趙蒙生 刁 虎 代永新 李如忠 熊齊歡(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

采空區(qū)處理對(duì)上部采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響的研究

趙蒙生1,2,3刁 虎1,2,3代永新1,2,3李如忠1,2,3熊齊歡1,2,3
(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

目前邊坡穩(wěn)定性研究較多，也取得了很多成果，但針對(duì)地下開(kāi)采轉(zhuǎn)露天開(kāi)采的邊坡穩(wěn)定性影響、邊坡安全控制關(guān)鍵因素研究甚少。針對(duì)采場(chǎng)底部空區(qū)采用廢石充填、上部空區(qū)采用崩落隔離礦柱的空區(qū)處理工藝，分析采空區(qū)進(jìn)行崩落隔離礦柱對(duì)邊坡坡腳應(yīng)力釋放、采場(chǎng)邊坡腳距空區(qū)水平距離影響。根據(jù)邊坡應(yīng)力、應(yīng)變和塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)得出：隨著采場(chǎng)邊坡腳距空區(qū)水平距離的加大，空區(qū)底部剪應(yīng)力呈線性減小趨勢(shì)；采空區(qū)處理時(shí)坡腳距采空區(qū)水平距離為影響上部采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。結(jié)果為地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采的邊坡加固提供了依據(jù)。

采空區(qū) 邊坡 有限元分析 塑性區(qū) 穩(wěn)定性

采空區(qū)處理是礦山地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采必須面對(duì)的重大安全問(wèn)題，采空區(qū)處理積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)[1-3]，包括開(kāi)采沉陷等若干技術(shù)問(wèn)題也有一定研究[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]關(guān)于覆巖離層相關(guān)的變形機(jī)理研究為處理采空區(qū)隔離礦柱提供一定的技術(shù)支持，同時(shí)很多學(xué)者對(duì)采空區(qū)一些相似模擬研究也取得了重要的結(jié)論[8-13]。通常采空區(qū)處理方法有封閉、崩落、加固和充填4種。有時(shí)采用2種方法聯(lián)合處理，如采用加固法與充填法聯(lián)合、崩落法與充填法聯(lián)合等；有時(shí)由同一種方法衍生出一系列子方法，如充填法可分干式充填法、尾砂充填法、膠結(jié)充填法等；崩落法可分自然崩落法和強(qiáng)制崩落法，強(qiáng)制崩落法按爆破方式不同又分為深孔爆破崩落法和硐室爆破崩落法等。這些采空區(qū)處理方法中不可避免地會(huì)遇到采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，邊坡處理的安全性直接影響到整個(gè)礦山的生產(chǎn)。目前針對(duì)地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采的邊坡穩(wěn)定性影響、邊坡安全控制關(guān)鍵因素的研究甚少。因此，基于采空區(qū)處理方案研究在采空區(qū)處理工藝過(guò)程中上部采場(chǎng)邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)變化等，分析露天采場(chǎng)在采空區(qū)處理時(shí)邊坡的關(guān)鍵參數(shù)，為保證露天邊坡的穩(wěn)定性提供參考。

1 工程概況

某礦金礦體露天采場(chǎng)最高臺(tái)階為1 036 m，境界內(nèi)最高標(biāo)高為1 024 m，相對(duì)最大高差為360 m，從坑底到坑頂，最大邊坡角為22°。采坑?xùn)|西寬1 800 m，南北長(zhǎng)1 300 m，邊長(zhǎng)約6 km，總面積為1.5 km2。坡面角多在60°～70°，臺(tái)階寬10～50 m?，F(xiàn)已開(kāi)采到616 m水平，年采剝總量達(dá)1 500萬(wàn)m3，年產(chǎn)黃金達(dá)15 t。

井下已開(kāi)采520，460 m中段的部分礦房，520 m中段已采礦房55個(gè)，采空區(qū)面積約54 232 m2，高約55 m，體積約2 67.8萬(wàn)m3；460m中段已采礦房36個(gè)，采空區(qū)面積約27 470 m2，高約57 m，體積約142.6萬(wàn)m3。

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及采空區(qū)的分布特征，采用露天采場(chǎng)低品位礦石充填460 m中段采空區(qū)，崩落隔離礦柱充填520 m采空區(qū)，在2個(gè)中段采空區(qū)充填滿，具備了安全作業(yè)條件下，采用露天開(kāi)采的方式回采井下的礦塊礦柱和框架礦柱。充填分3個(gè)步驟完成：①露天采場(chǎng)低品位礦石充填460 m中段采空區(qū)；②崩落510～530 m水平礦柱及三角礦柱充填采

