常來(lái)山 李 欣 牛文杰

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司)

露天采礦以成本低、生產(chǎn)能力大、安全性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，為追求投資收益的最大化，一般采用分期開(kāi)采方式。但露天采場(chǎng)達(dá)到一定深度后，下一分期繼續(xù)采用露天采礦方式會(huì)面臨諸多的問(wèn)題，如剝采比增加、初期投資過(guò)大、過(guò)渡期太長(zhǎng)、運(yùn)距大幅增加、效益指標(biāo)惡化、排土場(chǎng)容積不足及環(huán)保問(wèn)題制約等，而地下采礦設(shè)備及技術(shù)的大幅進(jìn)步，已擺脫了生產(chǎn)能力小、采礦成本過(guò)高、安全性較差的制約，因此由露天轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采變成一種非常合理的選擇［1-2］，特別是由于環(huán)境保護(hù)的需要目前已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采會(huì)帶來(lái)一系列新的問(wèn)題有待于研究解決，其中地下開(kāi)采過(guò)程中露天礦邊坡巖體變形破壞模式、范圍等的預(yù)測(cè)分析即是一個(gè)重要課題［3］，變形破壞是必然的，但突然的整體破壞可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果［4］，本研究基于FLAC的大變形模式對(duì)鞍鋼眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后的邊坡巖體變形破壞演變過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，以期對(duì)礦山的安全生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

眼前山鐵礦始建于1960年8月，設(shè)計(jì)采用露天方式開(kāi)采，1994年執(zhí)行2期擴(kuò)建設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)模為250萬(wàn)t/a，采場(chǎng)長(zhǎng)1 410 m，寬570～710 m，封閉圈標(biāo)高93 m，臺(tái)階高度12 m，境界邊坡3并段為3 6m，底標(biāo)高－195 m，后因邊坡問(wèn)題調(diào)整至－183 m水平。南幫邊坡主要由混合巖組成，節(jié)理發(fā)育，為硬巖碎裂型結(jié)構(gòu)巖體，北幫為綠泥千枚巖和碳質(zhì)千枚巖，表現(xiàn)為軟巖的特性，屬反傾薄層狀結(jié)構(gòu)巖體，局部為散體結(jié)構(gòu)。露天開(kāi)采過(guò)程中邊坡發(fā)生過(guò)多次變形破壞，巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。2期露天開(kāi)采結(jié)束后轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，采礦方法為無(wú)底柱分段崩落法，露天坑底人為形成40 m厚松散覆蓋巖層。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡大變形FLAC模擬

2.1 建立采場(chǎng)巖體FLAC網(wǎng)格模型

根據(jù)眼前山鐵礦露天采礦境界圖及相應(yīng)資料，以Y4200剖面(如圖1)建立FLAC邊坡模型，邊坡北幫坡頂標(biāo)高155 m，南幫坡頂標(biāo)高100 m，坡底標(biāo)高－183 m，地下模擬開(kāi)挖階段高度為180 m。為了減少開(kāi)挖模擬時(shí)模型邊界條件的約束對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響，模型取長(zhǎng)1 800 m，高度600 m。根據(jù)剖面形狀劃分網(wǎng)格形成FLAC數(shù)值計(jì)算模型。

圖1 Y4200剖面圖

2.2 露天邊坡初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

首先按原始地貌進(jìn)行自重應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，然后模擬露天開(kāi)采，形成地下開(kāi)采的初始應(yīng)力場(chǎng)，位移場(chǎng)與速度場(chǎng)置零，置為大變形模式，為地下開(kāi)采模擬做好準(zhǔn)備。

2.3 地下開(kāi)采模擬方式

眼前山鐵礦地下開(kāi)采設(shè)計(jì)方案采用無(wú)底柱分段崩落法，階段高為180 m，分段高18 m。露天開(kāi)采轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的過(guò)渡期內(nèi)－183 m形成40 m厚的松散巖石覆蓋層，并進(jìn)行邊坡殘留礦體的開(kāi)采，由于松散覆蓋層對(duì)邊坡的變性影響較小，模擬中近似地視為被開(kāi)挖掉。地下開(kāi)采模擬從－229 m水平開(kāi)始，然后按18 m向下依次開(kāi)挖各分段:－229、－247、－265、－283、－301 m等。

