劉殿軍 韓連生 盧曉輝

(鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺礦業(yè)公司，遼寧 鞍山 114000)

·采礦工程·

弓長(zhǎng)嶺露天礦含空區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究

劉殿軍 韓連生 盧曉輝

(鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺礦業(yè)公司，遼寧 鞍山 114000)

針對(duì)弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦含空區(qū)邊坡穩(wěn)定性問題，考慮不同大小、位置空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，利用FLAC和Geo-slope軟件，分別模擬3種情況(包括36種情形)下邊坡的穩(wěn)定性：①不含空區(qū)；②空區(qū)分別位于邊坡上部、中部、下部和坡角底部,這些空區(qū)距坡面的距離固定，改變空區(qū)的寬度；③空區(qū)大小確定，改變空區(qū)距坡面的距離。通過對(duì)比不同寬度、位置空區(qū)的邊坡塑性區(qū)、位移云圖和安全系數(shù)來分析空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：上部空區(qū)的存在有利于邊坡整體穩(wěn)定，但是影響邊坡的局部穩(wěn)定；中部空區(qū)的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響比較復(fù)雜，既有對(duì)邊坡穩(wěn)定有利的情況，也有對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的情況；下部空區(qū)的存在嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性。該規(guī)律對(duì)露天開采轉(zhuǎn)地下開采很有借鑒意義。

露天礦 邊坡穩(wěn)定 空區(qū) 數(shù)值模擬 安全系數(shù)

在許多露天礦中，都存在很多非法盜采的采空區(qū)，由于受采空區(qū)的影響，很多礦區(qū)都曾發(fā)生過邊坡滑動(dòng)及平臺(tái)工作面的塌陷，空區(qū)的存在嚴(yán)重地影響了邊坡的穩(wěn)定和生產(chǎn)安全[1-4]。多年以來，眾多學(xué)者對(duì)空區(qū)的安全穩(wěn)定和對(duì)邊坡的影響進(jìn)行了研究并取得了豐碩的成果。

龔聲武等[2]針對(duì)夾溝鋁礦地下采空區(qū)，用FLAC研究了含采空區(qū)的露天礦邊坡在開挖過程中的應(yīng)力、位移和安全系數(shù)的變化情況。蔣衛(wèi)東等[3]采用灰色定權(quán)聚類方法，以裂縫密度、集中度，采空區(qū)數(shù)量及頂板厚度為聚類指標(biāo)對(duì)某銅礦地表穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。韋志興等[4]探索確定井上和井下開采的爆破參數(shù)，使露采和地采能夠同時(shí)安全進(jìn)行。李俊平等[5]采用相似模擬的方法，運(yùn)用平面應(yīng)力模型對(duì)采空區(qū)處理而引起地表巖移變化規(guī)律進(jìn)行了研究。柴紅保等[6]利用強(qiáng)度折減法分析空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，認(rèn)為空區(qū)的大小、形態(tài)、位置對(duì)邊坡的穩(wěn)定都有影響，該規(guī)律對(duì)地下開采與露天開采轉(zhuǎn)換過程中的邊坡工程施工具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。王官寶等[7]根據(jù)格爾坷金礦采空區(qū)的實(shí)際情況，在已有采空區(qū)資料的基礎(chǔ)上采用鉆孔探查法查清了采空區(qū)的位置、分布形態(tài)、大小，以及冒落情況，并且提出了處理采空區(qū)的基本方法和安全技術(shù)管理措施，為合理治理采空區(qū)和礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)決策依據(jù)。朱建新等[8]采用三維激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)某礦采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，獲得了空區(qū)的三維形態(tài)，并用Surpac建立了立體模型；然后運(yùn)用FLAC對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)的光彈應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，兩者結(jié)合起來對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析。萬虹[9]提出把原來沿走向均勻布置的礦柱改為不均勻布置,從而提高地下永久性大面積采空區(qū)的穩(wěn)定性。他還提出一套穩(wěn)定性指標(biāo)，并結(jié)合具體礦山的空區(qū)穩(wěn)定性研究進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新方法的可靠性。

本研究以鞍鋼弓長(zhǎng)嶺露天礦開采為工程背景，采用FLAC2D和Geo-slope軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比不同寬度、不同位置空區(qū)的邊坡塑性區(qū)圖、位移云圖和安全系數(shù)來分析空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 工程概況

弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦位于遼陽市弓長(zhǎng)嶺區(qū)，礦區(qū)面積4.36 km2，距遼陽市中心30 km。目前生產(chǎn)規(guī)模在720萬t/a左右，坑底標(biāo)高為144 m，還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。由于歷史原因，該礦在日偽統(tǒng)治時(shí)期遭受大規(guī)模采富棄貧不合理的開采，留下了大量的空區(qū)。經(jīng)過探測(cè)，發(fā)現(xiàn)目前坑底下部存在大量空區(qū)，已形成邊坡的內(nèi)部存在少量空區(qū)，空區(qū)高度最小的有1 m，最大的達(dá)到15 m，寬度達(dá)到25 m左右，并且目前這些空區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。這些空區(qū)具有空間大，分層多，分布凌亂等特點(diǎn)。

空區(qū)的存在嚴(yán)重地影響礦山邊坡的穩(wěn)定，對(duì)礦山人員和大型設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，故為了保障礦山安全順利的生產(chǎn)，亟需對(duì)含空區(qū)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并深入研究空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2 計(jì)算模型及研究思路

2.1 建立模型

經(jīng)過對(duì)礦區(qū)資料的收集、整理、分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘，選擇了一個(gè)典型剖面進(jìn)行分析。該剖面上部標(biāo)高265 m，底部標(biāo)高145 m，整體坡高120 m，整體坡角為23.5°，單臺(tái)階坡角最大為71.6°，計(jì)算模型如圖1。

圖1 邊坡計(jì)算模型Fig.1 Calculating model of slope

在數(shù)值分析中，主要做以下幾種假定：①不考慮巖石裂隙的影響，只考慮空區(qū)的影響；②巖體為各向同性、均質(zhì)、連續(xù)體，符合摩爾-庫倫彈塑性模型；③計(jì)算不考慮時(shí)間物理量[10]。

計(jì)算模型邊界條件：邊坡底部所有自由度均被約束，邊坡兩側(cè)垂直邊界的水平向被約束。坡體材料主要為混合巖，密度為2 600 kg/m3，黏聚力為0.275 MPa，內(nèi)摩擦角為27°，抗拉強(qiáng)度為0.2 MPa,彈性模量為4 300 MPa,泊松比為0.25。

2.2 研究思路

(1)利用Geo-Slpoe計(jì)算無空區(qū)邊坡的安全系數(shù)，用Flac模擬邊坡的位移云圖、塑性區(qū)分布圖及最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

(2)空區(qū)位置固定，改變空區(qū)的寬度。用Geo-Slope和Flac軟件模擬空區(qū)分別位于邊坡上部、中部、下部及坡角底部4種情況，空區(qū)在邊坡的位置如圖2所示。每種情況的空區(qū)高度均為6 m，空區(qū)右邊界距離坡面均為40 m，空區(qū)寬度分別是6、10、14、18、22 m等5種情形。通過對(duì)比含空區(qū)邊坡與不含空區(qū)邊坡、不同寬度空區(qū)邊坡的模擬結(jié)果來分析空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律。

圖2 含不同寬度、不同位置空區(qū)邊坡模型Fig.2 Slope model of goafs withdifferent width and position

3 空區(qū)寬度和位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 無空區(qū)邊坡穩(wěn)定性

經(jīng)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)為2.548，邊坡內(nèi)豎向最大位移為0.1 m、橫向最大位移為0.15 m、邊坡塑性區(qū)分布和最大剪應(yīng)變?cè)隽恳妶D3。由模擬結(jié)果可知：邊坡整體穩(wěn)定，但存在局部臺(tái)階滑坡的危險(xiǎn)。

Research on quantitative evaluation method of steel structure quality based on fuzzy matrix

3.2 各不同寬度、不同位置空區(qū)邊坡穩(wěn)定性

用Geo-Slope中摩根斯坦-普賴斯極限平衡法(M-P法)計(jì)算邊坡在各不同寬度和不同位置空區(qū)情況下的安全系數(shù)，其安全系數(shù)和相對(duì)無空區(qū)邊坡安全系數(shù)變化率分別見表1、表2、表3。

