楊八九 侯克鵬 程 涌 劉永文

(1.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；3.金平長安礦業(yè)有限公司，云南 金平 661500)

1 工程概況

金平長安礦業(yè)有限公司長安礦段自2003年開始建設(shè)，1 520 m水平以上采用露天開采，1 520 m以下轉(zhuǎn)為地下開采。截至2016年5月，露天開采最低標(biāo)高已至1 532 m，離露天開采最底標(biāo)高1 520 m僅有一個臺階高度(12 m)，即將轉(zhuǎn)為地下開采，然而礦區(qū)內(nèi)有金平—老猛省級三級公路(以下簡稱金老公路)通過，其東端在雙金橋處連接昆明—金平—那發(fā)口岸公路，西端在老猛處連接昆明—元陽—綠春—思茅公路，是昆明至老猛的唯一通道，重要程度不言而喻。所以不同剖面地下開采過程對金老公路的影響是本文研究的重點。

2 分析模型的構(gòu)建及計算方案

2.1 計算模型的建立

根據(jù)長安礦段露天邊坡、礦體、山體的實際形態(tài)和金老公路的位置，模擬開采1 520 m以下礦體的情況，允許圍巖依照自身的力學(xué)機制發(fā)生一定的位移或破壞，研究露天邊坡及金老公路的穩(wěn)定性。本次選擇了地下礦體較多且延伸較深的0-2#、4#、2#和3#剖面進行模擬，其中離礦體較遠的灰?guī)r單元劃分為5 m×5 m的塊體，礦體和砂巖單元劃分為3 m×3 m的塊體。所建模型見圖1。

圖1 各剖面模型單元劃分塊體位置示意圖Fig.1 Block location of model units in each section

該模型采用位移邊界約束，即模型的底部和左右兩邊，采用位移固定約束，模型頂部不加約束，模型內(nèi)部形成采空區(qū)后不施加任何約束，允許圍巖依照自身的力學(xué)機制發(fā)生一定的位移或破壞，從而研究下部礦體回采后露天邊坡的穩(wěn)定性及對山體、公路的影響。

2.2 宏觀巖體力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，采用普氏、RMR、 Q系統(tǒng)三種巖體質(zhì)量分級方法，對長安礦段各礦巖體質(zhì)量進行了分級，認為長安礦段礦巖體均屬于差巖體—一般巖體[1,2]。

離散元大變形數(shù)值模擬所采用的礦巖宏觀巖體力學(xué)參數(shù)，是通過室內(nèi)實驗得到各巖塊力學(xué)參數(shù)，采用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則折減而確定[3，4]。其中法向剛度系數(shù)和切向剛度系數(shù)采用巖體的彈性模量和泊松比，用模型單元的幾何尺寸進行換算得出。計算模擬采用的計算參數(shù)見表1。

表1 離散元分析采用的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters used in DEM analysis

2.3 地下開采卸荷模擬方法

礦體開采卸荷本質(zhì)相當(dāng)于在初始應(yīng)力的作用下，在巖體中施加了一個反向拉應(yīng)力[5，6]，所以數(shù)值模擬仿真過程中，假如將巖體卸荷以前的應(yīng)力狀態(tài)視為初始應(yīng)力狀態(tài)，那么卸荷應(yīng)力可以看作作用在同一巖體上的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力大小為σ0+Rt，σ0+Rt值看作是等效抗拉強度。也就是說，卸荷問題本質(zhì)是由卸荷前的應(yīng)力、應(yīng)變場和卸荷應(yīng)力、應(yīng)變場相疊加[7]。卸荷應(yīng)力分解如圖2所示。

圖2 卸荷應(yīng)力分解圖Fig.2 Decomposition of unloading stress

2.4 地下開采卸荷模擬采用彈塑性模型

計算模擬選用的屈服準(zhǔn)則為Drucker-Prager準(zhǔn)則[8]，是在Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能夠較好地模擬分析巖體的破壞強度特性。該屈服準(zhǔn)則的表達式如下：

式中：c為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；α，K為與內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦有關(guān)的常數(shù)；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為應(yīng)力偏張量第二不變量。

