三友石礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性研究

張亞賓,王鑫,艾蕊,李宜楊,黃琛瀧

(1. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室,河北 唐山 063210)

引言

石礦本身價值比較低,在原有市場經(jīng)濟條件下不適于地下開采,但是近年來隨著綠色開采的推進(jìn),一些小型石礦紛紛關(guān)閉,導(dǎo)致現(xiàn)今石材價格升高,逐漸使石礦具備了地下開采的可能[1,2,3]。為了實現(xiàn)平穩(wěn)過渡不停產(chǎn),露天邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。許多學(xué)者利用相似模擬和數(shù)值模擬等方法對露天轉(zhuǎn)地下開采的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究和探討。周瑞龍[4]等對露天轉(zhuǎn)地開采后礦山高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,通過有限元數(shù)值模擬方法驗證了石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采礦山高邊坡整體是穩(wěn)定的。姚俊輝[5]等為探究露天轉(zhuǎn)地下開采空區(qū)破壞特征和邊坡穩(wěn)定性影響,對某鐵礦露天轉(zhuǎn)地下無底柱分段崩落法開采進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬,分析了露天轉(zhuǎn)地下開采過程中地壓活動規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性,得出回采過程中空區(qū)圍巖和空區(qū)的破壞狀況以及回采過程中邊坡安全系高。孫世國[6]等通過模擬了3種條件下地下開采對邊坡穩(wěn)定性的影響機制,得出了3種條件下露天轉(zhuǎn)地下采區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)。肖林京[7]等結(jié)合工程實例和數(shù)值模擬對采用無底柱分段崩落法礦體露天轉(zhuǎn)地下開采進(jìn)行了研究,分析了開采礦房深度增加引起上部邊坡的受力及位移變化和采空區(qū)充填對邊坡穩(wěn)定性的影響,并得出合理的開采方案。王孟來[8]等采用相似模擬和FLAC3D數(shù)值模擬的方法對坡高300m礦山在不同開采階段位移變化特征等進(jìn)行了對比研究,沉降結(jié)果基本一致。黃波[9]等通過高陡邊坡監(jiān)測系統(tǒng)對礦山露天轉(zhuǎn)地下過程中的邊坡應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測,分析其變化規(guī)律,在復(fù)合采動下邊坡巖體破壞機制更加復(fù)雜,為在露天轉(zhuǎn)地下復(fù)合采動影響下邊坡滑移預(yù)測提供關(guān)鍵理論支撐。王云飛[10]等針對露天轉(zhuǎn)地下開采過程中地下開采對露天邊坡變形破壞問題進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析了地下礦體開采過程中邊坡巖體的變形和應(yīng)力變化,不同標(biāo)高處邊坡巖體的豎向位移有所區(qū)別,開采對礦體上盤圍巖影響更大,上盤邊坡巖體最大主應(yīng)力隨深度增加而增加。以唐山三友集團三友石礦露天轉(zhuǎn)地下開采為研究背景,采用相似模擬實驗法觀測、分析模型在地下開采過程中的邊坡及圍巖的位移和應(yīng)力變化,從而對開采過程中造成的邊坡及圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行探究。

1 工程背景

唐山三友集團有限公司三友石礦位于唐山市北東20公里處的開平盆地西北處,交通便利,自建成已露天開采30年。根據(jù)礦區(qū)天然條件將礦區(qū)自東向西分為一、二、三采區(qū),礦體總體呈北東向?qū)訝罘植肌５V區(qū)內(nèi)含多條斷層,二礦區(qū)目前已經(jīng)開采至+16 m水平,擬進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采,邊坡下的Ⅴ號礦體8#勘探線(如圖1)剖面南北長525 m,深345 m。礦區(qū)地質(zhì)復(fù)雜,由于受斷層的影響,礦體被切割并發(fā)生位移,就露天礦整體而言,由南至北依次由含泥灰質(zhì)白云巖、豹皮狀白云質(zhì)灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成,且南幫礦體強度高于北幫。礦區(qū)內(nèi)斷層多南北走向,地面裂縫、塌陷明顯,露天部分由于多年開采形成了高陡的邊坡,北幫邊坡標(biāo)高+188 m,南幫+82 m,如果繼續(xù)采用露天開采不僅會增大礦山剝采比降低經(jīng)濟效益,也會出現(xiàn)一系列的安全問題,影響礦山安全生產(chǎn),所以計劃在原有露天坑底穿孔爆破,以地下出礦的方式進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采。地下開采過程中,露天邊坡產(chǎn)生的變形破壞將直接影響地下開采的安全,因此針對地下開采對邊坡穩(wěn)定性問題影響的研究是十分有必要的。