由表1可知：相對(duì)于無空區(qū)邊坡，空區(qū)位于邊坡上部時(shí)安全系數(shù)均有所提高，并且空區(qū)寬度越大，安全系數(shù)也越大。當(dāng)空區(qū)寬度為22 m時(shí)，安全系數(shù)最大為1.578，增大率為1.938%。上部空區(qū)的存在，減少了下滑坡體的重力，即坡體的下滑力下降，故安全系數(shù)有所提高。

圖3 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 FLAC numerical simulation results表1 上部空區(qū)寬度和邊坡安全系數(shù)Table 1 The width of goaf and safety factor of slope at top

空區(qū)寬度/m安全系數(shù)安全系數(shù)變化率/%6156410331015681292141569135718157316152215781938

表2 中部空區(qū)寬度和邊坡安全系數(shù)Table 2 The width of goaf and safetyfactor of slope at middle

由表2可知：空區(qū)位于邊坡中部時(shí)，情況比較復(fù)雜?？諈^(qū)跨度為6 m和10 m的邊坡安全系數(shù)相同且均使安全系數(shù)增加，而空區(qū)跨度為14、18和22 m時(shí)，引起邊坡安全系數(shù)減小，且空區(qū)寬度越大，安全系數(shù)減少的程度也越大。由此可知：空區(qū)位于中部，既可以增加邊坡的穩(wěn)定也可以降低邊坡的穩(wěn)定。當(dāng)空區(qū)的中心位于潛在滑移面之內(nèi)，則空區(qū)的存在相當(dāng)于減輕滑體的重力，降低滑體的下滑力，提高了邊坡的穩(wěn)定性；相反，當(dāng)空區(qū)的中心位于滑移面之外，相當(dāng)于減小了滑體的抗滑力，使安全系數(shù)降低。

表3 下部空區(qū)寬度和邊坡安全系數(shù)Table 3 The width of goaf and safety factorof slope at lower part

由表3可知，相對(duì)于無空區(qū)邊坡，下部空區(qū)的存在降低了邊坡的穩(wěn)定性，并且安全系數(shù)隨著空區(qū)寬度的增加而逐漸減小，安全系數(shù)降低率最大為1.486%。空區(qū)位于邊坡下部，降低了邊坡滑動(dòng)面的抗滑力，故空區(qū)越大，滑移面抗滑力下降越大，安全系數(shù)降低越多，越不利于邊坡的穩(wěn)定。

當(dāng)空區(qū)位于邊坡角底部時(shí)，安全系數(shù)無變化。由于邊坡的整體坡度較緩，使得滑移面沒有通過坡角，更沒有經(jīng)過坡角底部，空區(qū)位于滑移面之外很遠(yuǎn)距離，見圖4，故未對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。

圖4 坡角底部空區(qū)和滑移面Fig.4 The goaf at the bottom of slope and slip plane

3.3 相同空區(qū)在不同位置的邊坡穩(wěn)定性

空區(qū)在同一水平位置，但是距離坡面的距離不同，對(duì)邊坡穩(wěn)定有不同的影響，空區(qū)在不同位置所對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)見圖5。由圖5可知：空區(qū)位于邊坡上部時(shí)，安全系數(shù)經(jīng)歷了先增大后減小的過程，安全系數(shù)最大為1.59，最小為1.548，與無空區(qū)邊坡安全系數(shù)相等；空區(qū)位于邊坡中部時(shí)，安全系數(shù)經(jīng)歷了先減小后增大的過程，安全系數(shù)最大為1.561，最小為1.520；空區(qū)位于邊坡下部時(shí)，安全系數(shù)逐漸增大，但未超過1.548?？傊諈^(qū)位于邊坡頂部時(shí)，在距坡面一定范圍內(nèi)，空區(qū)距坡面越遠(yuǎn)，越有利邊坡的穩(wěn)定；超過一定范圍，空區(qū)的存在對(duì)邊坡整體穩(wěn)定無影響。空區(qū)位于中部時(shí)，在距坡面某個(gè)范圍內(nèi)，空區(qū)的存在有利于邊坡的穩(wěn)定；在距坡面某個(gè)范圍內(nèi)，空區(qū)不利于邊坡的穩(wěn)定；但是，超過一定范圍，空區(qū)的存在對(duì)邊坡整體穩(wěn)定無影響。空區(qū)位于邊坡下部時(shí)，在距坡面一定范圍內(nèi)，空區(qū)的存在不利于邊坡的穩(wěn)定，但是，超過一定范圍，空區(qū)的存在對(duì)邊坡整體穩(wěn)定無影響。

