李 林

（招遠(yuǎn)市阜山金礦有限公司，山東 煙臺(tái) 265400）

當(dāng)?shù)乇淼穆短扉_(kāi)采無(wú)法安全高效地提取礦產(chǎn)時(shí)，便轉(zhuǎn)移成地下開(kāi)采。但將礦體及圍巖轉(zhuǎn)運(yùn)后，就會(huì)導(dǎo)致地表沉陷等一系列環(huán)境問(wèn)題和安全隱患。從露天開(kāi)采到地下開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)過(guò)程。在開(kāi)采順序上，由于淺部到深部開(kāi)采的過(guò)渡，邊坡巖體受到兩次擾動(dòng)或影響。在空間關(guān)系上，兩個(gè)受采礦影響的區(qū)域部分相互重疊形成了復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)。這種復(fù)雜的狀態(tài)可能影響邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)而誘發(fā)滑坡災(zāi)害。有時(shí)還會(huì)引起地表與地下裂縫導(dǎo)通回，導(dǎo)致地表污染物滲入地下水。此外，沉降和邊坡變形還會(huì)導(dǎo)致地表構(gòu)筑物失穩(wěn)破壞[1，2]。因此有效的預(yù)測(cè)和管理開(kāi)采活動(dòng)引起的地表變形對(duì)采礦業(yè)來(lái)說(shuō)應(yīng)該是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

露天開(kāi)采向地下開(kāi)采過(guò)渡產(chǎn)生的擾動(dòng)區(qū)域一般是由于淺層資源到深部資源的開(kāi)采逐步擴(kuò)大的。這種擾動(dòng)是相當(dāng)危險(xiǎn)的，因?yàn)樗赡芡{到高陡坡的穩(wěn)定性。為了保證這些礦山的安全生產(chǎn)，目前有許多研究方法來(lái)研究地下開(kāi)采對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。在邊坡穩(wěn)定性分析及相關(guān)領(lǐng)域，極限平衡法是被廣泛的應(yīng)用于工程邊坡分析方法領(lǐng)域。極限平衡方法可以確定不同的開(kāi)采深度造成的斷裂面角度及崩落角。Brown和Ferguson將Hoek的分析方法推廣到考慮傾斜地表和張裂縫中以及剪切面中地下水壓力作用的情形。有時(shí)二維數(shù)值模型也被用來(lái)輔助分析掛壁的破壞并開(kāi)發(fā)新的預(yù)測(cè)方法。

此外，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多重要的理論得以實(shí)現(xiàn)。 但開(kāi)采沉陷范圍問(wèn)題研究在面對(duì)礦區(qū)級(jí)別的三維數(shù)值模型時(shí)，往往需要的計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。這時(shí)候需要一種在計(jì)算精度及快速圈定范圍之間平衡的方法，即粗略考慮礦區(qū)級(jí)別范圍的沉陷區(qū)域，細(xì)致考慮關(guān)鍵區(qū)域的穩(wěn)定。此外，如何采取有效的措施來(lái)加固這種危險(xiǎn)狀態(tài)的邊坡，也是需要進(jìn)行合理分析的。

1 工程背景

原露天采場(chǎng)坑底長(zhǎng)度約550m，坑底寬為22m～36m。坑底平均高程為+70，東南邊坡高差80m～160m，西北邊坡高差80m～120m。邊坡及地表建筑狀態(tài)，可從圖種A、B和C三個(gè)視角進(jìn)行掃掠。其中A視角看出主井筒位于邊坡北端近鄰。而視角B則揭示，礦區(qū)建筑距離西北邊坡較近，該邊坡的臺(tái)階較緩。C則觀察到高差最大的邊坡，其角度極為傾斜，臺(tái)階日漸風(fēng)化坍塌，下部有散體覆蓋。

邊坡發(fā)生破壞崩落的位置主要集中在東南邊坡，間隔的小范圍的塊體滑落為最常見(jiàn)的一種破壞類(lèi)型。這種破壞的主要誘因可能是由于結(jié)構(gòu)面切割后的巖體在開(kāi)挖后由于長(zhǎng)期的松弛效應(yīng)及風(fēng)化作用，其巖塊沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移冒落。業(yè)主由于擔(dān)心地下開(kāi)采誘發(fā)邊坡更為劇烈的失穩(wěn)破壞，于是將部分廢石填埋至坑底。

目前面臨的問(wèn)題有三個(gè)：①由于開(kāi)采可能導(dǎo)致的地表沉陷問(wèn)題對(duì)地表構(gòu)筑物及邊坡的影響范圍估算。②由于不斷增加的深度的崩落法開(kāi)采通常誘發(fā)的沉陷范圍會(huì)擴(kuò)大，涉及的模型巨大。大尺度的數(shù)值模擬必然面臨巖體參數(shù)準(zhǔn)確性、計(jì)算精度及計(jì)算效率問(wèn)題。③是如何保障受影響的邊坡上重要構(gòu)筑物安全問(wèn)題。需要對(duì)受影響的邊坡采取必要的安全措施，以增強(qiáng)安全系數(shù)。

