孫世國， 邵樹森， 江 俊， 權(quán)建源

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京100144）

露天和井工聯(lián)采工藝于1970 年左右起源于前蘇聯(lián)。 中國也較早地采用了露井聯(lián)采方法，迄今為止，國內(nèi)有許多礦區(qū)采用這種方法開采，還有許多礦區(qū)計劃使用這種開采方法［1］。

淺層和深部的礦體在同一時間分別進(jìn)行露天和井工開采，露天邊坡角和坡體移動變形隨著開采的推進(jìn)而持續(xù)增大，危及礦山的安全，并對周邊環(huán)境產(chǎn)生破壞作用［2-3］。 針對露天和井工兩種采區(qū)空間相對位置關(guān)系，井工采動將直接影響露天邊坡巖體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡變形增大、穩(wěn)定性降低、開采難度相應(yīng)增加［4］。 所以為了保障礦區(qū)的作業(yè)安全，提高采礦效益并合理降低成本，有必要研究露天和井工聯(lián)合開采過程中邊坡的變形機(jī)理［5-6］與邊坡失穩(wěn)機(jī)制。

1 工程概況

福建省紫金山金銅礦區(qū)坐落于福建省上杭縣才溪鎮(zhèn)舊縣鄉(xiāng)，上部是特大儲量低品位金礦，下部為大型儲量銅礦［7-8］。 礦山最高標(biāo)高＋1 138 m，開采坑底最低標(biāo)高目前為＋700 m，坡高438 m，采場邊坡地形單臺階高度并段前后為12 m 和24 m，臺階坡面角大約為65°。 依據(jù)礦山的規(guī)劃設(shè)計，露天開采礦體從標(biāo)高＋340～＋100 m，同期0～-200 m 標(biāo)高的礦體進(jìn)行井工開采。 ＋340 ～＋300 m、＋300～＋260 m、＋260～＋220 m、＋220～＋160 m 和＋160～＋100 m 為露天開采的5 個階段；0 m、-10 m、-50 m、-100 m 和-150 m 為地下井工開采的5 個中段。 如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)分段開采地層簡化示意

2 邊坡體位移和應(yīng)力分布特點(diǎn)

2.1 邊坡數(shù)值模擬分析模型的建立

作為礦區(qū)最重要的銅金礦層位白堊系，主要分布在礦區(qū)南部的上杭盆地，有粉砂巖、砂質(zhì)黏土、紫紅色砂礫巖等砂巖。 礦區(qū)地形經(jīng)強(qiáng)烈的侵蝕和構(gòu)造運(yùn)動處于隆起地段，呈現(xiàn)的大概面貌為深溝峽谷狀。 礦區(qū)中部斷裂相對發(fā)育，特別是北東向和北西向構(gòu)造運(yùn)動較為活躍；北東向構(gòu)造為宣河復(fù)式背斜，呈“S”形蜿蜒，向西南傾斜，軸面向西北傾斜，兩側(cè)有向斜，斷裂程度較嚴(yán)重，一般表現(xiàn)為壓扭斷裂，部分為張性斷裂，總體趨勢為南東或北西向，走向為40°～50°。 北西向上杭?云霄斷裂帶，即斷裂整體傾向于南西或北東，傾角40°～80°，走向300°～329°。 因此，兩大斷裂構(gòu)造帶成為礦區(qū)的主要控制區(qū)。 根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，采區(qū)巖層巖性主要表現(xiàn)為中微風(fēng)化細(xì)?；◢弾r、中風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r、中強(qiáng)風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r和強(qiáng)風(fēng)化中細(xì)?；◢弾r。 礦山工程地層相關(guān)的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 采場巖土體物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)紫金山金銅礦開采實際建立了數(shù)值模擬分析模型，如圖2 所示，模型尺寸為x方向長2 036 m，y方向長2 000 m，z方向為1 048 m，模型共劃分416 639 個單元網(wǎng)格和79 050 個節(jié)點(diǎn)。