圖5 空區(qū)在不同位置下的邊坡安全系數(shù)Fig.5 Slope safety factor of goafs at different position■—上部空區(qū)；▲—中部空區(qū)；◆—下部空區(qū)

圖6 上部空區(qū)距坡面不同距離的豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement contour of goaf at topwith different distance from slope surface

圖7 中部空區(qū)距坡面不同距離的塑性區(qū)分布Fig.7 Plastic zone of goaf at middle with differentdistance from slope surface

空區(qū)在中部時(shí)，邊坡塑性區(qū)分布如圖7。由圖7可知：隨著空區(qū)距邊坡距離的增加，塑性區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大。由于空區(qū)的存在，導(dǎo)致了空區(qū)附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，故塑性區(qū)隨著空區(qū)向左移動(dòng)而范圍不斷擴(kuò)大，而遠(yuǎn)離空區(qū)的邊坡下部和底部則沒有出現(xiàn)塑性區(qū)?？諈^(qū)在邊坡下部時(shí)，邊坡塑性區(qū)分布見圖8。由圖8可知：塑性區(qū)由頂部一直貫通到空區(qū)所在的水平位置，且塑性區(qū)的范圍同樣也是隨著空區(qū)向左移動(dòng)而逐漸擴(kuò)大。

圖8 下部空區(qū)距坡面不同距離的塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone of goaf at lower part with differentdistance from slope surface

4 空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的綜合分析

(1)空區(qū)在邊坡上部時(shí)，當(dāng)空區(qū)位于滑移面之內(nèi)，則空區(qū)的存在有利于邊坡的穩(wěn)定，這是由于空區(qū)的存在相當(dāng)于對(duì)滑體進(jìn)行卸載，減小了滑體的下滑力，故安全系數(shù)有所提高；當(dāng)空區(qū)位于滑移面之外，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響，但是會(huì)影響邊坡局部穩(wěn)定。與無空區(qū)邊坡相比，塑性區(qū)分布范圍在邊坡中部和下部有所減小，但是塑性區(qū)范圍在邊坡上部卻隨著空區(qū)寬度和坡面距離的增大而不斷擴(kuò)大，對(duì)邊坡上部穩(wěn)定有不利影響。

(2)空區(qū)位于中部時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響比較復(fù)雜。當(dāng)空區(qū)中心在潛在滑移面之內(nèi)，則空區(qū)的存在相當(dāng)于減少了滑體的質(zhì)量，減小了滑體的下滑力，故安全系數(shù)有所增加，而且，空區(qū)跨度越大，邊坡的整體穩(wěn)定性越好；當(dāng)空區(qū)中心位于滑移面之外，則空區(qū)的存在相當(dāng)于降低了邊坡的抗滑強(qiáng)度，故安全系數(shù)有所減?。划?dāng)空區(qū)完全在滑移面之外，則對(duì)安全系數(shù)不產(chǎn)生影響。由于應(yīng)力集中，塑性區(qū)分布會(huì)隨著空區(qū)的大小和位置的變化而改變，空區(qū)寬度越大，距坡面越遠(yuǎn)，塑性區(qū)分布范圍越大，從而導(dǎo)致滑動(dòng)帶變寬。雖然邊坡下部沒有出現(xiàn)塑性區(qū)，但是對(duì)邊坡上部和中部的穩(wěn)定性有不利影響。

(3)空區(qū)位于邊坡下部時(shí)，當(dāng)空區(qū)與坡面的距離在某個(gè)范圍之內(nèi)，空區(qū)的存在降低了滑動(dòng)面的抗滑能力，且空區(qū)寬度越大，安全系數(shù)降低越多，越不利邊坡的穩(wěn)定；當(dāng)空區(qū)與坡面距離超過某個(gè)范圍，安全系數(shù)不發(fā)生變化。與不含空區(qū)邊坡相比，塑性區(qū)從頂部到空區(qū)位置形成了一個(gè)貫通區(qū)，并且塑性區(qū)的范圍隨著空區(qū)寬度的增大而不斷擴(kuò)大，隨著空區(qū)位置的變化而變化，影響邊坡的整體穩(wěn)定性。

