改变了岩体边坡的边界条件， 从而就会引 起边坡发生失稳。 2数值模拟分析 2. 1模型建立 某磷矿采空区跨度50 m， 分段高度15 m， 预留隔 离层厚度为50 m。利用ANSYS有限元模拟软件建立 磷矿模型并进行分析， 在此过程中考虑岩体的自重 应力， 采用位移边界条件， 模型两侧采用水平固定约 束， 底部采用固定约束。 模型如图1所示。网格划分如图2所示。图1中 中间划分的三部分是待开挖的矿体。模型建立所需 的力学参数如表1所示。 2. 2不同采矿方法对边坡稳定性影响分析 通过数值模拟分析地下开采未开挖、 采用上向 水平分层充填法、 空场法开挖过程中边坡和隔离层 节点的位移和应力变化。 2. 2. 1矿体未开挖边坡原始状态计算分析 地下开采未开挖边坡位移应力云图见图3。 从图3 （a） 可以看出， 在未进行开挖前， 最大水平 位移出现在边坡的坡顶处， 然后随着坡度的降低， 位 移也呈现递减趋势， X 方向水平最大位移为 31.98 mm， 因为底边固定约束， X方向负位移发生在矿体的 下盘， 最大值为-18 mm。由图3 （b） 可以看出最大垂 直位移出现在模型边坡的最右侧， Y方向垂直最大位 移为343.132 mm。从图3 （c） 可以知道， 最大的正剪 切应力出现在模型的底部矿体处， 大小为0.54 MPa； 最大负剪切应力出现在北帮边坡坡底处， 大小为 5.35 MPa。 2. 2. 2上向分层水平充填法结果分析 上向水平分层充填法边坡位移应力云图见图4。 由模拟结果图4 （a） 、 图4（b） 、 图4（c） 、 图4（d） 可知， 第一次进行开挖后， 形成采空区， 导致采空区 上部岩体发生变化， X方向出现由采空区向外的移 动。随着开挖的持续以及充填的进行， 对边坡和隔 离层的影响也随之变化； 由于采空区的产生， 隔离层 位移量由内向外逐渐减小， 且相对于未开采时位移 量都有增大； 但最终随着采空区充填结束， 隔离层各 节点中最大位移的变化发生在隔离层最底部中间 处， 由第一次开挖产生的正位移量0.6 mm变为了充 赵强等 露井联采中采矿方法对露天边坡的稳定性分析研究2019年第1期 175 ChaoXing 填后的负位移量1.9 mm。南北帮边坡上各节点X方 向的位移也随开采的进行发生变化， 开挖扰动使边 坡X方向发生变化的位移最大处在坡底处， 但随着充 填的进行， 变化量逐渐变小， 由开挖的22 mm变为16 mm。由图4 （e） 、 图4（f） 、 图4（g） 、 图4（h） 可知， 随着 地下开采的进行， 隔离层和边坡Y方向的位移也发生 变化， 变化较大的出现在隔离层的最底部， 由于开挖 扰动， 以及采空区的形成， 以及到最终充填结束， Y方 向位移由第一次开挖后的-160.3 mm变化为第一次 充填结束后的-153 mm； Y方向位移在整个开挖充填 过程中从未开挖的-110.29 mm 变化为充填结束后 的-111.98 mm。边坡沿Y轴的变化相对于X轴方向 较为明显， 因为只考虑到自重应力的影响， 变化最大 的在坡底处， 由第一次开挖后的-160.2 mm变化为充 填后的-155.8 mm； 整个过程中位移从未开挖的-155 mm变化为-155.9 mm。 由应力云图4 （i） 、 图4 （j） 、 图4 （k） 、 图4 （l） 可以 了解到， 随着地下开挖的进行， 破坏了原岩应力的平 衡状态， 应力重新分布， 在第一次开挖结束后， 由图 4 （i） 可以看出， 在采空区上下顶底板的左右处出现 应力集中现象， 其中下底板应力集中为最大， 最大值 为3.27 MPa,并且在边坡的坡脚处也有应力集中， 值 为-4.08 MPa。随着开挖充填的进行， 应力一次又一 次地重新分布， 边坡各节点的应力值也随着发生变 化， 稳定性也在逐渐发生变化， 当这一阶段开采完 成， 充填也结束， 此时应力分布最大值在充填体的最 底部， 值为3.81 MPa， 最大负剪切力在北帮边坡的坡 底处， 值为-4.15 MPa。由此可以看出来， 虽受地下开 采的影响， 北帮边坡暂不会发生大面积破坏， 但局部 有可能发生破坏。 2. 2. 3空场法开采结果分析 空场法边坡位移应力云图见图5。 当矿块开采后形成了采空区， 上部岩体受到自 重力的作用， 就会产生向下运动的趋势， 隔离层就会 发生向 “楔子” 形状的变化。