多層復(fù)雜空區(qū)群下邊坡穩(wěn)定性影響研究

馬增 ，陳湘根，田朝暉，劉峰，聶永祥， 葛虎勝，陳鵬，李家東

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術(shù)中心， 湖南 長沙 410012； 3.欒川鉬業(yè)有限公司， 河南 洛陽市 471500)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問題是露天開采技術(shù)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，關(guān)系著礦山的安全生產(chǎn)，研究的成果是礦山高效開采、綠色建設(shè)的保障。影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素為邊坡工程地質(zhì)條件、開采方式、降雨、空區(qū)等，特別是在最終境界下賦存的采空區(qū)嚴(yán)重阻礙生產(chǎn)進(jìn)度，時(shí)刻存在著邊坡滑塌的安全隱患，比如廣東大寶山鉛鋅礦、太鋼袁家村鐵礦等礦山由于歷史地采、偷采、盜采導(dǎo)致邊坡下存在大量采空區(qū)，不僅影響生產(chǎn)進(jìn)度，而且在治理采空區(qū)時(shí)花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力[1-2]。

國內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)賦存空區(qū)群的邊坡穩(wěn)定性研究開展了大量的工作[3-9]。柴紅保等利用強(qiáng)度折減法，對(duì)邊坡下不同位置不同跨度的采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了各種情況下的安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)空區(qū)在坡腳處對(duì)邊坡的影響最大，安全系數(shù)約降低20%[10]；馮志樓等以某鐵礦為研究對(duì)象，通過Midas/GTS分析了不同應(yīng)力條件下的邊坡，分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際吻合，為工程治理提供了依據(jù)[11]；李同鵬等利用FLAC3D，對(duì)比分析了不同跨度采空區(qū)和不同厚度保安礦柱的應(yīng)力、塑性區(qū)和安全系數(shù)等，得到了邊坡穩(wěn)定性受空區(qū)跨度和保安礦柱厚度共同影響[12]。

礦山開采方式會(huì)根據(jù)礦體賦存條件、生產(chǎn)技術(shù)手段等進(jìn)行選擇，甚至?xí)鶕?jù)金屬價(jià)格和開采的技術(shù)水平進(jìn)行改變。南泥湖鉬礦在開采歷史時(shí)期內(nèi)，由地下開采變?yōu)槁短扉_采，雖然產(chǎn)量有了很大提高，但是地下開采時(shí)期留下的空區(qū)成為了目前制約礦山生產(chǎn)的重要癥結(jié)，也為安全生產(chǎn)埋下了隱患。因此進(jìn)行多層復(fù)雜空區(qū)群對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析是十分有必要的，能夠?yàn)楹笃诘倪吰轮卫硖峁?參考。

1 礦山地質(zhì)概況

1.1 礦山地質(zhì)條件

南泥湖鉬礦位于欒川縣城北西30 km處，屬河南省欒川縣冷水鎮(zhèn)管轄，礦山隸屬于欒川龍宇鉬業(yè)有限公司。南泥湖鉬礦與洛鉬公司的三道莊鉬礦以及眾鑫公司采區(qū)同在一個(gè)礦床上且3家采礦權(quán)證界 線緊緊相鄰。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為新元古界青白口系-震旦系（QnZ）官道口群—欒川群的白術(shù)溝組和三川組、南泥湖組、煤窯溝組，自下而上互呈整合接觸。北部邊坡涉及的主要巖性為南泥湖組的黑云母長英角巖、長英角巖和透輝石長英角巖。北區(qū)主要構(gòu)造為F1和F6斷層，斷層以東北北走向?yàn)橹?，傾角在60°～75°，與北部邊坡斜交。

1.2 礦山生產(chǎn)條件

南泥湖鉬礦為露天開采礦山，封閉圈高度為1342 m，北部邊坡是凹陷露天和山坡露天結(jié)合的邊坡，目前最低開采標(biāo)高為1258 m，最高開采標(biāo)高為1495 mm，開采形成了22個(gè)臺(tái)階，1390 m以上已經(jīng)靠幫到界，邊坡整體形態(tài)為上陡下緩，1390 m以上工作幫坡角為41°，1390 m到1258 m工作幫坡角為18°。

圖1 北部邊坡

2 空區(qū)情況

2.1 空區(qū)形成過程

南泥湖鉬礦的開采始于20世紀(jì)80年代，由地方鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及民采企業(yè)進(jìn)行無序開采。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)主采區(qū)位于礦區(qū)橫20線至14線之間和橫8-1勘探線之間，原M1主礦體之內(nèi)。采用豎井和斜坡道開拓，采礦方法為中深孔階段礦房法和淺孔