(4)空區(qū)位于邊坡腳底部時(shí)，由于這個(gè)邊坡的整體較緩(坡角為23.5°)，空區(qū)距離潛在滑移面很遠(yuǎn)，故未對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。

(5)受應(yīng)力集中的影響，空區(qū)附近的位移較其他部位的位移增大很多?？諈^(qū)附近的位移及坡面附近的位移對(duì)空區(qū)的大小和位置變化不太敏感，與無空位邊坡相比，雖然坡面處的位移有所增大，但是沒有隨空區(qū)的大小和位置的變化而變化很大。

5 結(jié) 論

(1)空區(qū)位于邊坡頂部時(shí)，空區(qū)距坡面一定范圍之內(nèi)，空區(qū)的存在有利于邊坡的整體穩(wěn)定，并且空區(qū)跨度越大，安全系數(shù)也越大；空區(qū)距坡面超出某個(gè)范圍，空區(qū)的存在對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定沒影響。但是，由于上部塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大，空區(qū)的存在不利于邊坡上部的穩(wěn)定。

(2)空區(qū)位于邊坡中部時(shí)，當(dāng)空區(qū)中心在滑移面之內(nèi)，空區(qū)寬度越大，邊坡整體穩(wěn)定性越好；當(dāng)空區(qū)中心位于滑移面之外，降低了滑動(dòng)面的抗滑強(qiáng)度，不利于邊坡的穩(wěn)定；當(dāng)空區(qū)完全在滑移面之外，對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定不產(chǎn)生影響。由于空區(qū)的存在，導(dǎo)致塑性區(qū)中、上部的范圍擴(kuò)大，對(duì)邊坡上部和中部的穩(wěn)定性有不利影響。

(3)空區(qū)位于邊坡下部時(shí)，塑性區(qū)從頂部一直貫通到下部，且塑性區(qū)范圍隨著空區(qū)寬度和距坡面距離的增加而不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重影響邊坡整體穩(wěn)定性。

(4)空區(qū)位于邊坡腳下部時(shí)，由于邊坡整體坡度較緩，空區(qū)距離潛在滑移面很遠(yuǎn)，故未對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響?，F(xiàn)狀水平下面存在的空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定影響很小，可以不對(duì)其進(jìn)行專項(xiàng)防護(hù)、治理。

(5)由于應(yīng)力集中作用，空區(qū)附近產(chǎn)生較大的位移，但是空區(qū)的存在并未對(duì)坡面的位移造成很大的影響，而且空區(qū)附近位移和坡面位移隨著空區(qū)大小和位置的變化而變化不大，邊坡位移對(duì)空區(qū)變化不是很敏感。由于應(yīng)力集中作用，塑性區(qū)的范圍隨著空區(qū)寬度的增大而不斷擴(kuò)大，隨著空區(qū)位置的變化而變化。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on Stability of the Slope With Goafs in Gongchangling Open-pit Mine

Liu Dianjun Han Liansheng Lu Xiaohui

(GongchanglingIronMineofAnsteelGroupCorporation，Anshan114000,China)

For the stability of the slope with goafs in Gongchangling open-pit iron mine，the influence of goafs with different size and position was considered. Numerical simulation was carried out by FLAC and Geo-slope software. Three conditions (including 36 cases) of the slope stability were simulated: ①without goaf；②goaf lies in the top, middle, lower part and bottom of the slope and the distance of all goafs from slope surface is fixed, and the width of the goaf is changed；③The size of goafs is fixed, and the distance from slope is changed. Through contrasting with plastic zone，displacement and safety factor of slope with different goafs, the influence law of the goaf on the slope stability was obtained. The results showed that the goaf in the upper slope is beneficial to the overall slope stability，but has influence on the local stability of the slope. The goaf in the middle slope has more complex influence on slope stability，both favorable or unfavorable for slope stability situation. The goaf in the lower part of the slope has serious influence on slope stability. This law has reference meaning in transferring from open-pit mining to underground mining.

Open-pit mine, Slope stability, Goaf, Numerical simulation, Safety factor

2015-09-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng) 目(編號(hào)：51174208,51034005)。

劉殿軍(1972—)，男，礦長(zhǎng)，高級(jí)工程師。

TD804

A

1001-1250(2015)-11-001-06