圖1 8#勘探線剖面分布圖

2 實驗方案

2.1 相似材料配比選定

利用相似模擬實驗可以認(rèn)識和探討地壓規(guī)律,并在實驗室利用人工材料制備出與天然巖石物理力學(xué)性質(zhì)相似的模型。根據(jù)實驗?zāi)康?實驗?zāi)Ｐ蜐M足相似三大定律條件,與原型物理參數(shù)相似,最終確定模型幾何相似常數(shù)αL=200,容重相似比αγ=1.47。實驗需要相似材料滿足密度為1.8 g/cm3、抗壓強度為0.1 MPa要求,最終選定如表1所示相似材料的強度及配比方式。

表1 選定材料強度及配比

2.2 監(jiān)測點布置及開挖方案設(shè)計

按照礦山實際原型,制作尺寸長2.3 m,高1.5 m的實驗?zāi)Ｐ?接著在模型中模擬采場開挖工作。在砌筑模型過程中埋設(shè)應(yīng)變片,以便對模型內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測,設(shè)置非接觸全場應(yīng)變與應(yīng)變儀監(jiān)測點相對應(yīng),綜合考慮布置監(jiān)測點的因素,布置如圖2所示監(jiān)測點。

圖2 應(yīng)變儀測點布置圖

監(jiān)測點布置完畢即對模型進(jìn)行回采,分四步模擬實際開采工作,每次向下開采65 mm、即實際依次向下開采至-2 m、-17 m、-32 m、-47 m,每步開采15 m,共60 m,模型每次向前掘進(jìn)40 mm,即實際掘進(jìn)8 m。整個模擬開采全程使用全場應(yīng)變儀和靜態(tài)應(yīng)變分析系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。圖中10、12、13號測點分別為礦體南幫邊坡的+74 m、+60 m、+10 m水平測點,1、4、6、8、9號測點分別為礦體北幫邊坡的+163 m、+94 m、+48 m、+10 m、+6 m水平測點。

3 結(jié)果分析

3.1 邊坡位移變化分析

通過非接觸式全場應(yīng)變儀對開采過程中的位移變化進(jìn)行監(jiān)測,南幫邊坡和北幫邊坡的水平、豎直位移隨開采步序的變化如圖3、圖4所示,10～13測點和1～8測點分別為南北幫邊坡測點。

圖3 南、北幫邊坡水平位移與開采次序的關(guān)系曲線

圖4 南、北幫邊坡豎向位移與開采次序關(guān)系曲線

觀察圖3可知,第一次開采完成,南北幫邊坡位移變化均較小,在第二次開采完成后水平位移量均增大,由于北幫邊坡過高對礦體形成的擠壓現(xiàn)象更明顯,在之后北幫監(jiān)測點的水平位移量隨開采次序的增加呈線性增長,且北幫邊坡原露天礦坡腳位置的測點8產(chǎn)生的位移增量最大為0.23 mm(折合實際位移為46 mm);南幫邊坡第三次開采過程中即-17 m水平至-32 m水平時,邊坡位移出現(xiàn)輕微的回落,南幫邊坡水平位移在坡腳10測點位置達(dá)到最大值,即在第四步開采完成,地下開采到-47 m水平時,水平位移最大值為0.18 mm(折合實際位移為36 mm)。南幫坡頂12、13測點和北幫坡頂1、2、3測點的水平位移在完整開采過程中變化較小,由此說明隨著地下開采的進(jìn)行,開采擾動對礦山邊坡坡頂?shù)乃轿灰朴绊懽钚?10測點和8測點分別取得南北幫邊坡水平位移的最大值,說明地下開采對礦山邊坡坡腳的水平位移影響最大。