2 礦區(qū)沉陷范圍快速圈定

采用漸進(jìn)崩落極限平衡理論及三維建?？焖偃Χǔ料輩^(qū)范圍。在使用無(wú)底柱分段崩落法時(shí)，當(dāng)開(kāi)采礦體非常巨大且傾角較陡時(shí)，隨著采礦水平的逐漸下降將會(huì)造成上盤(pán)巖體的漸進(jìn)崩落。根據(jù)極限平衡理論的分析方法對(duì)A鐵礦10號(hào)礦體的陷落角進(jìn)行計(jì)算?；A(chǔ)巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

其中：γ：采動(dòng)前巖體的容重，γc：崩落材料的容重，：巖體的有效黏結(jié)力，：巖體的內(nèi)摩擦角，：崩落材料和未采動(dòng)巖體之間的摩擦角，：礦體傾角，：上部地表的坡面角（亦可為負(fù)）。

根據(jù)上盤(pán)漸進(jìn)崩落使用的極限平衡法只能較為精確的計(jì)算上盤(pán)崩落的范圍，卻無(wú)法計(jì)算下盤(pán)地表區(qū)域擾動(dòng)范圍。地表移動(dòng)范圍的圈定是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，應(yīng)該結(jié)合多種方法，以減少預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。參照設(shè)計(jì)手冊(cè)工程類(lèi)比多個(gè)礦山，下盤(pán)使用工程類(lèi)比法確定的移動(dòng)角每條崩落線(xiàn)與地表形成交點(diǎn)。將地表交線(xiàn)連接，圈定出三維的地表沉陷帶。

3 邊坡穩(wěn)定性分析及防控建議

3.1 危險(xiǎn)區(qū)域分析及防控措施

在對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，建模及計(jì)算中做出如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

（1）假設(shè)邊坡巖體為連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)。

（2）研究范圍內(nèi)的巖性比較簡(jiǎn)單，雖然局部存在巖脈和夾石類(lèi)，但要精確描述其產(chǎn)狀是比較困難的，因而只簡(jiǎn)化為巖體和礦體兩類(lèi)。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果，采用Hoek-Brown折減后確定的巖體工程力學(xué)參數(shù)。巖體和充填體力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

由于計(jì)算研究范圍涉及的巖體為花崗巖及鐵礦石，采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。其力學(xué)模型為：

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c，φ分別是粘聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)f ＞0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，如果拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，材料將發(fā)生拉破壞。

根據(jù)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的實(shí)際情況，地下開(kāi)采不留設(shè)露天隔離礦柱，各回采步驟所模擬的回采礦體范圍見(jiàn)表3。

表3 各回采步驟所模擬的回采礦體高程范圍

3.2 回采過(guò)程數(shù)值模擬分析及覆蓋層作用機(jī)理研究

3.2.1 無(wú)開(kāi)采擾動(dòng)下邊坡穩(wěn)定性分析

（1）應(yīng)力場(chǎng)分析：該邊坡應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，即邊坡若發(fā)生破壞，以“壓－剪”的破壞模式為主。

（2）邊坡穩(wěn)定性分析。

圖1 強(qiáng)度折減法的邊坡?tīng)顟B(tài)圖

安全系數(shù)通過(guò)強(qiáng)度折減法的計(jì)算得出，對(duì)給定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和tanφ按照二分法折減，直到折減滿(mǎn)足精度要求，從而求解安全系數(shù)FS=1.94。

3.2.2 兩種方案應(yīng)力、應(yīng)變、及塑性區(qū)對(duì)比分析

圖2為開(kāi)挖至+10m水平后的應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)圖。從圖2(a)、(b)所示應(yīng)力云圖上可知，方案二邊坡拉應(yīng)力約為0.15MPa，方案一邊坡拉應(yīng)力最大值在0.25MPa～0.4MPa，由于更接近邊坡體抗拉強(qiáng)度，因此方案一更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此可看成一定厚度的覆蓋巖層對(duì)于邊坡體有一定支撐作用。從圖2(c)、(d)、(e)、(f)所示的位移云圖可知，方案二比方案一在上盤(pán)邊坡的坡腳處位移量更小，覆蓋層對(duì)邊坡位移發(fā)展有一定約束作用。

圖2 +10m中段開(kāi)采后云圖

4 結(jié)論

本文以A鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采為研究背景，在現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展理論分析和數(shù)值模擬研究。得出以下結(jié)論：

（1）綜合總礦區(qū)的極限平衡計(jì)算及重點(diǎn)剖面的數(shù)值計(jì)算，可快速解決大尺度范圍地表沉陷系列問(wèn)題分析。通過(guò)采用工程類(lèi)比法與極限平衡法綜合分析出，主礦體深部開(kāi)采過(guò)程中的巖體移動(dòng)角與移動(dòng)范圍。確定了每一開(kāi)采階段過(guò)后形成的沉陷區(qū)域，并由此判斷建筑物是否在受影響范圍。使用數(shù)值模擬回采過(guò)程可知隨著地下開(kāi)采深度增加，邊坡穩(wěn)定性逐步降低的程度。

（2）覆蓋層對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后的邊坡穩(wěn)定性的作用。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬不同深度開(kāi)采過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，保持覆蓋層高度穩(wěn)定，可確保邊坡安全系數(shù)在較高的水平。