房柱法，采礦中段共有1300 m、1330 m、1350 m、1365 m、1375 m 5個(gè)中段。據(jù)初步調(diào)查5個(gè)中段的1300 m、1330 m和1350 m中段留有部分資源，1365 m標(biāo)高以上均已采空，部分地段已經(jīng)陷落。地方企業(yè)開采形成的采場一般長15～30 m，寬8～15 m，采場面積為100～300 m2，部分地方采場礦柱被盜采或垮落，幾個(gè)采場連通，形成采場面積500～800 m2。采場高度大多為4～8 m，個(gè)別高度達(dá)10 m以上，導(dǎo)致上下中段間頂板厚度小甚至采透。2005年鉬都公司開始在南泥湖鉬礦進(jìn)行露天開采，但是，地下民采盜礦現(xiàn)象仍然持續(xù)。據(jù)調(diào)查與不完全統(tǒng)計(jì)，截止2003年，南泥湖礦區(qū)井下采出礦石量累計(jì)約1162萬t，采空區(qū)面積約40.6萬m2，體積約426萬m3，隨著開采深度的不斷增加，采空區(qū)部分已經(jīng)處理，據(jù)最新資料統(tǒng)計(jì)剩余采空區(qū)為5.06 萬m3。

北部邊坡只剩下1330 m、1350 m和1365 m中段的空區(qū)未被完全處理，這些空區(qū)由于是偷采和盜采形成的，在分布上沒有明顯的規(guī)律，基本上以一條巷道為主線，采場分布在巷道兩邊，每個(gè)采場大小不一，高度不同，分布如圖2所示。

圖2 多層采空區(qū)示意

2.2 空區(qū)現(xiàn)狀

現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn)部分采空區(qū)已經(jīng)坍塌，部分坍塌采空區(qū)已經(jīng)進(jìn)行廢石堆填，部分塌落至地表的空區(qū)暴露在空氣中?？諈^(qū)塌落的原因一方面為斷層節(jié)理面穿過空區(qū)頂部，軟弱的斷層面夾層由于下部空區(qū)存在加上雨水等因素作用，致使空區(qū)頂板塌落，見圖3；另一方面為空區(qū)頂板較薄，采場爆破振動(dòng)等因素影響，難以支撐采空區(qū)的穩(wěn)定，見圖4。

圖3 1390 m采空區(qū)塌陷

邊坡下部的空區(qū)是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，采空區(qū)的存在會(huì)降低邊坡巖體的完整性，從而降低邊坡的穩(wěn)定性，另一方面采空區(qū)自身的穩(wěn)定影響著邊坡的穩(wěn)定，采空區(qū)的塌落會(huì)使邊坡體失去支撐，導(dǎo)致上部邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)。

圖4 1360 m采空區(qū)塌陷

3 數(shù)值模擬

3.1 分析模型

分析軟件采用專用于地下或地表邊坡工程開挖的應(yīng)力和位移的2D有限元分析軟件，可用于包括巖石復(fù)雜的隧道支護(hù)問題、地下硐室開挖與支護(hù)、采礦開采與充填、邊坡開挖模擬等問題的分析。

采用最大拉應(yīng)力判據(jù)，結(jié)合摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則來確定邊坡開挖后的應(yīng)力、位移、可能出現(xiàn)的拉剪破壞范圍等，以此來確定露天邊坡的穩(wěn)定狀況，在進(jìn)行分析荷載時(shí)按照軟件自動(dòng)分級(jí)施加，解方程時(shí)用Gaussian消除法求解，最大循環(huán)次數(shù)為500次，累計(jì)誤差為0.001。

南泥湖鉬礦北部邊坡根據(jù)地形劃分3條剖面分別為A-A′、B-B′和C-C′，模型建立主要依據(jù)邊坡現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)境界以及地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)，然后根據(jù)剖面線位置進(jìn)行剖面圖制作，將剖面圖導(dǎo)入軟件后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將空區(qū)進(jìn)行開挖。本次分析結(jié)果以A-A′為主，現(xiàn)狀模型和設(shè)計(jì)模型見圖5、圖6。

圖5 A-A′現(xiàn)狀模型模型

3.2 分析參數(shù)

分析參數(shù)的選取按照巖石力學(xué)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)面測繪、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等步驟進(jìn)行，最后進(jìn)行巖體強(qiáng)度折減得到。巖體分析參數(shù)見表1。

圖6 A-A′設(shè)計(jì)境界模型

表1 邊坡巖體分析參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 安全系數(shù)

安全系數(shù)是直接反映邊坡穩(wěn)定與否的關(guān)鍵指標(biāo)，也是計(jì)算分析的重要結(jié)果。通過強(qiáng)度折減法分析北部邊坡的安全系數(shù)，得到了對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，見表2。

從安全系數(shù)的分析結(jié)果來看：現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的，安全性較好；設(shè)計(jì)邊坡不能夠達(dá)到邊坡許用安全系數(shù)要求，安全儲(chǔ)備不足，難以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[13]?，F(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)較大是由于北部邊坡下部（1360～1258 m）工作幫坡角只有18°，且邊坡的高度為237 m（1258～1495 m），設(shè)計(jì)邊坡由于達(dá)到了設(shè)計(jì)境界，邊坡角度高，邊坡高度達(dá)到393 m（1102～1495 m）。

表2 A-A′邊坡安全系數(shù)