空區(qū)；③崩落隔離礦柱充填520 m中段采空區(qū)。③步驟的實(shí)施中，露天采場(chǎng)底部空區(qū)(高50 m)和隔離礦柱(高40 m)在坡腳垂直暴露，若巖體垮塌勢(shì)必對(duì)上部露天采場(chǎng)的安全生產(chǎn)造成影響。

2 邊坡安全控制關(guān)鍵因素研究方案

隨著露采底部標(biāo)高的降低，460～580 m采空區(qū)給露天開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)采空區(qū)處理時(shí)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響也不容忽視。

2.1 工程地質(zhì)剖面

結(jié)合礦山采空區(qū)治理方法，針對(duì)采場(chǎng)邊坡安全控制關(guān)鍵因素研究，采用A-A～D-D剖面對(duì)采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采場(chǎng)平面見(jiàn)圖1，A-A工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖1 采場(chǎng)平面

圖2 A-A工程地質(zhì)剖面

2.2 動(dòng)載荷對(duì)采空區(qū)臨近邊坡的影響

一般當(dāng)?shù)卣鹆叶瘸^(guò)6度(包括6度)時(shí)，應(yīng)考慮地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，由于該礦所在的區(qū)域?qū)?度地震區(qū)，在對(duì)該采空區(qū)臨近邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析中，須考慮震動(dòng)效應(yīng)。通常采用擬靜力法，即只考慮慣性力F，則

F=kcmg,

(1)

式中,kc為綜合地震系數(shù)；m為可能破壞體的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

綜合地震系數(shù)kc計(jì)算公式為

kc=kHCzα,

(2)

式中,kH為水平向地震系數(shù)，與地震烈度有關(guān)；Cz為綜合影響系數(shù)，一般取0.25；α為考慮滑體重心高度的系數(shù)，一般取1.0。

在邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算中，若考慮爆破震動(dòng)效應(yīng)，通常將動(dòng)載荷折算成等效靜載荷參與計(jì)算。在采用條塊法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，考慮爆破震動(dòng)影響，每一條塊都要增加爆破震動(dòng)力Fi。

(3)

式中，mi為第i條塊的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；p為震動(dòng)系數(shù)，p=αs/g，as為水平向加速度；kd為動(dòng)載荷系數(shù)。

由于采場(chǎng)底部邊坡距露天爆破點(diǎn)較近,爆破震動(dòng)對(duì)其影響不容忽視。參考該地區(qū)以往研究資料，取震動(dòng)綜合影響系數(shù)kc=0.05以反映爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.3 研究方案及巖體強(qiáng)度取值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況針對(duì)A-A剖面和其余剖面制定如圖3的研究方案,巖體強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖3 研究方案

表1 巖體強(qiáng)度指標(biāo)取值

3 采空區(qū)處理對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，根據(jù)Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，即

(4)

式中，I1，J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量；a，k分別為與巖土材料內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c有關(guān)的常數(shù)，不同的a，k在π平面上代表不同的圓。

分析步驟如下：

第一步：對(duì)460 m中段空區(qū)進(jìn)行充填處理分析。

第二步：對(duì)空區(qū)頂部采場(chǎng)剝離并進(jìn)行放坡處理至頂柱狀態(tài)分析(坡腳分別距空區(qū)水平距離20,40,60,80 m方案)。

第三步：剝離第一層采空區(qū)處理并考慮爆破震動(dòng)狀態(tài)分析。

3.1 A-A剖面穩(wěn)定性分析

3.1.1 坡腳距空區(qū)(+616平臺(tái))水平距離20 m

460 m中段充填后的剪應(yīng)力和塑性區(qū)變化云圖見(jiàn)圖4、圖5?？梢钥闯觯涮詈髮?duì)上部采場(chǎng)邊坡應(yīng)力和塑性區(qū)基本上無(wú)影響，不會(huì)影響采場(chǎng)上部邊坡的安全。

圖4 剪應(yīng)力云圖

圖5 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

開(kāi)采至頂柱時(shí)的剪應(yīng)力和塑性區(qū)變化云圖見(jiàn)圖6、圖7?？梢钥闯觯S著空區(qū)上部頂板厚度的減小，應(yīng)力的重新分布，上部卸載空區(qū)礦柱的應(yīng)力值相對(duì)減少，由空區(qū)底部剪應(yīng)力值3.77 MPa減至3.1 MPa。由于空區(qū)上部存在頂板，空區(qū)未直接暴露于邊坡坡腳，此時(shí)對(duì)采場(chǎng)邊坡安全無(wú)重要影響。