空场法开挖的特点是留 采空区， 由于采空区的不断加大， 隔离层和边坡的位 移和应力也随之发生变化。从图4 （a） 和图5 （a） 、 图5 （b） 可以看出， 随着采空区的加大， X方向位移也逐渐 加大， 北帮边坡顶部的位移变化最为明显， 不仅仅是 变化尺度的加大， 同时位移的范围也变大， 最大X位 移为44.8 mm。由图4 （e） 和图5 （c） 、 图5 （d） 可知， Y 方向的位移也随着采空区的增大而变大， 主要表现 在采空区附近， 尤其是隔离层底部中间的变化最为 明显， 由未开挖前-110.29 mm变为-128.33 mm， 使用 空场法时， 随着开挖的进行到开采结束应力进行重 分布， 此时采空区边界岩石应力过于集中， 所以在地 压长时间作用下当应力大于岩石剪切强度时便可能 导致顶板脱落。 再从XY面剪切应力云图进行应力分析， 相比较 于未开挖和充填法开采， 采用空场法应力集中更为突 出明显， 在开挖过程中的变化更大。由图4 （i） 和图5 （e） 、 图5 （f） 可以直观地看出剪切应力的变化以及集 中区， 最大应力集中区在采空区底部， 最大值为4.97 MPa， 而在北帮边坡的坡底脚处也出现最大的负剪切 2019年第1期总第511期金属矿山 176 ChaoXing 应力集中区， 最大值-5.44 MPa； 露天矿边坡在此剪切 应力作用下， 整体不会出现失稳， 但局部可能发生破 坏。如果地下开采选择空场法进行， 边坡和隔离层不 做保护措施， 在开采过程中就有可能发生安全事故。 2. 2. 43种情况比较 对比图3～图5可以直观地看出边坡和隔离层在 矿体未开挖、 采用上向水平分层充填法开挖和空场法 开挖过程中的变化， 露天地下联合开采相对于单一的 露天开采岩体的变化更加复杂， 每一次的开挖， 都会 引起应力的重新分布， 在此过程中边坡就会存在一定 的安全隐患。从上述2种方法开采来看， 分层充填法 相比较未进行地下开挖的边坡来说， 还是对边坡产生 了一定影响， 因为分层充填法在开采过程中也存在着 采空区， 只是采空区存在的时间相对于其他采矿方法 来说较短， 因此对边坡和隔离层的影响相对较小； 由 于地下采空区的长期存在， 以及采空区的逐渐扩大， 空场法地下开挖对边坡和隔离层的影响较大。下面 通过所统计的隔离层和边坡节点在3种情况下的X、 Y 方向位移和XY面剪切应力变化情况进行比较， 并绘 制出折线图可以直观地看出它们的变化， 具体如图6 所示。 通过图6可以清晰的看出3种情况下边坡和隔 离层的变化情况， 无论是X方向的位移、 Y方向位移 还是XY面剪切应力空场法的变化最大， 对边坡和隔 离层的影响最大， 安全隐患也最大。因此在考虑地 下开采时， 应该尽量避免选择空场法， 如果考虑用空 场法， 那么就应当加强边坡和隔离层的安全保护。 3结论 （1） 根据边坡的位移量来进行分析可得 开挖 前， 在只有重力的作用下边坡的应力集中在边坡坡 脚处， 最大位移位于边坡的坡顶处。 （2） 使用上向水平分层充填法时， 由于边开采边 充填， 间隔期短， 所以边坡和采空区发生的位移量较 小； 开挖后应力主要集中在采空区的下底板和边坡 坡脚处， 充填后应力集中发生改变， 转变为充填体底 部和北帮边坡坡底。所以在充填后， 北帮边坡暂不 会发生大面积破坏， 但局部有可能发生破坏， 则需对 边坡加强防护措施。 （3） 使用空场法时， 在开挖形成采空区后应力主 要集中在采空区底部， 所以导致采空区附近和隔离 层底部的位移量比较大， 在此种情况下边坡整体不 会出现失稳， 但局部可能发生破坏。若地下开采选 2019年第1期总第511期金属矿山 178 ChaoXing 择空场法进行， 需同时对边坡和隔离层做保护措施。 （4） 通过对未开挖、 上向水平分层充填法、 空场 法3种情况下对边坡和隔离层的影响分析， 可以得出 利用充填法进行地下开挖对边坡和隔离层的应力、 位移影响小于空场法地下开挖， 所以在今后的工作 中可优先考虑充填法。 参 考 文 献 孙旭光， 张国营.露井联采模式下井工开采对边坡稳定影响分析 ［J］ . 现代矿业， 2010 （7） 58-60. 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