露天转地下开采对边坡稳定性的影响_孙世国.pdf

Series No. 481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 05- 04 基金项目国家自然科学基金项目 编号 41172250 ， “十二五” 国家科技支撑计划项目 编号 2012BAK09B06 ， 北京市创新团队提升计划项目 编号 IDHT20140501 ， 北京市科研基地建设项目 编号 XN083， XN107 。 作者简介孙世国 1959 ， 男， 教授， 博士后， 博士研究生导师。 露天转地下开采对边坡稳定性的影响 孙世国张玉娟苗子臻王佳解禹 北方工业大学土木工程学院， 北京 100144 摘要露天转地下开采过程中诱发的边坡失稳将严重影响安全生产， 主要原因是地下开采导致采空区覆岩应 力重分布， 并引起岩体的移动和变形， 岩体强度降低， 影响边坡稳定。为了研究露天转地下开采对边坡稳定性的影响， 以某矿实际开采工程为例， 运用 MIDAS， FLAC3D等数值模拟方法分别模拟了地下采区位于边坡的坡脚、 坡中和坡外区 3 种条件下地下开采对边坡稳定性的影响机制， 得出地下采区位于坡脚处开采会导致坡覆岩边坡滑移区范围最大， 边 坡失稳概率大; 位于坡外区开采因上覆岩层沉陷使整体坡角减小， 有利于边坡稳定; 而位于坡中区开采时， 边坡稳定 状态介于两者之间。通过对该工程实例分析得到地下采区位于坡脚、 坡中区时边坡安全系数不足， 在坡外开采时边 坡处于稳定状态。 关键词露天转地下地下开采数值模拟边坡稳定 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 171- 04 Effect of Slope Stability during Transition from Open- pit and Underground Mining Sun ShiguoZhang YujuanMiao ZizhenWang JiaXie Yu School of Civil Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China AbstractIn the process of transition from open pit to underground mining， slope instability will affect the safety in pro- duction seriously． The main reasons are that underground mining will cause stress redistribution， the displacement of rock mass， reduce the strength of rock mass and influence the slope stability． In order to study the impact of the transition from open pit to underground mining on the slope stability， and taking the actual mining project as a case， the numerical simulation systems MI- DAS， FLAC3Dare adopted to simulate the influence mechanism of slope stability under three different mining locations of slope toe， slope back and out of slope． As the result， underground mining in slope toe will lead to maximum sliding area of cover rocks and large slope instability probability; At outside of slope， the settlement of the upper slope reduce the slope angle， which is good for the stability． At slope back， its slope stability falls in between above． The uation on the practical engineering showed that the safety factors of mining at slope toe and slope back are insufficient， but mining at outside of slope is in stable． KeywordsTransition from open- pit to underground， Underground mining， Numerical simulation， Stability 露天与地下联采是目前国内部分矿山面临的主 要技术问题之一， 并且随着开采向深部推进， 这一问 题变得越来越突出 ［1 ］。以矿区地质条件和赋存条件 为前提， 在露天矿境界内或者在露天矿影响范围内实 施地下开采， 矿床的上部通常用露天开采， 而矿床的 下部则转为地下开采， 即露天与地下联采 ［2- 5 ］。但对 露天与地下联采模式下， 井工开采对露天边帮的影响 程度、 范围， 露天边帮的变形、 破坏规律等的研究还不 是很成熟， 需要更进一步的研究。