2.4 地下開(kāi)采模擬結(jié)果與分析

圖2～圖6為5個(gè)分段開(kāi)采后的邊坡巖體塑性區(qū)圖和大變形滑移后的形態(tài)。對(duì)于南幫邊坡巖體，模擬開(kāi)采到－301 m時(shí)，因其強(qiáng)度較高，并未出現(xiàn)大變形的整體滑移，僅在露采中下部邊坡表面和地下采場(chǎng)附近的巖體中，表現(xiàn)為開(kāi)挖瞬間單元進(jìn)入塑性狀態(tài);而后隨著應(yīng)力調(diào)整又重回彈性狀態(tài)的現(xiàn)象，地下開(kāi)采造成巖體松動(dòng)變形而形成滾石至巖石松散覆蓋層，是無(wú)底柱分段崩落法采礦的正?，F(xiàn)象。對(duì)于北幫邊坡巖體，第1分段－229 m開(kāi)采后，不僅出現(xiàn)大量單元開(kāi)挖瞬間進(jìn)入塑性狀態(tài)而后又調(diào)整回彈性狀態(tài)的現(xiàn)象，采場(chǎng)巖體中也出現(xiàn)了傾斜的剪切破壞帶，向上延伸至－100 m水平，傾角54°，厚31.8 m。隨著開(kāi)采剪切破壞帶向上延伸，在開(kāi)采至－249 m時(shí)延伸至邊坡表面+70 m水平形成滑體，開(kāi)始向下滑動(dòng)。開(kāi)采至－265 m水平時(shí)，滑體發(fā)展至+100 m水平左右。開(kāi)采至－283 m水平時(shí)滑體向內(nèi)發(fā)展變厚，向上延展至地表坡頂處，邊坡面臺(tái)階明顯下沉，F(xiàn)LAC網(wǎng)格出現(xiàn)變形，坡面附近節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)大變形形態(tài)。開(kāi)采至－301 m時(shí)，北幫邊坡變成1個(gè)大的傾斜坡面由露天采場(chǎng)總體邊坡角40°降為38°，臺(tái)階基本上全部滑落，個(gè)別臺(tái)階平臺(tái)已完全消失，滑面傾角51°，地表寬77 m。由于北幫巖體為破碎的軟巖，實(shí)際的變形破壞過(guò)程應(yīng)為地下采動(dòng)影響下的逐漸剝落，補(bǔ)充給松散巖石覆蓋層，不會(huì)形成突然快速的滑坡，對(duì)地下開(kāi)采的安全影響不大，但大量小顆粒碎石補(bǔ)充至巖石覆蓋層，對(duì)控制損失貧化指標(biāo)不利。

圖2 開(kāi)挖至－229 m的塑性區(qū)及邊坡形態(tài)

圖3 開(kāi)挖至－247 m的塑性區(qū)及邊坡形態(tài)

3 結(jié)論

(1)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采將引起邊坡巖體的較大變形和滑動(dòng)，采用FLAC方法的大變形模式來(lái)模擬是可行的，可以得出一些較有意義的結(jié)論。

圖4 開(kāi)挖至－265 m的塑性區(qū)及邊坡形態(tài)

圖5 開(kāi)挖至－283 m的塑性區(qū)及邊坡形態(tài)

圖6 開(kāi)挖至－301 m的塑性區(qū)及邊坡形態(tài)

(2)眼前山鐵礦在轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的過(guò)程中，開(kāi)挖模擬顯示北幫軟巖邊坡易產(chǎn)生大量滑落，但一般不會(huì)形成突然快速的滑坡，對(duì)地下開(kāi)采的安全影響不大，但大量小顆粒碎石補(bǔ)充巖石覆蓋層，對(duì)控制損失貧化指標(biāo)不利。

(3)眼前山鐵礦南幫硬巖邊坡巖體，模擬顯示開(kāi)采初期并未出現(xiàn)大變形和整體滑移，深部開(kāi)采應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注。

(4)在礦山實(shí)際開(kāi)采中，應(yīng)加強(qiáng)邊坡巖移監(jiān)測(cè)，采取預(yù)防措施，防患于未然，保證生產(chǎn)的安全。

［1］ 史秀志，黃剛海，張 舒，等.基于FLAC3D的復(fù)雜條件下露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采空區(qū)圍巖變形及破壞特征［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，42(6):1710-1718.

［2］ 韓現(xiàn)民，李占金，甘德清.露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬與敏感度分析［J］.金屬礦山，2007(6):8-12.

［3］ 葛勇勇，張紅兵，趙洪寶，等.井工開(kāi)采對(duì)露天礦邊幫穩(wěn)定性影響研究［J］.金屬礦山，2013(2):32-35.

［4］ 劉占衛(wèi)，王 健，李述濤.金山礦業(yè)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采技術(shù)分析［J］金屬礦山，2013(2):42-45.