圖6 剪應(yīng)力云圖

圖7 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

第一層采空區(qū)(520～570 m)考慮爆破震動(dòng)的剪應(yīng)力和塑性區(qū)變化云圖見(jiàn)圖8、圖9?？梢钥闯觯?20～610 m(90 m高度)為垂直，空區(qū)上部頂板完全剝離，應(yīng)力全部釋放，坡腳底部剪力值最大，采場(chǎng)東幫由于現(xiàn)狀邊坡位于空區(qū)上部，在崩落520 m礦柱時(shí)邊坡塑性區(qū)較大，塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)到達(dá)采場(chǎng)邊坡體內(nèi)部，下部滑坡會(huì)影響整個(gè)采場(chǎng)上部邊坡的穩(wěn)定性。

圖8 剪應(yīng)力云圖

圖9 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

同樣A-A剖面距采空區(qū)40，60 m放坡時(shí)，邊坡塑性區(qū)較大，下部滑坡會(huì)影響整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。

3.1.2 坡腳距空區(qū)(+616平臺(tái))水平距離80 m

由于采場(chǎng)上部邊坡未進(jìn)行剝離，先對(duì)460 m中段空區(qū)充填，邊坡基本沒(méi)有變化，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 剪應(yīng)力云圖

圖11 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

開(kāi)采至頂柱時(shí)的剪應(yīng)力和塑性區(qū)變化云圖見(jiàn)圖12、圖13?？梢钥闯?，由于空區(qū)上部頂板的存在對(duì)采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性無(wú)重要影響。與圖6、圖7相比，坡腳距空區(qū)水平距離加大，礦柱的應(yīng)力值由0.7 MPa減至0.5 MPa。坡腳距空區(qū)水平距離加大，很大程度改變了邊坡應(yīng)力傳遞的路徑。

第一層采空區(qū)(520～570 m)考慮爆破震動(dòng)的剪應(yīng)力和塑性區(qū)變化云圖見(jiàn)圖14、圖15?？梢钥闯?，520～610 m(90 m高度)為垂直，底部剪力值最大。隨著采空區(qū)上部邊坡坡腳距空區(qū)水平距離加大，底部最大剪力值相對(duì)減小，由3.49 MPa減至2.87 MPa。在采場(chǎng)東幫，由于現(xiàn)狀邊坡位于采空區(qū)上部，由上圖可以看出在崩落570 m礦柱時(shí)邊坡塑性區(qū)也較大，但塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)在520～610 m，對(duì)上部邊坡影響較小，1～2個(gè)臺(tái)階有可能產(chǎn)生局部垮塌。圖9中塑性區(qū)趨勢(shì)向邊坡體內(nèi)部延伸，而圖15塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)僅在邊坡體表面位置，說(shuō)明坡腳距空區(qū)水平距離大于80 m時(shí)空區(qū)處理對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小。但隨著采空區(qū)下一步處理工藝的實(shí)施，應(yīng)進(jìn)一步剝離上部邊坡。

圖12 剪應(yīng)力云圖

圖13 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

圖14 剪應(yīng)力云圖

圖15 等效塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D

3.2 其余剖面臨近邊坡穩(wěn)定性分析

B-B、C-C、D-D剖面穩(wěn)定性分析同3.1章節(jié)A-A剖面研究思路一致，僅C-C剖面西部(采場(chǎng)西幫)處采場(chǎng)邊坡位于采空區(qū)上部，需要進(jìn)行提前削坡處理。B-B、D-D剖面位置兩側(cè)地勢(shì)平緩，上部邊坡盡量遠(yuǎn)離采空區(qū)即可。

3.3 剪應(yīng)力變化分析

各剖面在不同坡腳距空區(qū)水平距離情況下空區(qū)底部剪應(yīng)力變化見(jiàn)圖16。

圖16 空區(qū)底部剪應(yīng)力變化

從圖16可以看出,各剖面剪應(yīng)力隨著坡腳距空區(qū)水平距離加大,空區(qū)底部剪應(yīng)力呈線性減小趨勢(shì),4個(gè)剖面的剪應(yīng)力變化率略有不同，可能和各剖面高度和巖體性質(zhì)不同有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)采場(chǎng)坡腳距空區(qū)不同水平距離，分別分析了采場(chǎng)各部位邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，得出了坡腳距空區(qū)的距離是影響上部邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