在露天矿边坡下进 行地下开采， 会导致采空区周围岩体应力重分布， 引 起岩体位移， 使得采空区上方出现冒落带、 裂隙带、 弯 曲带， 破坏原有的岩体结构及完整性， 使岩体整体强 度下降， 影响边坡稳定性 ［3 ］。本研究以紫金山金铜 矿为例， 通过数值模拟方法， 分别分析了地下采区位 于边坡坡脚、 坡中以及坡外条件下， 开采作业对边坡 稳定性的影响。紫金山金铜矿的开采过程是一个动 态的演变过程， 随着开采的推进， 呈现出垂向采深较 大的高陡边坡， 考虑到边坡下部区域的铜矿需地下开 挖， 采动效应可能引起边坡体的大范围变形和滑坡。 1工程概况 紫金山金铜矿是我国的一个特大型金铜矿。设 计紫金山金铜矿露天采场上口面积约 1 450 m 1 171 ChaoXing 500 m， 下口面积约 80 m 90 m。紫金山铜矿所处区 域构造活跃， 以北西向和北东向为主。北西向断裂总 体走向 300 ～329， 倾角 40 ～80， 北东向构造总体 呈北东走向的“S” 形。在紫金矿采场边坡区域选取 工程地质条件复杂、 岩性较松散的采场西帮 A 区和 B 区内的 AA 剖面作为研究对象。该区域堆积体结 构松散， 水文较为发育， 因此地表地裂缝、 沉降缝较为 发育， 沉降变形较大， 边坡处于不稳定状态。矿山的 开采边坡境界线经过重新设计后， 随着边坡开采的推 进， 边坡逐渐到界， B 区边坡到界边坡高度为 748 m， 整体边坡角为 42， A 区边坡高度为 628 m， 整体边坡 角为 43; 开采台阶高度为 24 m， 台阶坡面角 69， 控 制安全平台宽为 14 ～30 m 每 72 m 留设 1 个 ， 清扫 平台宽 6 ～10 m。最终开采至设计边界后， 形成最深 处标高为 100 m、 垂直深度为 648 m 的高陡型金属 矿边坡概貌如图 1 所示。 图 1采场 AA 剖面地层分布 Fig． 1Distribution of strata in section A －A 2露天转地下开采对边坡稳定性的影响 2. 1计算模型设计与参数选取 以 AA 剖面为研究对象， 利用数值模拟软件建 立三维模型， 其水平距离为 1 130 m， 垂直高度为 1 048 m， 纵向延伸 200 m， 走向方向由 B2 至 B4 矿房 方向， 倾向由 B3 向 C3 矿房方向开采; 按矿房分布设 定 5 步开采， 每步开采长度为 20 m， 矿房平均宽度为 50 m。该计算模型共计184 280 个单元和198 114 个 节点。参数选取如表 1。 表 1采场岩土体物理力学参数 Table 1Physical mechanics parameters of rock- soil mass in the slope 岩组类别 容重 γ / kN/m3 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Ⅰ229. 40. 7039. 038. 50. 31 中风化中细粒花岗岩Ⅰ228. 40. 6538. 0837. 50. 30 中风化中细粒花岗岩Ⅱ126. 40. 6038. 037. 00. 33 中风化中细粒花岗岩Ⅱ225. 40. 3535. 537. 00. 32 中强风化中细粒花岗岩Ⅲ26. 20. 1533. 0427. 30. 23 强风化中细粒花岗岩Ⅳ25. 20. 11430. 4532. 80. 22 铜矿体27. 52. 2635. 5994. 30. 23 根据紫金山金铜矿深部矿体的设计方案， 露采到 终了设计边坡境界线至 100 m 水平后， 对于下部的 铜矿体的地下开采阶段共设计 0、－ 10、－ 50、－ 100 和 －100 ～ －200 m 共5 个中段。根据各中段矿体的 赋存情况， 设计 B1、 B2、 B3、 B4 和 B5 为备采矿房， 其 中 B4 矿房的长度和高度均超过了 80 m， 为特大型矿 房， C1、 C2、 C3 和 C4 为采准矿房。 2. 2不同的开采空间位置 根据上述赋存矿体采区矿房和巷道的布置情况， 优先对于 0、－ 10、－ 50 和 － 100 m 这 4 个中段的开 采进行模拟分析， 由于开采位置不同， 对边坡稳定性 影响不同。下面对坡脚、 坡中和坡外分别进行模拟分 析。 当开采坡脚区 B2、 B3、 B4 矿房时， 在采动应效 下， 位移矢量叠加， 采区上覆岩体开始向开采区方向 下移， 坡中和坡顶区的下沉值较大， 同时， 坡脚采区附 近工作平台的岩层开始向采区滑移， 坡角随之增大， 最大水平位移 0. 725 m。沿走向开挖 120 m 时， 最大 应力值达到 6. 33 MPa， 小于铜矿石的抗拉强度 7. 0 MPa， 矿层不会产生拉裂破坏。边坡 60 m 水平岩体 的位移变化曲线如图 2 所示。 图 2坡脚区开挖到 60 m 时位移曲线 Fig． 2Displacement curve of slope toe when digging to 60 m horizontal position ●开挖 20 m;■开挖 40 m;▲开挖 60 m; ○开挖 80 m;□开挖 100 m;△开挖 120 m 当优先开采坡中矿体时 B5、 C2、 C3 和 C4 矿 房 ， 模拟结果表明 随着矿体的开挖， 采区周围出现 271 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 应力集中现象， 最大应力值为 9. 93 MPa， 出现在 C3 矿房的右侧边角处， 大于铜矿石的抗拉强度值 7. 0 MPa， 上覆岩层最大下沉及水平位移分别为 3. 515 m 如图 3 和 1. 513 m， 岩体将会产生拉裂破坏使边坡 滑动失稳。