觀察圖4可知,模型南、北幫邊坡都出現(xiàn)了位移沉降,且北幫大于南幫。南、北幫豎向位移量隨著開采的進(jìn)行逐漸增大,第三次開采完成,豎向位移量突然增大,說明開采至-32 m水平此時地下開采擾動對邊坡影響突然增大。整個開采過程中邊坡豎向位移值都在不斷增大,且越接近坡頂?shù)奈恢秘Q向位移量增速越大,南北幫邊坡豎向位移最大值分別出現(xiàn)在位于坡頂?shù)?3測點和1測點,南幫邊坡最大豎向位移值為0.27 mm(折合實際位移為54 mm),北幫為0.43 mm(折合實際位移為86 mm),礦體北幫大于南幫沉降值,由此可知地下開采對北幫邊坡的影響大于南幫邊坡。

3.2 圍巖位移變化分析

隨開采的進(jìn)行,礦體周圍圍巖的水平和豎向位移也在發(fā)生變化,圖5(設(shè)置北幫到南幫的方向為X軸正方向)、圖6(設(shè)置豎直向上為Y軸正方向)分別為周邊圍巖各監(jiān)測點的水平和豎向位移隨開采步序的變化曲線,圖中14～17測點為礦體上盤附近測點,18～21測點位于礦體下盤附近測點,各測點距礦體邊界的距離基本相等。

圖5 圍巖水平位移與開采次序關(guān)系曲線

圖6 圍巖豎向位移與開采次序關(guān)系曲線

觀察圖5可知,隨開采步序的進(jìn)行,礦體周圍圍巖的水平位移先逐步增加,隨后快速增加,最后又趨于緩慢增長趨勢,說明在開采至某一水平時,圍巖的水平方向出現(xiàn)較大位移形變,之后恢復(fù)到緩慢增加的狀態(tài)。第一次開采完成,各測點位移變化微小,第二次開挖完成后,14測點和21測點水平位移出現(xiàn)較大變化,第三次開挖完成,15測點和20測點水平位移出現(xiàn)較大變化,分析可知是由于相近水平礦體開挖擾動引起上下盤圍巖出現(xiàn)相似的增長趨勢,上下盤水平位移值出現(xiàn)在14測點和21測點,且上盤14測點的位移值略大于下盤21測點,上盤圍巖的水平位移量大于下盤。開采引起上盤14測點即北幫邊坡坡底處的位移值為0.2 mm(折合實際位移為41 mm),由此可見,高陡的邊坡和坡底巖石穩(wěn)固性較低導(dǎo)致北幫邊坡水平位移較大,南幫邊坡水平較低,圍巖穩(wěn)定性相對較好。不同深度圍巖的水平位移有所變化,隨著深度增加變化越來越小,可知開采對于淺層圍巖影響比深層更加顯著。

由圖6可知,隨著開采步序增加礦體上下盤圍巖豎向位移逐漸增加,且礦體上盤沉降值大于下盤。在第四次開采結(jié)束,位于礦體上盤圍巖的14測點出現(xiàn)最大位移沉降值0.28 mm(折合實際位移為56 mm),17測點取得上盤最小位移沉降值為0.18 mm(折合實際位移為36 mm)。位于礦體下盤圍巖的21測點出現(xiàn)最大位移沉降值為0.17 mm(折合實際位移為34 mm),19測點取得下盤最小位移沉降值為0.1 mm(折合實際位移為20 mm)。14測點與21測點同處于15 m水平屬于淺部圍巖,17測點與19測點同處于-47 m水平圍巖,由此可知,地下開采對淺部圍巖的影響大于深部。對于同水平的上盤圍巖豎向位移均大于下盤圍巖,可知下盤圍巖的穩(wěn)固性更好。

