孫世國 賈欣欣 劉文波 肖 劍

(1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144;2.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 三河 065200)

0 引言

為提高礦產(chǎn)資源采出率，實現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置開采，運(yùn)用露井聯(lián)采模式代替單一方式的露天和井工開采是必然趨勢。露天礦邊坡的巖體移動變形具有復(fù)雜性和不可逆性，其動態(tài)演變過程也受到諸多因素的影響，變形破壞機(jī)制也因露天礦邊坡類型的不同而存在較大差異[1]。與單一開采方式不同的是，位于2種采動影響域之內(nèi)的邊坡受地下與露天復(fù)合開采的雙重影響[2-3]，原應(yīng)力場被打破，進(jìn)行應(yīng)力重分布，并導(dǎo)致地下開采區(qū)的上覆巖體產(chǎn)生潛在滑移面，從而使巖體發(fā)生滑動，位移發(fā)生相互疊加作用，因此邊坡體的移動變形受到露天礦采動影響和地下采區(qū)滑移力的復(fù)合作用，構(gòu)成復(fù)合疊加效應(yīng)，使得邊坡巖體的移動機(jī)理和變形機(jī)制表現(xiàn)得更加復(fù)雜[4]。

筆者以紫金山金銅礦為例，應(yīng)用數(shù)值模擬法模擬露井聯(lián)采下,地下采區(qū)按充填開采方法時上覆巖體的移動變形破壞，研究地下動態(tài)開采過程中上覆巖層移動規(guī)律與邊坡巖體滑移破壞方式。

1 工程實例概況

紫金山金銅礦地處福建省龍巖市上杭縣城，東臨龍巖市區(qū)，西接廣東省梅州市，北靠江西瑞金市，東北至福建永安市，是一座特大型金銅礦。

該礦于1993年開始建礦投產(chǎn)，1999年啟用露天開采。礦山金的賦存量為305 t，銅礦體的賦存量超過300萬t，礦產(chǎn)資源十分豐富。紫金山金銅礦所處地層主要出露震旦系、上泥盆統(tǒng)-石炭系、白堊系。溝壑縱橫的地形使紫金山金銅礦北東和北西2個方向的構(gòu)造運(yùn)動尤為活躍，北東整體形狀表現(xiàn)為“S”形分布，南西向傾斜，由震旦系組成其核部，兩翼主要為上泥盆統(tǒng)和石炭系；北西斷裂的整體傾斜方向為南西或北東，構(gòu)造走向300°～329°，傾角40°～80°，是本區(qū)重要的控巖控礦構(gòu)造。依據(jù)工程地質(zhì)的分區(qū)原則，考慮采場的地形地貌、露天及地下開采位置，結(jié)合采場邊坡巖體巖性、力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等，可將紫金山金銅礦采場邊坡劃分為A，B，C，D 4個工程地質(zhì)區(qū)，如圖1所示。

圖1 紫金山金銅礦工程地質(zhì)分區(qū)

4個礦區(qū)均位于韓江水系流域范圍內(nèi)，故水系較為發(fā)育，且屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。在礦山標(biāo)高低于+100 m時采用井工開采，大部分礦體分布在標(biāo)高+30～-200 m，開采分為4個階段，主要在標(biāo)高為0，-50，-100，-150 m的中段進(jìn)行。

2 露井聯(lián)采中上覆邊坡巖體移動規(guī)律

2.1 計算模型與巖體力學(xué)參數(shù)選取

為了較為準(zhǔn)確地模擬計算三維巖體不連續(xù)問題,根據(jù)現(xiàn)有紫金山金銅礦的相關(guān)工程資料，采用3DEC軟件建立露天采場計算模型?？紤]露井聯(lián)采過程中采動效應(yīng)的影響，在數(shù)值模擬時對相關(guān)巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了一定修正，最終確定了采場邊坡的巖體力學(xué)參數(shù)。模型與計算參數(shù)分別如圖2和表1所示。