开采坡外区域矿体时， 经计算模拟结果可 得 边坡岩体应力集中现象主要出现在开采周围， 最 大应力值为 5. 22 MPa， 大于周围中微风化中细粒花 岗岩的的抗拉强度值 3. 10 MPa， 将会产生拉裂破坏， 采区正上方 60 m 水平最大下沉位移为 0. 756 m。 从边坡不同区域的应力变化可知， 采区两侧出现应力 集中， 采区正上方的应力较小 如图 4 所示 ， 对边坡 稳定性有利。 图 3AA 剖面坡中区开挖边坡不同区域沉陷变化规律 Fig． 3Settlement change rule of different mid- slope area in section A- A 图 4坡外区矿体开挖后地表沉陷变化规律 Fig． 4Ground settlement change rule after the excavation out of slope 当开采 －100 ～ － 200 m 时， 设计沿走向同步开 采矿体 120 m， 模型两端预留 40 m，－100 ～ －200 m 中段由上到下设计 3 步， 每步开挖 33 m， 随着矿山开 挖， 岩体间应力重新分布， 采区正上方岩体位移越来 越大， 最大下沉及水平位移分别为 1. 645 m 和 0. 876 m。分析可得 矿体开采增加了采区下山区域的边坡 角度， 采区上部及坡顶区域因采动易产生失稳滑移， 矿体的开采将会对边坡产生一定的不利影响。 当地下采区位于坡外时， 采动效应叠加后表现为 边坡下山边界线与主断面间岩体合成位移矢量减小， 稳定系数增大， 有利于边坡的稳定。对矿区开采尺寸 变化影响边坡稳定性的规律特性进行研究分析可知， 当开采深度一定， 边坡稳定系数随开采宽度的增大先 增长后趋于稳定值 1. 22。当开采宽度一定时， 边坡 稳定性系数随开采深度变化曲线如图 5 所示。 图 5边坡稳定系数随采深的影响变化曲线 Fig． 5Changing curve of the slope stability factors affected by mining depth 由图 5 可得 随着开采深度逐渐增大， 采动效应 影响域逐渐扩展至整个边坡， 影响程度加大; 当达到 充分采动， 上覆岩体的沉陷使边坡角减小， 稳定系数 达到最大; 随着开挖深度持续增加， 但由于之前采动 的影响和坡体的滑动， 开采区的相对位置由坡外变为 坡中， 沉陷更加严重， 边坡稳定性系数也随之减小。 运用 Morgenstern － Price、 Janbu 法、 Bishop 法以 及 Odinary 法对井工开采边坡的稳定性进行合理的 综合评价， 结果如表 2 所示。 表 2采区位于坡外区边坡稳定性评价结果 Table 2Assessment results of the slope stability when mining area located out of slope 评价方法 Morgenstern － Price Janbu 法 Bishop 法 Odinary 法 平均值 稳定系数1. 4681. 3821. 4771. 3981. 431 3结论 1 当井采区位于坡脚区时， 随着开挖推进， 采 动引起的位移矢量叠加效果加大， 采动效应使主断面 向下山方向偏移， 整体边坡角增大， 对边坡稳定性产 生不利影响， 稳定系数减小。 2 当采区位于坡中区域时， 随着矿体开采， 岩 体将会产生拉裂破坏， 采区周围岩体应力重分布， 采 区正上方主断面区域的岩体向采空区滑移， 且滑移沉 陷量和水平位移都较大， 变形主要表现为主断面区域 的变形机制， 对边坡产生了不利影响。 3 采区位于坡外区域情况下， 2 种采动效应叠 加后表现为边坡下山边界线与主断面间区域的变形 移动特征， 采区两侧的应力出现集中， 采区正上方的 应力较小， 合成位移矢量减小， 整体边坡角减小， 有利 于边坡的稳定。 参考文献 ［ 1］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． Sun Shiguo， Guo Weichen， Liu Wenbo， et al． Study on high slope 371 孙世国等 露天转地下开采对边坡稳定性的影响2016 年第 7 期 ChaoXing sliding deation mechanism induced by transiting from opencast into underground mine［ J］ ． Metal Mine， 2015 5 162- 165． ［ 2］孙世国， 蔡美峰， 王思敬． 地下与露天复合采动效应及边坡变形 机理［J］． 岩石力学与工程学报， 1999 5 563- 566． Sun Shiguo， Cai Meifeng， Wang Sijing． Effect of combined under- ground and open pit mining and deation mechanism of slope ［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 1999， 18 5 563- 566． ［ 3］孙世国， 蔡美峰， 王思敬． 露天转地下开采边坡岩体滑移机制的 探讨［J］． 岩石力学与工程学报， 2000 1 126- 129． Sun Shiguo， Cai Meifeng， Wang Sijing． Study of sliding mechanism for slope due to the excavation from open pit into underground mine ［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2000， 19 1 126- 129． ［ 4］孙世国， 王思敬． 