露井同期開采作用下邊坡應(yīng)力演化機(jī)制及其穩(wěn)定性探究

孫世國 宋 輝 王 佳

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

由于我國資源儲備豐富，且各類資源賦存條件的多樣性，決定了我國資源開采存在多種開采方式。單一開采方式的弊端日益凸顯，因此大多數(shù)礦山選擇采用露井同期開采的方式，它將露天采礦和井工采礦有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅減少了資源浪費(fèi)，而且提高了經(jīng)濟(jì)效益，解決了當(dāng)前社會急劇增長的資源需求問題［1-5］。

露井同期開采屬于復(fù)雜巖層結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜受力過程的巖石力學(xué)難題，探討露井同期開采條件下邊坡應(yīng)力演化機(jī)制規(guī)律，尋找合理的開采推進(jìn)方向和空間位置對應(yīng)關(guān)系，得到最佳開采方案，可對類似開采方法的安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)，具有重要的科學(xué)價(jià)值［6-7］。此外，在露井同期開采作用下，邊坡巖體將受到2種采動效應(yīng)的疊加作用，其應(yīng)力演化機(jī)制更為復(fù)雜［8-9］，如何確保邊坡安全顯得極為重要，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)等情況，將直接威脅到作業(yè)人員的生命安全和礦區(qū)的安全生產(chǎn)，所以研究露井聯(lián)采下的邊坡穩(wěn)定性意義深遠(yuǎn)［10-11］。

筆者以紫荊山金銅礦開采為例，對受露井同期開采作用的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到邊坡應(yīng)力場及位移場演變規(guī)律，繼而對邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行分析，最后對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程概況及邊坡數(shù)值模擬模型的建立

1．1 礦區(qū)工程概況

紫金山金銅礦為特大型有色金屬礦床，根據(jù)現(xiàn)場礦體的勘察資料顯示，礦體蘊(yùn)含金含量達(dá)305 t，銅量更是高達(dá)300萬t以上。礦區(qū)地層主要分布于外圍地區(qū)，地層主要出露白堊系、上泥盆統(tǒng)-石炭系、震旦系。

1．2 邊坡數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)紫金山采場邊坡的巖土結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)條件及相關(guān)地震資料可知，采區(qū)抗震設(shè)防烈度為VII度，地震加速度為0.05 g，因此在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中需考慮地震對邊坡體的影響。采場平面示意圖如圖1所示。參數(shù)選取如表1所示。

圖1 采場平面示意圖

表1 采場巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

從圖1中可以看出，A-A剖面作為研究對象。

表1中，I1為中微風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r，I2為中風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r，II1為中風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r，II2為中風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r，III為中強(qiáng)風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r，IV為強(qiáng)風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r。

2 井工開采誘發(fā)邊坡應(yīng)力場及位移場演變分析

紫金山金銅礦深部礦體的設(shè)計(jì)方案如下：露采到終了設(shè)計(jì)邊坡境界線至+100 m水平后，優(yōu)先對于0，-10，-50，-100 m 4個(gè)中段的開采進(jìn)行研究分析。筆者以采區(qū)位于坡腳處邊坡開采建立三維模型為例進(jìn)行分析。邊坡開采三維數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 邊坡開采三維數(shù)值模型

根據(jù)開采坡腳礦體的數(shù)值模擬結(jié)果，隨著開采的不斷進(jìn)行，井工采動效應(yīng)增大，采區(qū)上覆巖體開始向采場滑移，坡中和坡腳區(qū)下沉值較大，進(jìn)而上覆巖體的滑移沉陷使邊坡角不斷增大，最大水平位移達(dá)到0.725 m；應(yīng)力集中現(xiàn)象隨開采的不斷進(jìn)行越來越顯著，逐漸由左下角擴(kuò)展至其他3個(gè)邊角區(qū)域，當(dāng)沿傾向開挖120 m時(shí)，最大應(yīng)力值達(dá)到6.33 MPa，如圖3所示。

圖3 沿走向開挖120 m XZ平面剪應(yīng)力變化色譜圖（單位：Pa）

塑性區(qū)范圍隨開挖長度增加而增大，當(dāng)沿走向開采長度為100 m時(shí)，采動產(chǎn)生的塑性區(qū)與地表裂隙帶貫通，采空區(qū)上覆巖體易發(fā)生塌落，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 沿走向開挖100 m YZ平面塑性區(qū)變化色譜圖