4.2 位移

位移量是分析巖層移動(dòng)和變化的重要指標(biāo)，通過對(duì)巖層位移量的分析，能夠了解邊坡移動(dòng)量最大的區(qū)域，可以指導(dǎo)礦山的日常管理，有助于對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)管理，邊坡位移量分析見圖7。

從圖7中可以看出，邊坡最大位移量為空區(qū)出現(xiàn)的位置，同時(shí)由于空區(qū)的存在分析得到的位移量較大；現(xiàn)狀邊坡分析結(jié)果可以看出，1330 m水平處的空區(qū)與1350 m水平的空區(qū)在垂直空間上有重疊，會(huì)導(dǎo)致1330 m水平的空區(qū)先垮塌，導(dǎo)致1350 m水平的空區(qū)失去支撐力后垮塌，直至垮落至1360 m平臺(tái)，這與1360 m平臺(tái)塌陷位置相同，如圖4所示，與現(xiàn)場情況十分相符；設(shè)計(jì)邊坡的位移量主要出現(xiàn)在邊坡的上部，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，在未來開采達(dá)到設(shè)計(jì)境界時(shí)，1330～1345 m處采空區(qū)會(huì)先垮塌，然后上部失去支撐，最終會(huì)導(dǎo)致上部大面積的滑塌。

4.3 塑性區(qū)

從圖8可以看出在空區(qū)頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞區(qū)，空區(qū)的其他部位出現(xiàn)剪應(yīng)力破壞區(qū)，同時(shí)由于下部空區(qū)的存在，導(dǎo)致上部出現(xiàn)部分的拉應(yīng)力破壞區(qū)，在現(xiàn)狀情況下空區(qū)的塑形破壞區(qū)域與邊坡塑性區(qū)域未完全貫通；破壞區(qū)主要集中在空區(qū)群位置，特別是在多水平重疊空區(qū)位置。在遠(yuǎn)離邊坡面的空區(qū)，由于保護(hù)巖層厚度較大，空區(qū)體積較小，塑性區(qū)范圍不明顯。

隨著開采深度的不斷增加，邊坡不斷加陡，遠(yuǎn)在邊坡內(nèi)部的空區(qū)距離邊坡面越來越近，導(dǎo)致內(nèi)部空區(qū)四角出現(xiàn)了剪切應(yīng)力破壞區(qū)域，與邊坡塑性區(qū)域完全貫通，所以邊坡達(dá)到設(shè)計(jì)境界時(shí)邊坡不穩(wěn) 定，安全性難以保證，這和安全系數(shù)的分析結(jié)果相對(duì)照，在空區(qū)群影響下邊坡設(shè)計(jì)境界不可靠，不能滿足安全要求。

圖7 現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)邊坡位移量分析

圖8 現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)邊坡最大剪應(yīng)變分布及拉剪破壞區(qū)域

5 結(jié)論

為了研究空區(qū)群對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，以南泥湖鉬礦多層復(fù)雜空區(qū)條件下的礦山邊坡為研究對(duì)象，分析得到了現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)境界下邊坡的安全系數(shù)、位移以及塑性區(qū)分布，通過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了現(xiàn)場現(xiàn)場垮塌的根源，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)境界進(jìn)行了分析和論證。根據(jù)研究結(jié)果得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)安全系數(shù)分析，目前現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)能夠滿足許用安全系數(shù)要求，邊坡是安全的，這與現(xiàn)場觀測和踏勘得到的結(jié)論相符；設(shè)計(jì)境界邊坡安全系數(shù)不能夠滿足安全系數(shù)要求，邊坡達(dá)到設(shè)計(jì)境界時(shí)安全性難以保證。

（2）通過位移量分析可知，邊坡最大位移量為空區(qū)出現(xiàn)的位置，與塌陷位置和現(xiàn)場情況十分相符，分析結(jié)果與現(xiàn)場情況相互驗(yàn)證；同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，在未來開采達(dá)到設(shè)計(jì)境界時(shí)，1330～1345 m處采空區(qū)會(huì)先垮塌，然后上部失去支撐，最終導(dǎo)致上部大面積的滑塌。

（3）在空區(qū)頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞區(qū)，空區(qū)的其他部位出現(xiàn)剪應(yīng)力破壞區(qū)，同時(shí)由于下部空區(qū)的存在，導(dǎo)致上部空區(qū)出現(xiàn)部分的拉應(yīng)力破壞區(qū)，在現(xiàn)狀情況下空區(qū)的塑形破壞區(qū)域與邊坡塑性區(qū)域未完全貫通；隨著開采深度的不斷增加，邊坡不斷加陡，遠(yuǎn)在邊坡內(nèi)部的空區(qū)距離邊坡面越來越近，導(dǎo)致內(nèi)部空區(qū)四角出現(xiàn)了剪切應(yīng)力破壞區(qū)域，與邊坡塑性區(qū)域完全貫通。

（4）綜合分析結(jié)果，多層復(fù)雜空區(qū)嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性，空區(qū)的垮塌可能會(huì)造成上部邊坡的滑塌，南泥湖鉬礦設(shè)計(jì)境界不能夠滿足安全生產(chǎn)要求，應(yīng)當(dāng)盡早采取治理措施。