地下与露天复合采动影响下边坡岩体稳定性 评价方法的研究［ J］ ． 工程地质学报， 1998， 6 4 312- 318． Sun Shiguo， Wang Sijing． A for uation of slope rock- massstability under the combined action pit and underground mining ［J］． Journal of Engineering Geology， 1998， 6 4 312- 318． ［ 5］刘献华． 紫金山金矿采空区处理技术研究［J］ ． 有色矿山， 2002， 31 1 21- 43． Liu Xianhua． Technical research of goaf disposal in Zijinshan Gold Mine［J］． Nonferrous Mines， 2002， 31 1 21- 43． ［ 6］饶运章， 柴炜， 黄奔文． ANSYS 数值计算在紫金山金铜矿矿柱 稳定性分析中的应［ J］ ． 黄金， 2008， 29 7 22- 26． Rao Yunzhang， Chai Wei， Huang Benwen． ANSYS numerical calcu- lation of ore pillar stability in Zijinshan Gold- copper Mine［J］． Gold， 2008， 29 7 22- 26． ［ 7］袁海平， 王继伦， 赵奎， 等． 采空区形态对地表塌陷分布影响 研究［J］． 金属矿山， 2011 11 25- 28． Yuan Haiping， Wang Jilun， Zhao Kui， et a1． Study on the goaf influence on distribution of surface subsidence［ J］ ． Metal Mine， 2011 11 25- 28． ［ 8］彭洪阁， 才庆祥， 周伟， 等． 露井联采条件下采动边坡的变形 机理研究［J］． 金属矿山， 2009 11 129- 131． Peng Hongge， Cai Qingxiang， Zhou Wei， et al． Study on distortion mechanism of mined slope affected by open- pit and underground mining［J］． Metal Mine， 2009 11 129- 131． ［ 9］Itasca Consulting Group Inc． ．3DEC Three- dimensional Distinct Ele- ment Code Version 3．0 User＇s Manual［R］． Itasca Itasca Consulting Group Inc． ， 1988． ［ 10］Rose N D， Hunger O． Forecasting potentional rock slop failure in open pit mines using the inverse- velocity ［J］． Internationgal Journal of Rock Mechanics and Mining Science， 2007， 44 2 308- 320． ［ 11］Zhao Xingdong， Li Lianchong， Tang Chunan， et al． Stability of boundary pillars in transition from open pit to underground mining ［J］． Journal of Central South University， 2012， 19 11 3256- 3265． ［ 12］Wang Jiachen， Tan Wenhui， Feng Shuiwei， et al． Reliability analy- sis of an open pit coal mine slop［J］． International Journal of Rock Mechanics and Mining Science， 2000， 37 4 71- 721． ［ 13］He M C， Feng J L， Sun X M． Stability uation and optimal exca- vated design of rock slop at Antaibao Open Pit Coal Mine［J］． In- ternational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2008， 45 3 289- 302． ［ 14］Singh T N， Singh D P． Slop behaviour in an opencast mine over old underground voids［J］． International Journal of Mining， Reclama- tion and Environment， 1991， 5 4 195- 201． ［ 15］Brady B H G， Brown E T． RockMechanics for Underground Min- ing［M］． London George Allen Unwin， 1985． 责任编辑徐志宏 471 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing