露天转地下开采覆岩采动响应的坡角影响效应研究①

李小双，罗 浪，王运敏，耿加波

（1．江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州341000；2．金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山243000；3．中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山243000；4．绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000）

露天矿山进入深凹开采后会给矿山的生产建设及安全维护带来诸多挑战，例如运输距离增加而效率降低，边坡管理愈加困难等，这些因素使得矿山转入地下开采变得迫在眉睫。而矿山一旦转入地下开采，其原来露天开采形成的高陡边坡体与地下采场就构成了一个复合的采动系统［1－4］，使得采场上覆岩体在开采扰动下的变形及力学行为相较单一的地下开采更为复杂，这也给矿山的地压管理与安全生产带来了新的挑战［5］。

本文以某矿山露天转地下开采为背景，研究不同边坡坡角影响下采场上覆岩体的采动响应特征，以揭示覆岩采动响应的坡角影响效应，并指出该矿山合理的边坡角度。研究结果对矿山的边坡维护及地压管理具有一定的理论参考价值。

1 工程概况

某矿山矿体埋藏深度60～240 m，目前露天开挖边坡角度55°左右，矿体平均倾角14°，厚14～17 m，属于典型的近浅埋缓倾斜薄至中厚矿床。边坡坡体内不存在大的构造结构和软弱面，地表为15～45 m的砂质黏土层，矿层直接顶为含砾石英砂岩，间接顶为层状泥质白云岩，当前露天开挖深度－40 m，设计露天开挖深度－100 m，露天开挖完后计划转入地下开采。

2 岩石力学试验

根据该矿山的地质赋存条件，对7种主要岩层的岩体介质进行取样，然后在实验室加工成径高尺寸Φ50 mm×25 mm和Φ50 mm×100 mm的2种圆柱形标准试件，通过岩石力学试验测得岩体的抗拉强度和不同围压下的轴向破坏强度，然后对测得的数据进行分析处理，得到岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

3 FLAC3D数值模拟

3．1 三维建模

运用AutoCAD制图软件绘制坡高100 m时，3种不同坡角（35°、45°和55°）的二维平面模型，然后通过AutoCAD-ANSYS接口将平面模型导入到ANSYS进行三维建模及网格划分，最后将生成的含有单元节点及分组信息的网格模型导入FLAC3D进行计算和后处理［6］。

3．2 边界条件

本次数值模拟的边界条件设置如下：

1）对于应力边界条件，结合矿山工程实际，基于数学化归思想，将岩体内部应力场进行简化，只考虑岩体自身重力，故只在模型Z方向施加－9．8 m／s2的应力加速度。

2）对于位移边界条件，对模型前后左右的水平位移进行约束，底部固定，顶部保持自由。

初始地应力平衡图如图1所示。

图1 初始地应力分布云图

3．3 开采方案与监测点布置

根据控制变量思想，将坡角作为单一变量，其他如地质赋存属性、采矿工艺及采矿方法等条件相同。3种模型均采用房柱法采矿，另外根据工程经验及结合矿山实际，选取境界矿柱厚度30 m，整个采场长度沿矿层倾向154 m，共划分10个矿房和9个矿柱，每个矿房宽10 m、矿柱宽6 m，且矿柱类型为连续型的矿壁［7］。同时，由于模型存在边界效应，沿矿层走向在两侧各留30 m边界。矿房分10步沿矿体倾向逐一开挖，矿柱分5步沿倾向隔一回采，采场俯视图如图2所示。同时在采场上覆岩层距采场垂距1 m处均匀布置5个监测点进行数据监测，具体布置如图3所示。

图2 采场俯视图

图3 监测点布置图

4 结果分析

4．1 露天边坡安全系数

基于FLAC3D内置的强度折减法，运用solve fos命令对3种不同坡角模型的边坡安全系数进行求解计算，结果见表2。由表2可知，坡高100 m的3种不同坡角模型边坡安全系数均大于1，这表明在矿山转入地下开采前，3种模型的露天边坡均整体稳定，在无其他因素影响下无需考虑滑坡风险。

表2 不同坡角模型边坡安全系数

4．2 模拟开挖结果分析

4．2．1 应力演化规律

随着开采工作面推进，矿房在矿体开采后形成采空场，导致其上方顶板附近区域应力卸荷，同时围岩应力也得到释放。采场顶板应力不断进行重新分布，并沿矿层倾向向前方岩体动态转移，在前方形成应力增压区。不同坡角模型地下矿房中的矿体开挖完后，采场覆岩应力值沿矿层倾向线性增加，垂直于Y＝－60 m的切面对应的应力切片云图分别见图4～5。

从图4～5可以看出，当距采场垂距增加时，覆岩应力值减小，且呈现出“应力拱”。在矿柱回采完毕后，3种坡角模型剩余支护矿柱的最大垂直应力均稳定在11．3 MPa左右（见表3），小于矿层抗压和抗拉强度，支护矿柱均较为稳定。此外，坡高一定时，采场覆岩垂直应力并不随边坡角度增加而线性增加，采空区顶板最大垂直应力在边坡倾角为45°时最小，此条件下的采场覆岩相较其他2种模型稳定性更高。

表3 矿柱回采完毕后采场最大垂直应力

图4 矿房开挖完毕后应力切片云图

图5 矿柱回采完毕后应力切片云图

4．2．2 塑性区分布情况

通过模拟开挖，得到矿房开挖完后塑性区分布如图6所示，矿柱回采完后塑性区分布见图7。

由图6～7可知，3种不同坡角模型在矿房开挖完后，塑性区均小范围零星分布在矿柱及采场四周，此时3种模型采场整体稳定；矿柱回采完后，3种模型塑性区均得到较大发育。但整体上，35°及55°坡角模型塑性区相较45°模型发育更为充分。具体表现为：35°坡角模型采场起始端塑性区即将发育至边坡临空面，而55°坡角模型采场起始端塑性区发育至地表。这些都不利于采场稳定，在外部扰动影响下，采场覆岩有失稳风险。

图6 矿房开挖完毕后塑性区切片分布

图7 矿柱回采完毕后塑性区切片分布

4．2．3 位移变化特征

对3种不同坡角模型采场覆岩在地下开采扰动下的位移变化进行动态模拟，这里只考虑覆岩的垂直位移，最终矿房和矿柱开采完位移切片云图如图8～9所示。

由图8～9可知，类似于应力演化规律，采场顶板最大位移沉降位置也随着开采工作面推进而动态前移，且回采完毕后最大位移沉降值发生在3＃监测点附近，并最终呈现出“位移拱”。

图8 矿房开采完毕后位移切片云图

45°坡角时，采场覆岩位移沉降相较其他2种模型更小，覆岩更为稳定。而55°坡角的采场覆岩受到开采扰动影响较大，其采场中部区域可能率先出现顶板冒落与破断等现象［8］。

图9 矿柱回采完毕后位移切片云图

5 结 语

1）采场内部应力随着矿体开挖推进不断进行重新分布，并持续沿矿层倾向向前方岩体动态转移，在前方形成应力增压区，最终达到新的平衡。矿体开挖完后，采场覆岩位移沉降值随距采场垂距增加而减小，最终位移云图呈现出“拱”形。

2）45°坡角时，采场覆岩比35°和55°模型应力及位移沉降更小，但塑性区发育不及35°及55°模型充分。这表明坡高一定时，存在一个较为稳定的坡角中间值。综合经济和安全性考虑，建议在露天开采完后对边坡进行削坡处理，以控制边坡角度在45°左右，然后再转入地下开采。