此外，當(dāng)坡腳區(qū)充分開采后，原巖受到上覆巖體滑移變形作用，產(chǎn)生大量裂隙和節(jié)理，巖體的巖性必然會降低，采空區(qū)上覆巖體失穩(wěn)的可能性增大，邊坡不同區(qū)域應(yīng)力重新分布，開采區(qū)正上方的坡面處應(yīng)力值接近于0，且開采區(qū)正上方 +100 m 水平，+60 m處應(yīng)力值也較小。因開采區(qū)域右側(cè)有反傾斷裂帶，隨著開挖長度的增加，導(dǎo)致沿傾向方向開采區(qū)上側(cè)和右側(cè)巖體同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，且?guī)r體應(yīng)力呈w型分布，如圖5所示。

圖5 采后邊坡不同區(qū)域應(yīng)力變化規(guī)律

在露天和井工開采還未開始之前，原巖應(yīng)力狀態(tài)為｛σ0｝，在露天開采引起的總應(yīng)力變化為｛σL｝，當(dāng)邊坡巖體達(dá)到重新穩(wěn)定后，應(yīng)力場變?yōu)椋?｝＝｛σ0｝+｛σL｝。地下開采所引起的應(yīng)力變化更加復(fù)雜，地下開采共分為6步，每步沿傾向開挖20 m，第1步沿傾向開挖20 m所引起的應(yīng)力變化為｛σD1｝，此時(shí)在兩者共同作用下，采動影響域內(nèi)邊坡巖體的應(yīng)力場變?yōu)椋?｝＝｛σ1｝+｛σD1｝；接下來第2步沿傾向開挖20 m所引起的應(yīng)力變化為｛σD2｝，此時(shí)采動影響域內(nèi)邊坡巖體應(yīng)力場為｛σ3｝＝｛σ2｝+｛σD2｝；之后由于第3步至第6步開挖，應(yīng)力場產(chǎn)生的變化分別為｛σD3｝，｛σD4｝，｛σD5｝，｛σD6｝，則上覆巖體內(nèi)的最終應(yīng)力場為｛σ7｝＝｛σ6｝+｛σD6｝，最終構(gòu)成了一個(gè)復(fù)合狀態(tài)疊加體系［12］2。由于地下礦體連續(xù)開采所導(dǎo)致的+60 m水平（3線）沉陷變化曲線如圖6所示。

圖6 開挖推進(jìn)過程+60 m水平（3線）沉陷變化曲線

3 露井同期開采作用下邊坡破壞機(jī)制及穩(wěn)定性研究

3．1 露井同期開采作用下邊坡破壞機(jī)制分析

在露天和井工開挖作用下，原巖石體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，生成新的邊坡輪廓線和應(yīng)力分布場，邊坡體重新達(dá)到相對平衡狀態(tài)［13］。

從變形特征來看，露天和井工開采2種采動效應(yīng)的相互作用疊加在影響范圍內(nèi)不同的空間單元上，在其不同的空間位置上合成矢量的方向和大小是不同的。在露天開采和井工開采2種作用效應(yīng)下，邊坡巖體所產(chǎn)生的位移矢量分別為ui，wi，兩者疊加后的合成矢量為vi，如圖7所示，合成矢量的方向由2種采動效應(yīng)的相對影響大小具體決定。隨著地下采區(qū)開挖不斷進(jìn)行，開挖量達(dá)到一定級別后，由于2種采動影響大小和方向在空間位置上不同，導(dǎo)致主斷面內(nèi)p1，p2，p3點(diǎn)合成矢量方向不同。邊坡體內(nèi)位移矢量變化有如下特點(diǎn)：從井采區(qū)下山方向至上山方向，2種采動效應(yīng)產(chǎn)生的夾角逐漸增大，在經(jīng)過主斷面后，2個(gè)矢量之間的夾角在某一位置后將大于90°，此后兩者作用效應(yīng)開始抵消，合成矢量逐步減小［14］。

圖7 坡腳區(qū)域沿傾向3種開采長度圖

當(dāng)開挖達(dá)到一定深度時(shí)，露天采動影響逐漸減弱并最終消失，巖體變形主要受地下采動效應(yīng)的影響，此時(shí)地下采動效應(yīng)對合成矢量方向的影響起決定作用［12］3。

3．2 井工開采對邊坡巖體的影響

井工開采易導(dǎo)致上覆巖體的力學(xué)強(qiáng)度大幅度降低，進(jìn)而導(dǎo)致地表移動沉陷、圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定量級時(shí)，處于井工采動擾動范圍內(nèi)的周圍巖體發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖層移動波及地表，圍巖體會產(chǎn)生一定程度的破壞，地表將發(fā)生一定程度的沉陷和水平移動，導(dǎo)致大量沉陷帶和張拉裂縫的生成，在強(qiáng)降雨過程中大量的雨水滲入，巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)會降低，此外巖土體介質(zhì)的彈性模量和斷層或弱層介質(zhì)的強(qiáng)度也隨之降低，導(dǎo)致原生巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而巖土體原有的完整性被改變，邊坡巖土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低［15］。

3．3 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

坡腳區(qū)域沿傾向3種開采長度圖詳見圖7，其中在坡腳區(qū)域開采第1階段（見圖7（a）），上覆邊坡巖體受到2種采動效應(yīng)的疊加作用，且合力作用線與邊坡間的夾角較小，易誘發(fā)邊坡淺層滑坡；隨著工作面開采的推進(jìn)（見圖7（b）），采空工作面長度增大，井采效應(yīng)對上覆巖體的破壞影響占主導(dǎo)作用，且合力作用線與邊坡間的夾角增大，上覆邊坡巖體位移矢量方向指向采空區(qū)，其中上盤下部邊坡角減小，有利于該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性，上盤上部坡角增大不利于該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性；當(dāng)工作面長度大到一定程度時(shí)（見圖7（c）），所有合成矢量均指向采空區(qū)，整體坡角變小，從而有利于邊坡穩(wěn)定性。

邊坡巖體滑移變形后邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)減弱，進(jìn)而邊坡體的巖層參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減，A-A剖面危險(xiǎn)滑體位置如圖8所示。

圖8 A-A剖面危險(xiǎn)滑體位置圖

在選定最危險(xiǎn)滑移的基礎(chǔ)上，利用Morgenstern-Price（摩根斯坦 -普拉斯）法、Janbu（簡布）法、Bishop（畢肖普）法和Ordinary（瑞典條分）法對采區(qū)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，評價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

筆者結(jié)合工程實(shí)例首次系統(tǒng)揭示了地下采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理，并系統(tǒng)研究了采空工作面長度3種變化區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響與破壞機(jī)制，其中在坡腳區(qū)域開采初期，采空區(qū)上覆巖體受到的合力作用線與邊坡間的夾角較小，坡中和坡腳區(qū)開始下沉，邊坡角不斷增大，邊坡穩(wěn)定性降低。隨著工作面開采的推進(jìn)，采空區(qū)面積不斷增大，井采效應(yīng)對上覆巖體的破壞影響占主導(dǎo)作用，且合力作用線與邊坡間的夾角增大，坡中和坡腳區(qū)下沉值持續(xù)增大，上盤下部邊坡角減小，有利于該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性，上盤上部坡角增大不利于該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性。當(dāng)沿走向開采長度為100 m時(shí)，井工采動產(chǎn)生的塑性區(qū)與地表裂隙帶貫通，采空區(qū)上覆巖體易發(fā)生塌落，坡腳區(qū)域開采完成后，2種采動效應(yīng)的合成矢量均指向采空區(qū)，整體坡角變小，從而有利于邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果可知，當(dāng)采區(qū)位于坡腳區(qū)域時(shí)，使用4種評價(jià)方法得到的穩(wěn)定系數(shù)平均值為0.879，由此可判定，邊坡處于不穩(wěn)定性狀態(tài)。綜上研究，此類采礦工程的開采方案，應(yīng)從坡外側(cè)向邊坡一側(cè)開采推進(jìn)，可有效控制邊坡的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生滑坡破壞。