圖2 紫金山金銅礦露井聯(lián)采數(shù)值模型圖

依據(jù)露天和井工同時自上而下的開采工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬露井聯(lián)采影響下5 個階段露天邊坡體位移應(yīng)力演變機(jī)制。

2.2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬分析得到各階段x、y、z方向位移云圖。x方向最大位移值3.74 m 與y方向最大位移值3.42 m都出現(xiàn)在最后一個開采階段，分別是在露天坡中部和地下采空區(qū)兩側(cè)的清掃平臺。 露天采場邊坡巖體y方向位移指向井工采空區(qū)中心，呈“盆地”狀沉陷，伴隨井工開采的持續(xù)進(jìn)行，位于地表的露天邊坡沉陷區(qū)域持續(xù)擴(kuò)展，受聯(lián)采影響程度持續(xù)增加，露天采區(qū)＋100 m處巖土體朝井工采區(qū)方向滑動，與此同時井工開采的礦區(qū)頂部位置處巖土體也向井工采區(qū)方向滑動，隨著各階段的開采最終出現(xiàn)19.5 m 的最大沉降位移，而且最大位移發(fā)生的位置就在采空區(qū)正上方。 露天邊坡5個開采階段x、y、z方向的移動變化如圖3～5 所示。

第5 階段開采巖體及A?A 剖面z方向應(yīng)力變化云圖分別見圖6 和圖7。 井工開采前，露天邊坡z向壓應(yīng)力從左到右呈非線性遞減。在露天礦邊坡開采過程中，露天礦開采巖體體積由左向右持續(xù)增大，內(nèi)部巖體的外覆巖質(zhì)量隨之一直減小。 觀察露天邊坡和井工采區(qū)拉應(yīng)力部分可以發(fā)現(xiàn)，露天部分拉應(yīng)力隨著5 個階段的開采不斷變大，井工部分拉應(yīng)力出現(xiàn)在自由端附近，采至第5 階段井工采區(qū)自由端附近出現(xiàn)最大拉應(yīng)力4.86 MPa（見圖6）。 從圖7 可見，井工采區(qū)正上方巖體z方向最大拉應(yīng)力為1.89 MPa，在井工開采采空區(qū)上，該處覆巖連通露天開采的邊坡體，在自重應(yīng)力的作用下，露天邊坡下部巖體發(fā)生滑動。 可以說露天邊坡體的滑動是由于井工采區(qū)的誘發(fā)而不是露天開采時露天邊坡自身的原因。 在露井聯(lián)采的復(fù)合疊加擾動影響下，露天邊坡體坡腳處強(qiáng)度加劇降低，進(jìn)而露天邊坡巖體滑動速度變快，破壞程度變大。

圖3 露天礦邊坡x 方向位移變化

圖4 露天邊坡y 方向位移變化

圖5 露天邊坡z 方向位移變化

圖6 第5 階段開采z 方向應(yīng)力變化云圖

圖7 第5 階段A?A 剖面z 方向應(yīng)力變化云圖

3 結(jié) 論

在FLCA3D軟件中模擬了露天和井工聯(lián)合開采工況下的位移場和應(yīng)力場，并對邊坡位移應(yīng)力進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過分析得出：

1） 由于位于采空區(qū)兩側(cè)的上覆巖體在開采初期厚度不同，在上覆巖體連續(xù)下落時邊坡中上部巖體一方面向井工區(qū)方向下沉，另一方面朝臨空自由面方向位移。

2） 邊坡中上部巖體的位移隨采空區(qū)厚度增加而增大，邊坡下部巖體表現(xiàn)出“傾倒”的位移特征。 隨著井工開采不斷推進(jìn)，整個露天礦邊坡都處于井采沉陷區(qū)。

3） 在露天邊坡中，產(chǎn)生的拉應(yīng)力致使邊坡表面出現(xiàn)大量的采動裂隙。 邊坡巖土體的強(qiáng)度在節(jié)理裂隙面逐漸發(fā)育張開的過程中逐步減弱，最終導(dǎo)致邊坡破壞。