大新錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性分析

馮春輝，張麗云，潘美浪，玉 皇

（1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530029）

大新錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性分析

馮春輝1，張麗云2，潘美浪1，玉 皇1

（1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530029）

在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，為了研究大新錳礦邊坡巖體穩(wěn)定性及其對地下開采的影響，分析了該礦的邊坡穩(wěn)定性因素，探討圍巖移動變形、應(yīng)力分布特征和破壞機理。以大新錳礦典型的中部礦體的回采為工程背景，采用FLAC3D程序創(chuàng)建數(shù)值模型，對處在回采的礦房上覆邊坡巖體進行失穩(wěn)分析，給出了再開采過程中容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的部位及失穩(wěn)破壞機理，對今后礦山地下開采提供合理的采礦參數(shù)和支護方法。

錳礦床開采；邊坡失穩(wěn)性；露天轉(zhuǎn)地下開采；三維模擬分析

0 前 言

隨著我國礦業(yè)經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，露天開采的地表礦產(chǎn)資源日益枯竭，后期探明可采的礦體往地下深部延伸，礦山利用露天轉(zhuǎn)地下開采方式對深部礦體回采。邊坡巖體在復(fù)雜開采及應(yīng)力場疊加等條件下受到多次擾動，巖體變形量、位移量增加和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化，造成邊坡巖體失穩(wěn)形式多樣化［1］。邊坡巖體失穩(wěn)破壞是一個復(fù)雜物理力學(xué)變化過程，與地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面強度、外力荷載作用及采礦方法等因素有很大關(guān)系［2］。邊坡失穩(wěn)問題益發(fā)突出，嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)。

目前，隨著計算機高速發(fā)展，廣泛運用數(shù)值模擬對露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性預(yù)測，然后數(shù)值模擬簡化了真實體，建立模型所需參數(shù)的精確度對模擬分析影響較大。結(jié)合大新錳礦露天轉(zhuǎn)地下開采特點，對礦房上覆的邊坡巖體失穩(wěn)性分析，目的是為安全生產(chǎn)、安全技術(shù)措施。

1 工程概況

廣西大新縣下雷鎮(zhèn)境內(nèi)的大新錳礦長期的露天開采，地面錳礦資源銳減，目前露天開采已接近最終開采境界，礦石產(chǎn)量不能滿足下游深加工需求。為確保大新錳礦正常生產(chǎn)及今后礦山發(fā)展要求，須加速推進地才礦石回采。

錳礦為淺海相沉積型礦床，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個礦層組成錳礦體，其中Ⅰ礦層均厚1.72 m、Ⅱ礦層均厚2.36 m和Ⅲ礦層均厚1.68 m。Ⅲ礦層頂板為硅質(zhì)巖，Ⅰ礦層底板為泥質(zhì)灰?guī)r、夾泥質(zhì)巖。Ⅰ礦層與Ⅱ礦層為硅質(zhì)灰?guī)r的夾層一，均厚約2.5 m；Ⅱ礦層與Ⅲ礦層為錳質(zhì)泥灰?guī)r或錳質(zhì)泥巖的夾層二，均厚約0.5 m。礦層傾角變化較大。三層礦展布具有連續(xù)性，由西向東礦層埋藏由淺變深，埋藏深在：0 ～ 435 m。

中部地下錳礦體屬于傾斜薄礦體，其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，多褶皺，礦層變化較大，地質(zhì)品位約在20％，開采難度相對較大。地表不允許崩落，可選的方法有全面法、房柱法、房柱嗣后充填采礦法等開采方案。充填采礦法成本高、礦塊回采能力相對較低和充填作業(yè)工藝繁瑣，故擬用中深孔留礦法。沿礦體走向布置，其礦塊主要參數(shù)為：長：60 m，斜長：65 m，采高：礦體垂直厚度，間柱：8 m，底柱：8 m，隔離層：22 m。以開挖的礦塊為作為模擬的基本單元，對邊坡及礦房間柱應(yīng)力進行保守計算。

2 構(gòu)建三維數(shù)值模型

FLAC3D數(shù)值模擬程序主要應(yīng)用在巖石力學(xué)、巖土力學(xué)等特性分析，亦可用于采礦巷道穩(wěn)定性、礦體邊坡巖體等采礦工程，水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析等水利工程研究。采用FLAC3D內(nèi)置的摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb）模型，屈服準則公式：

式中 最大主應(yīng)力-σ1，最小主應(yīng)力-σ3；內(nèi)聚力- C；內(nèi)摩擦角-?；當(dāng)f ＞0，介質(zhì)材料出現(xiàn)剪切破壞形式，當(dāng)f-1≥0時，介質(zhì)材料出現(xiàn)拉伸破壞。在三維數(shù)值模擬過程中采用的礦巖體物理力學(xué)特性參數(shù)（見表1）。

表1 礦巖物理力學(xué)特性參數(shù)

以礦巖物理力學(xué)特性參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換關(guān)系公式（3）、（4），計算出體積模量和剪切模量：