(2)從整個(gè)采場(chǎng)的4個(gè)工程地質(zhì)剖面有限元分析結(jié)果可以看出：520 m空區(qū)處理時(shí)，空區(qū)底部剪力值最大，隨著采空區(qū)上部放坡距離加大，底部最大剪力值相對(duì)減小，剪應(yīng)力值和空區(qū)距坡腳的水平距離呈線性減小關(guān)系。

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互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)起云涌 鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)型帶來(lái)新機(jī)遇

2015年兩會(huì)期間，李克強(qiáng)總理政府工作報(bào)告對(duì)于“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出，彰顯互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略已上升至國(guó)家層面，模式也從全面應(yīng)用到第三產(chǎn)業(yè)，正向第一和第二產(chǎn)業(yè)滲透。

對(duì)于產(chǎn)能過(guò)剩、惡性競(jìng)爭(zhēng)、中間貿(mào)易商過(guò)多、利潤(rùn)率低等諸多問(wèn)題的傳統(tǒng)鋼鐵業(yè)，更是寄望于借助信息技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“生態(tài)融合”，打造“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)=互聯(lián)網(wǎng)鋼鐵業(yè)”，并希望這一跨界新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生，為鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)型帶來(lái)新的機(jī)遇。

有分析指出，加快鋼鐵工業(yè)化與互聯(lián)網(wǎng)化的深度融合必然給傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的變革。鋼鐵電商促使的商業(yè)模式創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型，也會(huì)帶來(lái)鋼鐵產(chǎn)業(yè)采購(gòu)模式、營(yíng)銷模式、管理模式、盈利模式的深刻變化，提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)作效率。鋼鐵業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)“混血”，誕生出來(lái)的鋼鐵電商，正在不斷改變鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局。

太鋼不銹公司近日通過(guò)其互動(dòng)平臺(tái)透露，目前已建立了自己的電子商務(wù)平臺(tái)，能夠?yàn)榭蛻籼峁╀摬募庸の锪髋渌腿轿灰徽臼椒?wù)，公司重點(diǎn)產(chǎn)品批量進(jìn)入石油、化工、造船、集裝箱、鐵路、汽車、城市輕軌、大型電站、“神舟”系列飛船等重點(diǎn)領(lǐng)域和新興行業(yè)。南鋼股份是復(fù)星系下唯一的工業(yè)制造平臺(tái)，是全國(guó)精品板材生產(chǎn)基地，目前正開(kāi)啟新常態(tài)下“鋼鐵+環(huán)保+互聯(lián)網(wǎng)電商平臺(tái)”轉(zhuǎn)型之路。日前公司公告擬投資5億元設(shè)立節(jié)能環(huán)保投資控股公司，實(shí)現(xiàn)公司“鋼鐵+節(jié)能環(huán)保”轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展。另外，復(fù)星國(guó)際年報(bào)中提到，在傳統(tǒng)行業(yè)嫁接移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的布局中，復(fù)星將打造“南鋼+金融+互聯(lián)網(wǎng)鋼材交易平臺(tái)+物流”、推動(dòng)“南鋼+環(huán)保投資+保險(xiǎn)+租賃”的環(huán)保轉(zhuǎn)型。

Research on the Influence of Golf Treatment to Slope Stability of the Upper Stope

Zhao Mengsheng1,2,3Diao Hu1,2,3Dai Yongxin1,2,3Li Ruzhong1,2,3Xiong Qihuan1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Ming Research Co., Ltd.;2.State Laboratory of Safety and Health for Metal Mines; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Recycle Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

At present, the research results of slope stability is fruitful, but the research results about the slope stability and the key factors of slope safety control of the mine which is changing from underground mining to open-pit mining are relatively few. According to the goaf treatment processes that the stope bottom goof is filled by waste rocks and the upper goaf is processed with caving isolated pillars, the influences of isolation pillars caving to slope foot stress release and the horizontal distance of the stope slope foot to goaf are analyzed. According to the development tendency of slope stress, strain and the plastic zone development, it show that, with the increase of the horizontal distance of the stope slope foot to goaf, the shear stress of the goaf bottom has the linear decrease trend;the horizontal distance of the stope slope foot to goaf is the key factor that influence the upper stope slope stability. The above results in this paper can provide some reference for slope strengthening during the process of changing from underground mining to open-pit mining.

Goaf, Slope, Finite element analysis, Plastic zone, Stability

2014-12-03)

趙蒙生(1982—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。