羅 浪，李小雙

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000；)

自20世紀(jì)50年代開始，經(jīng)過數(shù)十年持續(xù)高強度的開采，絕大多數(shù)露天礦山已經(jīng)進(jìn)入深凹露天開采階段，大部分礦山正在或者已經(jīng)轉(zhuǎn)入深凹地下開采。

在礦山由露天轉(zhuǎn)入地下開采過程中，所形成的露天邊坡越來越高，邊坡控制和管理的難度愈加困難，對生產(chǎn)的威脅日益加劇。因此，隨著露天坑的延伸擴(kuò)大，形成深凹底坑和陡峭的露天終了邊坡，使得礦山開采不僅技術(shù)難度加大，而且無經(jīng)濟(jì)效益可言。

本文針對某緩傾斜含軟夾層中厚礦床露天轉(zhuǎn)地下開采進(jìn)行理論研究，通過現(xiàn)場勘查取樣，室內(nèi)巖石力學(xué)試驗以及FLAC3D數(shù)值模擬，對緩傾斜中厚礦體在一定坡高和坡角條件下對采場上覆巖層進(jìn)行研究分析[2]，以確定露天終了邊坡的臨界安全高度，對礦山的安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

該礦區(qū)礦體的埋藏深度100m～240m，礦層整體呈層狀向東傾斜的單向產(chǎn)出，礦體厚度12m～14m，平均傾角16°，東礦層在測區(qū)范圍經(jīng)開采揭露礦體形態(tài)呈寬窄不勻的條帶狀，南北方向延伸，屬于典型的近淺埋緩傾斜含軟夾層中厚礦床。

邊坡傾向與礦體和巖質(zhì)傾向反向，坡體內(nèi)無大的構(gòu)造結(jié)構(gòu)和軟弱面，組成邊坡的巖層均屬于中硬—堅硬巖體，屬于典型的中矮穩(wěn)定性反傾向巖質(zhì)邊坡。

2 模型與開采方案建立

2.1 參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查報告及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，得到礦體及地下采場圍巖及上覆巖體的主要巖石力學(xué)性質(zhì)與變形特征參數(shù)，然后根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則對計算出的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減，得到最終所使用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 三維建模

運用AutoCAD制圖軟件畫好平面模型，然后導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計算。得到最終模型尺寸為360m×60m×160m，模型共劃分132165個節(jié)點、123145個六面體單元[3]。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖1 采場俯視圖

2.3 邊界條件

合理的邊界條件設(shè)置可以提高模擬的計算精度，為了盡可能模擬工程實際情況，約束模型前后左右四面的水平向位移，底部約束三向位移，頂部保持自由，在計算的時候不考慮其它構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮自重應(yīng)力，因此在模型垂直方向施加反向應(yīng)力加速度進(jìn)行自重應(yīng)力的模擬[4]。

2.4 本構(gòu)關(guān)系

本次計算采用彈塑性本構(gòu)模型，巖體的破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

2.5 開采方案

開采方式采取房柱法開采，根據(jù)礦山工程經(jīng)驗，沿礦體傾向劃分境界礦柱厚度為28m，每步開挖的礦房長度10m，礦柱寬6m，為連續(xù)型礦柱。整個礦體開挖長度為150m，礦房分10步沿礦層傾向依次開挖。采場俯視圖如圖1所示，同時在邊坡坡腳處和每個礦房正中部位設(shè)置監(jiān)測點進(jìn)行應(yīng)力和位移的分析[5]。

3 FLAC3D數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

在進(jìn)行地下開采之前山體僅受到自重應(yīng)力作用，應(yīng)力隨著山體的深度不斷增加，開挖時的應(yīng)力分布圖如圖2：

圖2 開采完畢后應(yīng)力分布云圖

通過云圖可以看出，基坑開挖后，由模型變形云圖可知基坑向著坑內(nèi)水平變形、基坑周邊地基發(fā)生沉降、坑底隆起，周邊的管線也發(fā)生豎向和水平向變形，符合現(xiàn)場實際情況。隨著地下開挖的進(jìn)行，開挖過后的礦房形成采空場，其上方頂板形成應(yīng)力卸壓區(qū)，頂?shù)装逦恢脩?yīng)力值降低。同時，采場內(nèi)部應(yīng)力向前方巖體轉(zhuǎn)移，在前方形成應(yīng)力增壓區(qū)。5步開挖后采場頂板垂直最大應(yīng)力值為46Kpa；10步開挖完畢后垂直應(yīng)力增大到64.10Kpa。隨著開挖的逐步推進(jìn)，最大垂直應(yīng)力值也逐步增大，最大應(yīng)力點位置也隨著開挖的推進(jìn)而動態(tài)前移。

3.2 塑性區(qū)分析

圖3 開采完畢后塑性區(qū)分布云圖

由圖3可知，礦房開挖過后形成采空場，圍巖應(yīng)力得到釋放，頂板受到拉應(yīng)力作用，表現(xiàn)為拉伸破壞，隨著開挖的逐步進(jìn)行，塑性區(qū)面積也在逐步擴(kuò)大。

當(dāng)?shù)V房全部開挖完畢后，塑性區(qū)已波及坡面，這將不利于采場穩(wěn)定，如果外部存在較大擾動，則會有失穩(wěn)風(fēng)險。同時開采完畢后，礦柱由于受到較大的剪切應(yīng)力，已處于臨界破壞狀態(tài)，此時外界的擾動對整個巖體的穩(wěn)定性影響比較明顯。

3.3 位移分析

由云圖可知，隨著開挖的推進(jìn)，變形值越來越大；就水平變形而言，當(dāng)?shù)V柱之間的坑層開挖掉之后，礦柱兩側(cè)分別向著開挖后形成的臨空面發(fā)生側(cè)向水平變形；就豎向變形而言，當(dāng)?shù)V柱之間的坑層開挖掉之后，頂板發(fā)生向下的沉降、底板發(fā)生向上的隆起。

位移分布基本跟巖層的分布一致，并出現(xiàn)一定程度下沉，基本符合客觀規(guī)律，隨著開挖的逐步進(jìn)行，巖體內(nèi)的應(yīng)力也在不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在前10步開挖中，頂板的最大沉降位置隨著開采的向前推進(jìn)而動態(tài)前移，開采完畢后位移沉降最大值發(fā)生在6步礦房中部位置，并且上覆巖層出現(xiàn)采動裂隙[6]。

圖4 開采完畢后位移沉降云圖

礦房全部開挖完畢后最大位移沉降值為294mm，出現(xiàn)在6步礦房中部，此時采場覆巖達(dá)到比較充分的采動階段，部分采場可能出現(xiàn)頂板冒落、片幫等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

在露天終了邊坡高度為90m，傾角為40°時，地下開采完后采場覆巖受到開挖的擾動，穩(wěn)定性較差，塑性區(qū)面積已經(jīng)發(fā)育至坡面，整個采場礦柱已處于臨界破壞狀態(tài)，隨時都會受到外界擾動而破裂，從而導(dǎo)致整個采場的垮塌，因此建議礦山露天終了邊坡高度不超過90m，以確保礦山的安全生產(chǎn)。