3.3 應(yīng)力變化分析

通過靜態(tài)應(yīng)變儀埋設(shè)應(yīng)變片的方式,對開采過程中的南北幫邊坡及個水平的最大主應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測,統(tǒng)計好主要監(jiān)測點的信息并繪制應(yīng)力變化曲線圖。南北幫邊坡主要監(jiān)測點應(yīng)力變化如圖7所示。

圖7 邊坡典型監(jiān)測點應(yīng)力變化曲線

圖7中10～13測點和1～9測點分別為南北幫邊坡測點。隨著地下開采的逐步進(jìn)行,南、北幫邊坡的最大主應(yīng)力變化較小?？v觀南幫邊坡測點,整體應(yīng)力值變化隨著開采深度增加呈減小狀態(tài)。第四步開采完成,南幫邊坡13測點即坡頂應(yīng)力值最小,10測點即坡底應(yīng)力值最大為1.49 kPa(折合實際應(yīng)力為480 kPa), 北幫邊坡位于+48 m水平的6測點受地下開采影響最大,最大應(yīng)力值為1.76 kPa(折合實際應(yīng)力為580 kPa)。最小應(yīng)力值為位于邊坡坡腳位置+6 m水平的8測點和9測點。由此可知北幫邊坡測點應(yīng)力值隨著地下開采深度的增加,呈先增大后緩慢減少的趨勢,在北幫邊坡的+48 m位置應(yīng)力集中區(qū)域分布。

通過觀察主應(yīng)變分布云圖可以知道主應(yīng)力的分布規(guī)律。觀察圖8可知,采區(qū)周圍應(yīng)變值有所變化,開采后臨空面的應(yīng)變值最大,暴露的礦體邊界應(yīng)變值向內(nèi)部逐漸減弱。應(yīng)變值隨開采次數(shù)的增加而增大,最大主應(yīng)變區(qū)域沿開采區(qū)規(guī)律分布。第一次開采完成即-2 m的水平時,此時巖體沒有發(fā)生剪切破壞,第二次開采完成即-17 m水平時,北幫出現(xiàn)了拉破壞,第三次開采完成即-37 m的水平時,相比第二次的開采北幫底部的拉破壞區(qū)域有明顯擴展,第四次開采完成即地下開采至-47 m水平時,北幫邊坡坡底巖石出現(xiàn)明顯的破壞。前兩次開采對圍巖應(yīng)力變化影響較小,后續(xù)開采對采空區(qū)底部圍巖影響較大且應(yīng)力集中明顯,北部圍巖應(yīng)力狀態(tài)整體大于南部,即地下開采對礦體上盤影響較下盤更顯著。應(yīng)變分布規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律吻合。

圖8 最大主應(yīng)變分布云圖

4 結(jié)論

(1)地下開采引起邊坡形變,在露天轉(zhuǎn)地下開采的過程中,隨著開采深度增加,采場邊坡的位移隨之增加,水平位移從坡頂?shù)介_采中心位置逐漸增大,由于北幫邊坡水平位置相較南方高,對坡底擠壓效果更為嚴(yán)重,當(dāng)?shù)叵麻_采至-47 m水平時,南北邊坡坡腳水平位移值達(dá)均到最大,且北幫邊坡水平位移大于南幫邊坡。

(2)南北幫邊坡沉降值隨高程增加而增加,最大沉降值出現(xiàn)在邊坡的坡頂位置,且北幫大于南幫,南幫54 mm,北幫為86 mm,因此地下開采對北幫邊坡的影響較大。

(3)圍巖水平位移隨開采深度增加而增加減緩,當(dāng)?shù)叵麻_采至某一水平,其對應(yīng)水平的巖體出現(xiàn)明顯形變,地下開采對淺層較深層影響更為顯著,對于同水平的上盤圍巖豎向位移均大于下盤圍巖,地下開采對礦體上盤的影響大于下盤。

(4)受地下開采影響南北幫邊坡的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在不同位置,南幫邊坡出現(xiàn)在邊坡的坡腳位置,應(yīng)力值為480 kPa。北幫邊坡應(yīng)力最大為+48 m水平,其應(yīng)力值為580 kPa。