式中 K——體積模量，MPa；

G——剪切模量，MPa；

E——彈性模量，MPa；

μ——泊松比。

結(jié)合錳礦地質(zhì)條件、礦體幾何空間形態(tài)及中深孔留礦法回采的特點，礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)為：隔離層：22 m，間柱8 m，模擬分析現(xiàn)狀的回采方案對邊坡巖體穩(wěn)定性。以錳礦標高340 m中段地質(zhì)平面圖、10號線地質(zhì)剖面圖等作為基礎(chǔ)資料，以10號勘探線邊坡巖體的特性、礦房采場參數(shù)等工程地質(zhì)條件，建立露天與地下開采的三維有限元分析數(shù)值模型，如圖1所示。

圖1 幾何模型示意

建立的三維礦體模型沿走向布置，如圖2所示。

圖2 礦體沿走向模型

圖2 示意圖中用藍色、綠色表示礦體下盤和上盤的圍巖；紅色表示礦體。三維數(shù)值模型單元為372 000個，節(jié)點為399 318個?？紤]礦體埋深特性，垂直應(yīng)力為單位面積上覆巖的自重，原巖應(yīng)力主要以重應(yīng)力為主。

3 邊坡應(yīng)力分析及支護措施

3.1 數(shù)值模擬應(yīng)力分析

大新錳礦中部采區(qū)目前是由露天轉(zhuǎn)地下開采，因?qū)Φ叵碌V體回采致使邊坡巖體受到二次擾動。當(dāng)復(fù)雜的應(yīng)力疊加作用于邊坡巖體，超過其承載極限能力時，會出現(xiàn)不同程度上的失穩(wěn)破壞。圖3為280 m 水平中段開采完畢后礦房間柱底部出現(xiàn)應(yīng)力集中狀態(tài)，其應(yīng)力主要來源于隔離層重新分布的重應(yīng)力，間柱的應(yīng)力最大不超過5 MPa，回采礦體對邊坡及隔離層的切割作用并未造成上盤巖體斷層構(gòu)造兩側(cè)產(chǎn)生位移差形成微裂隙，下盤坡體受到的影響很小。

圖3 結(jié)束回采時礦房間柱最大主應(yīng)力云

圖4為-280 m 水平中段開采完畢后礦房間柱底部應(yīng)力出現(xiàn)了應(yīng)力集中形態(tài)，隨著礦體不斷進行回采，礦房間柱底部存在一定的拉應(yīng)力，表明容易出現(xiàn)受拉破壞，但從數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)間柱底部的最大拉應(yīng)力并未超過礦房間柱底部的最大拉應(yīng)力，表明礦房間柱在開采完畢后是穩(wěn)定的，未受到拉應(yīng)力的破壞，進而得知邊坡巖體在最大拉應(yīng)力方向未出現(xiàn)因拉應(yīng)力造成的明顯破壞。由此從圖上可知受開采和重力影響邊坡穩(wěn)定性趨于保持安全穩(wěn)定。

沿傾向垂直位移分析：圖5為280 m開采完畢后沿著傾向垂直位移應(yīng)力形態(tài)，在地下礦體的回采過程中，上盤的邊坡巖體會出現(xiàn)沿傾向垂直位移。由數(shù)值模擬分析結(jié)果可知礦體上盤沿傾向垂直位移的最大值約在10 mm，并未給上盤巖體造成大面積下沉而出現(xiàn)崩落垮塌現(xiàn)象，與實際開采過程中相一致。

圖4 結(jié)束回采時礦房間柱最小主應(yīng)力云

圖5 礦體回采結(jié)束時沿傾向垂直位移云

大新錳礦中部即10號勘探線露天轉(zhuǎn)地下開采礦體回采結(jié)束后，上盤圍巖位移量約為10 mm，下盤圍巖位移量不明顯，上下巖體位移量偏小，未對邊坡失穩(wěn)破壞有影響。數(shù)值模擬分析表明在礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)與實際相同的情況下，在地下礦床回采過程中，邊坡巖體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果與實際相近。

3.2 災(zāi)變機理與控制措施

對大新錳礦露天轉(zhuǎn)地下邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬分析研究表明，在回采礦體時，礦體兩側(cè)的上下盤邊坡巖體并未發(fā)現(xiàn)因采礦的進行而出現(xiàn)局部或整體崩落失穩(wěn)現(xiàn)象，而是開采到一定深度后上盤邊坡巖體出現(xiàn)整體沿著傾向滑移，給地下開采礦體造成反復(fù)動力沖擊危害［3］。