2.5 計算方案

計算考慮分步開挖，即第一步為初始模型，不考慮開挖；第二步形成露天邊坡，將露天邊坡開挖至最低標(biāo)高1 520 m；第三步開挖地下礦體。模擬不同開挖過程露天邊坡的穩(wěn)定性及對金老公路的影響。離散元可以給出剖面的速度圖、位移圖、主應(yīng)力分布圖以及各單元角點等的接觸關(guān)系圖，信息量比較大，文章僅對最終結(jié)果進行分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 0-2#剖面地下開采影響范圍分析

模擬第三步是在將露天邊坡開采至最終境界的基礎(chǔ)上進行地下礦體的開采，0-2#剖面所有地下礦體開采結(jié)束后，開挖體周邊圍巖都發(fā)生了大面積冒落和滑移。從圖3可以看出，0-2#剖面西幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 652 m平臺，移動角約為52°，距離金老公路水平距離約為75 m，東幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 688 m平臺，移動角約為69°。

圖3 0-2#剖面地下礦體開采結(jié)束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.3 0-2# moving range of the underground ore body at the end of mining by enlarging the drawing

3.2 4#剖面地下開采影響范圍分析

4#剖面所有地下礦體開采結(jié)束后，開挖體周邊圍巖都發(fā)生了大面積冒落和滑移。從圖4可以看出，4#剖面西幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 616 m平臺，移動角約為51°，大約距離金老公路還有120 m；東幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 676 m平臺，移動角約為66°。

圖4 4#剖面地下礦體開采結(jié)束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.4 The moving range of underground ore body in profile 4# is shown by enlarging the drawing after mining

3.3 2#剖面地下開采影響范圍分析

2#剖面所有地下礦體開采結(jié)束后，開挖體周邊圍巖都發(fā)生了大面積冒落和滑移。從圖5可以看出，2#剖面西幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 640 m平臺，移動角約為61°，大約距離金老公路還有81 m；東幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 720 m水平，移動角約為76°。

圖5 2#剖面地下礦體開采結(jié)束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.5 The moving range of underground ore body in profile 2# is shown by enlarging the drawing after mining

3.4 3#剖面地下開采影響范圍分析

3#剖面所有地下礦體開采結(jié)束后，開挖體周邊圍巖都發(fā)生了大面積冒落和滑移。從圖6可以看出，3#剖面西幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 652 m平臺，移動角約為65°，大約距離金老公路還有80 m；東幫邊坡塊體出現(xiàn)開裂的范圍延伸至1 688 m水平，移動角約為77°。

圖6 3#剖面地下礦體開采結(jié)束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.6 3# moving range of the underground ore body at the end of mining by enlarging the drawing

4 移動范圍的確定

根據(jù)該礦體形態(tài)、產(chǎn)狀及礦巖的性質(zhì)，結(jié)合離散元4個剖面的模擬結(jié)果，在上部圍巖逐步平緩冒落且充分采動的條件下，圈定出長安礦段地下開采的移動范圍見圖7，各剖面移動角見表2。

表2 長安礦段各剖面地采移動角Table 2 Ground mining movement angle of each section in Chang′an ore block

圖7 長安礦段地采離散元模擬移動范圍圖Fig.7 Moving range of discrete element simulation of ground mining in Chang′an ore block

從移動境界來看，露天坑下部進行地下開采沒有直接影響到金老公路，采動影響最大的0-2#剖面移動范圍離金老公路約有75 m左右，其余剖面移動范圍離金老公路的最小水平距離都超過80 m。

5 結(jié)論

1)采用離散元法對長安礦段不同剖面地下開采后頂板及上覆巖層移動破壞規(guī)律及其力學(xué)行為進行科學(xué)分析，研究結(jié)論符合巖體力學(xué)的規(guī)律，在方法上是可行的。該方法形象直觀，能模擬不同開挖深度情況下上部圍巖的破壞過程。

2)模擬過程中，允許圍巖依照自身的力學(xué)機制發(fā)生一定的位移或破壞，當(dāng)1 520 m以下礦體開采后，0-2#剖面、4#剖面、2#剖面、3#剖面西幫邊坡塊體開裂的范圍分別延伸至1 652、1 688、1 676、1 652 m平臺。

3)從移動范圍來看，采動影響范圍最大的0-2#剖面移動范圍離金老公路約有75 m左右，其余剖面移動范圍離金老公路的最小水平距離都超過80 m。綜合考慮，露天坑下部進行地下開采不會直接影響到金老公路的穩(wěn)定。