圖2 紫金山金銅礦三維離散元計算模型

表1 采區(qū)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

該模擬主要針對地下開采按采空區(qū)充填方式的露井聯(lián)采進(jìn)行計算分析，即開挖過后采空區(qū)采用尾礦充填，在銅礦賦存區(qū)域5-5主控剖面進(jìn)行邊坡相關(guān)計算(見圖2)。研究邊坡巖體滑移機(jī)理，分析滑移破壞形式，并據(jù)此評價邊坡的穩(wěn)定性。5-5主控剖面位于B區(qū)，其工程地質(zhì)剖面圖和地下礦體地質(zhì)分布圖如圖3和圖4所示。

圖3 5-5主控剖面工程地質(zhì)剖面圖

圖4 5-5主控剖面方向地下礦體地質(zhì)分布圖

2.2 采空區(qū)充填時邊坡巖體移動機(jī)理分析

對西部采區(qū)用預(yù)留底柱開采方式進(jìn)行開挖，后采用充填處理，開采分+30～0，-50，-100，-150 m 4個階段進(jìn)行，開采填充示意圖如圖5所示。

圖5 5-5主控剖面開采填充示意圖

通常情況，地殼內(nèi)巖體的任何一點受圍巖各方向應(yīng)力作用，時刻處于受力狀態(tài)；如果不受外界外力的影響或擾動，位于自然應(yīng)力狀態(tài)下巖體中不同空間單元上的應(yīng)力σ0將基本保持不變[5]。地下巖體工程開采會改變周邊地殼中的原巖應(yīng)力場分布,對于露井聯(lián)采中處在相互影響域內(nèi)的巖體，其內(nèi)部某一點的應(yīng)力狀態(tài)由兩部分組成：①由露天卸荷引起的應(yīng)力變化σ1;②由地下開采引起的應(yīng)力變化σ2,最終該點應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為兩者相加[6-7]。然而受地質(zhì)條件、開采方式、空間位置與開采尺寸大小等諸多因素的影響，其開采效應(yīng)的影響域大小有所不同，故應(yīng)力變化量也不相等，應(yīng)力重分布下采動影響域內(nèi)應(yīng)力場與原巖應(yīng)力場大相徑庭。露井聯(lián)采開采過程中，位移變化和應(yīng)力變化相似，也是一個疊加過程，在此不多敘述。

開采第4階段5-5剖面豎直應(yīng)力場及位移圖如圖6、圖7所示。

圖6 開采第4階段5-5剖面豎直應(yīng)力場(單位：Pa)

圖7 開采第4階段5-5剖面位移圖(單位：Pa)

圖6中正負(fù)號分別表示每點巖土體所受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，圖7中負(fù)號表示邊坡巖體位移發(fā)生在z軸負(fù)半軸即巖體向下移動。當(dāng)由+30 m開采至-150 m時,從對采空區(qū)充填尾礦方法下的豎直應(yīng)力場圖和位移場演化特點可以看出，采空區(qū)充填后再進(jìn)行地下開采時，對露天邊坡的影響顯著降低，在開采第2階段，即+30～-50 m時，少部分邊坡巖體開始發(fā)生失穩(wěn)變形,整體表現(xiàn)穩(wěn)定；在開采第3階段，即+30～-100 m時，邊坡巖體處于一個較穩(wěn)定狀態(tài)；在開采第4階段，即+30～-150 m時，最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力值分別為1×107Pa和1×106Pa,露天邊坡巖體出現(xiàn)大范圍的失穩(wěn)變形，發(fā)生局部破壞。

2.3 采區(qū)充填時邊坡巖體穩(wěn)定性分析

一般情況下，露天開采會使邊坡巖體沿一定滑動面滑動產(chǎn)生滑移破壞，地下開采會使上覆巖體下滑到一定界線發(fā)生塌陷現(xiàn)象[8]，因此根據(jù)采空區(qū)上覆巖體移動的影響范圍，可以確定露井聯(lián)采下邊坡的破壞方式，即滑移型破壞、塌陷型破壞、滑移-塌陷復(fù)合型破壞3種移動破壞方式[9-10]。