邊坡失穩(wěn)破壞機理為：開采地下礦體擾動原巖應(yīng)力分布平衡狀態(tài)，回采地下礦體時，邊坡受到的動應(yīng)力時刻平衡調(diào)整，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整至屈服應(yīng)力狀態(tài)時，邊坡會出現(xiàn)一定程度的微裂隙。地下回采礦房的深度逐增，露天巖體受到的應(yīng)力調(diào)整到新的平衡點，邊坡巖體微裂隙擴展至裂隙增多，應(yīng)變能不斷積累［4］。應(yīng)變能超過邊坡巖體的承載極限時，應(yīng)變能釋放造成巖體裂隙貫通，進而形成動力沖擊災(zāi)害。受到損害的邊坡巖體經(jīng)過一定的穩(wěn)定期后，隨著地下開采深度不斷增加，邊坡巖體應(yīng)力重新調(diào)整，累積的應(yīng)變能進入活動期，進而導(dǎo)致邊坡巖體受到二次損傷，邊坡巖體累積的能量釋放時會造成具有沖擊性的地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅礦山正常、安全生產(chǎn)。

在地下開采過程中邊坡引發(fā)的地質(zhì)沖擊災(zāi)害必須采取有效措施確保正常安全作業(yè)?；夭傻叵碌V體后須向露天坑回填廢石，確?；靥铙w具有一定強度，使得邊坡應(yīng)變能釋放，避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；同時露天開采到一定水平時，應(yīng)利用爆破措施將邊坡巖體有序強制崩潰，釋放累積的應(yīng)變能，避免巖體形成巨大滑移，綜合治理［5］。

4 結(jié) 論

以大新錳礦340中段10號勘探線的錳礦石回采為研究對象，通過LFAC3D數(shù)值模擬分析，以露天轉(zhuǎn)地下開采的大新錳礦為研究對象，得到幾個結(jié)論。

1）對深部礦床的回采，礦體上覆兩側(cè)的邊坡巖體在自重和外力的作用下表現(xiàn)出位移增大，而目前錳礦開采深度并未足夠大，進而再數(shù)值模擬過程中表現(xiàn)出來的位移小，邊坡巖體亦是未出現(xiàn)嚴重變形或是有坡體失穩(wěn)部位，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。為保證采礦作業(yè)安全，須多注意觀測礦房間柱、頂板以及隔離層的穩(wěn)定性，加強控制爆破，減小巖體蠕變引發(fā)的滑坡危險。

2）失穩(wěn)崩塌主要原因是由巖體在自重應(yīng)力以及外力荷載共同作用下出現(xiàn)的剪切破壞，在礦房的上盤巖體中表現(xiàn)相對明顯。邊坡巖體的抗壓性大于比其抗剪性、抗拉性，因此失穩(wěn)破壞形式最可能表現(xiàn)為剪切破壞。

3）數(shù)值模擬分析垂直位移表明回采后的上盤鈣質(zhì)泥巖發(fā)生的位移較大，下盤巖體位移相對偏小，主要是由巖體的密度、堅硬程度等物理力學(xué)參數(shù)決定的。三維模型數(shù)值模擬分析表明大新錳礦在露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期，邊坡巖體表現(xiàn)出穩(wěn)定性良好，與實際情況接近。

［1］ 孫世國，蔡美峰，王思敬. 露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡巖體滑移機制的探討［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報， 2000， 19，（1）：126-129.

［2］ 王思文，張緒杰，宋玉金 .露天礦邊坡穩(wěn)定性的安全因素分析及防治建議［J］.露天采礦技術(shù)， 2011， （3）：21-23.

［3］ 宋衛(wèi)東，杜建華，楊幸才.深凹露天轉(zhuǎn)地下開采高陡邊坡變形與破壞規(guī)律［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2010， 32（2）：145-151.

［4］ 于崇，李海波，李國文等. 大連地下石油儲備庫地應(yīng)力場反演分析［J］.巖土力學(xué)， 2010， 31（12）： 3984-3990.

［5］ 荊永濱，王李管，賈明濤，等. 基于TetGen的復(fù)雜FLAC3D模型可視化建模方法［J］. 巖土力學(xué)， 2010， 31（8）： 2655-2660.

Study on the Slope Stability under Condition of Open to Underground M ining System in Daxin M anganse

FENG Chunhui1，ZHANG Liyun2，PAN Meilang1，YU Huang1
（1.Citic Dameng Mining Industries Limited，Daxin Manganse Mine Branch， Daxin，Guangxi 532315，China；2.Citic Dameng Mining Industries Limited，Nanning，Guangxi 530029，China）

Daxin manganese in combined m ining to underground in order to study the stability of slope rock mass and its influence on underground orebody m ining， studied and analyzed the factors of the slope stability of the mine， probes into the surrounding rock deformation， stress distribution and failure mechanism. Smoothly for mine production safety， and provide a scientif c value. In the eastern part of the daxin manganese ore body m ining as the engineering background， using FLAC3D program to establish a three dimensional numerical model of orebody to underground， on the stability of open pit slope engineering in daxin manganese ore and the simulation results are analyzed， and gives the prone to instability in the process of manganese ore in m ining area and instability mechanism， puts forward the reasonable supporting proposals to underground m ining in the future.

Manganese ore deposit；Slope stability；Open pit to underground m ining； Three dimensional simulation analysis

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.014

2016-06-15

馮春輝（1986-），男（壯族），廣西天等人，助理工程師，研究方向：采礦工程，手機：18677928155，E-mail：286873810@qq.com.