為進(jìn)行邊坡巖體穩(wěn)定性分析，選取5-5剖面邊坡巖體坡頂至坡腳的11個監(jiān)測點，如圖8所示。以每一步各監(jiān)測點測得的豎向位移為基準(zhǔn)，畫出邊坡巖體在地下開采過程中沿x坐標(biāo)方向：2 785 840～2 789 040 m的沉降曲線變化圖，如圖9所示。

圖8 坡底至坡頂邊坡體取點位置示意圖

圖9 開采第4階段5-5剖面沉降變化曲線

由采區(qū)充填尾礦后的邊坡體坡頂各點位移值變化可以看出，開采至-150 m的坡頂區(qū)域內(nèi)邊坡巖體最大沉降值是-0.34 m，即當(dāng)采空區(qū)采用充填開采時，地下開采對邊坡巖體的下沉滑移作用表現(xiàn)較小，邊坡體主要受到露天開挖作用的影響。采空區(qū)上覆巖體的滑移面大部分處在下沉盆地內(nèi)且?guī)缀醢l(fā)生垂直下沉，邊坡巖體屬于塌陷型破壞，此時地下開采對露天開采邊坡巖體的穩(wěn)定性影響最大。

把由+30 m充填開采至-150 m階段時，邊坡巖體的地表沉降位移值和水平位移值數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，得到露井聯(lián)采下地表三維沉降位移圖和水平位移圖，如圖10和圖11所示。

圖10 充填開采至-150 m時地表三維沉降位移圖(單位：m)

圖11 充填開采至-150 m時地表三維水平位移圖(單位：m )

圖10中負(fù)號表示地表沿z軸負(fù)半軸移動即向下發(fā)生沉降，圖11中正負(fù)分別代表地表沿x軸正負(fù)方向發(fā)生移動。分析表明，隨著不同階段開采工作面的推進(jìn)，上覆邊坡巖體移動變形具有三維性質(zhì)，地表下沉范圍不斷擴(kuò)大，坡頂下沉值逐漸增加，沿z豎直方向，地表下沉值逐漸由0 m最終到接近-0.35 m，形成下沉盆地。紫金山金銅礦采用填充開采對地表變形影響較小，最大下沉區(qū)域范圍為D區(qū)，地表沉降位移和水平位移均達(dá)到最大值，其余A，B，C區(qū)的下沉區(qū)域相對較小。

3 結(jié)論

筆者以紫金山金銅礦為工程實踐，應(yīng)用三維離散元數(shù)值模擬對露井聯(lián)采過程中邊坡滑移規(guī)律進(jìn)行分析，并對邊坡穩(wěn)定性作出一定評價，得到以下主要結(jié)論：

(1)根據(jù)紫金山金銅礦相關(guān)的工程地質(zhì)資料與修正后的巖石物理力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用3DEC軟件建立三維離散節(jié)理模型，確定了邊坡動態(tài)變形中的位移矢量圖及應(yīng)力動態(tài)分布特性，并對邊坡滑移機(jī)理與破壞方式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：邊坡巖體變形幅度與地下開采深度成正比，開采深度越深，巖體變形越大、越容易發(fā)生塌陷破壞。

(2)露井聯(lián)采下對采空區(qū)采用充填處理時會使部分上覆邊坡巖體產(chǎn)生疊加采動效應(yīng)，邊坡巖體打破原平衡狀態(tài)，進(jìn)行應(yīng)力重分布和位移疊加。

(3)根據(jù)建立的紫金山金銅礦三維離散節(jié)理模型、露井聯(lián)采的三維沉降模型和水平位移模型，系統(tǒng)分析了露井聯(lián)采過程中采空區(qū)充填開采方式下，邊坡體的移動特點。結(jié)果表明：上覆邊坡巖體移動穩(wěn)定后，采空區(qū)上方地表形成沉陷區(qū)域，稱為下沉盆地。