陳樹(shù)林，朱志崗，李世彬，馬濤，董秋平，楊八九

(1.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 四川 攀枝花市 617063；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650093；3.云南亞融礦業(yè)科技有限公司， 云南 昆明 650093)

0 引言

攀枝花鐵礦尖山采場(chǎng)于近期由露天采礦轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采。在完全轉(zhuǎn)入地下采礦之前，計(jì)劃先回采露天邊幫下部 1300～1330 m標(biāo)高的掛幫礦和海拔1200～1300 m礦體。露天坑西北邊幫頂部和西側(cè)有一條瀝青公路，即倮密路。掛幫礦及其下部北傾礦體回采引發(fā)的巖體移動(dòng)破壞可能對(duì)倮密路穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響其安全運(yùn)營(yíng)。在預(yù)測(cè)巖體移動(dòng)范圍方面，廣泛使用工程類(lèi)比法[1]、計(jì)算方法[2-3]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方法和手段。具體到地采巖移研究也有諸多方法和成果[4]，如網(wǎng)格積分法分析巖體移動(dòng)[5]；用遺傳規(guī)劃方法確定巖體移動(dòng)參數(shù)[6]；研究地形對(duì)巖體移動(dòng)的影響[7]；用 Fuzzy數(shù)學(xué)理論分析巖體移動(dòng)[8]；用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論分析地表下沉[9]；采用模擬試驗(yàn)方法確定巖體移動(dòng)極限角[10]；研究巖體移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程[11]；采用經(jīng)典力學(xué)理論分析巖體移動(dòng)的蠕變問(wèn)題[12]；地下開(kāi)采引起的大范圍巖體移動(dòng)問(wèn)題[13]；山區(qū)厚礦層開(kāi)采引起的巖體移動(dòng)規(guī)律[14]；用模糊-遺傳規(guī)劃理論分析巖體移動(dòng)[15]；文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]提出一種新的三維影響函數(shù)公式并用于分析急傾斜礦體開(kāi)采巖體移動(dòng)問(wèn)題。上述方法中，有的需要工程技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，有的需要大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還有的方法涉及到諸多難以精確測(cè)定的巖石物理力學(xué)參數(shù)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，先分析現(xiàn)狀西北幫邊坡的穩(wěn)定性，然后采用FLAC3D、3DEC和相似材料模擬試驗(yàn)研究回采掛幫礦與標(biāo)高 1200～1300 m 的 Ⅴ#和ⅤI#礦體過(guò)程中，露天邊坡的穩(wěn)定性及巖移對(duì)倮密路段穩(wěn)定性的影響。

1 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

國(guó)內(nèi)學(xué)者采用了多種方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。這些方法分為定性和定量?jī)纱箢?lèi)。定性分析方法有地質(zhì)分析法、工程地質(zhì)類(lèi)比法、圖解法和邊坡穩(wěn)定專(zhuān)家系統(tǒng)。定量分析方法有極限平衡法、數(shù)值分析法、破壞概率計(jì)算法等。其中，極限平衡法包括普通條分法、改進(jìn)條分法、瑞典條分法、Bishop法、SarmaSK法、Janbu法、Morgensterm-NR和 price ⅤE等方法[18-19]；數(shù)值分析法又包括有限單元法（FEM）、邊界單元法（BEM）、無(wú)界元法（IDEM）[20]、離散單元法（DEM）、快速拉格朗日分析法（FLAC）、不連續(xù)變形分析法（DDA）、有限差分法（FDM）、數(shù)值流形元法（NMM）和塊體理論（BT）[21-22]。在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，又有模糊綜合評(píng)判法、模式搜索法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法（ANN）、遺傳算法、模擬退火法、反分析法、可靠度評(píng)價(jià)法和灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法等不確定性分析方法。不同礦山具有不同的地質(zhì)條件，因而有豐富經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工作者才能用好工程地質(zhì)類(lèi)比法。本文主要使用圖解法對(duì)礦山露天開(kāi)采閉坑、地下開(kāi)采之初的西北幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖解法用于邊坡穩(wěn)定性分析，具有簡(jiǎn)單、快速、直觀的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)分析可知：露天坑西北幫邊坡安全系數(shù)在1.0～1.1之間，坡高為392 m，坡角為47°，邊坡面傾向?yàn)?42.901°，邊坡巖性為流層狀輝長(zhǎng)巖（ω1），節(jié)理裂隙發(fā)育。

根據(jù)尖山鐵礦露天采場(chǎng)的實(shí)際情況，確定了 9個(gè)調(diào)查點(diǎn)。其中，9#調(diào)查點(diǎn)位于西北幫邊坡1325 m標(biāo)高。9#調(diào)查點(diǎn)處共調(diào)查了7.78 m巖體，共獲得63條結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面平均間距為0.22 m。共有三組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。第一組結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)?50°～270°，平均為 260°，傾角為 70°～90°，平均為 80°；第二組結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)?260°～280°，平均為 270°，傾角為 60°～80°，平均為70°；第三組結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)?3°～47°，平均為 30°，傾角為 40°～76°，平均為 55°。9#調(diào)查點(diǎn)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)等密度圖如圖1所示。

圖1 9#點(diǎn)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)等密度圖

將該處優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面和坡面運(yùn)用赤平極射投影方法分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)面L1、L2和L3與開(kāi)挖邊坡面斜交，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；就結(jié)構(gòu)面組合作用而言，兩結(jié)構(gòu)面L1、L2和L3的投影大圓的交點(diǎn)位于開(kāi)挖邊坡面投影大圓的內(nèi)側(cè)，因而結(jié)構(gòu)面組合交線的傾角比開(kāi)挖邊坡面的傾角緩，整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，該段邊坡巖體的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面有利于邊坡的穩(wěn)定。

圖2 西北幫邊坡赤平極射投影圖

2 采動(dòng)對(duì)邊坡巖移變形的影響

2.1 基于有限單元法數(shù)值模擬分析其邊幫穩(wěn)定性

FLAC3D廣泛應(yīng)用于采礦、土木、交通、水利等行業(yè)的復(fù)雜巖土工程數(shù)值分析和計(jì)算。根據(jù)尖山礦區(qū)地形地質(zhì)圖及中段平面圖構(gòu)建模型，模型以X為正東方向，長(zhǎng)為1100 m；以Y為正北方向，寬為650 m；以Z為豎直方向，高為1150 m。地形和建模范圍如圖3所示。

圖3 模型建立范圍（尖山礦區(qū)地形地質(zhì)圖）

計(jì)算所采用本構(gòu)關(guān)系及模型假定如下：巖層材料采用摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型；選取摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；地層的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化；結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。模型邊界設(shè)定為：地表為上邊界，以X軸為法線的立面為左右界面，以Y軸為法線的立面為前后界面，以Z軸為法線的立面為上下界面。模型上表面設(shè)為自由邊界，其他 5個(gè)面都施加位移約束。巖體及斷層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)前期室內(nèi)、外巖石力學(xué)試驗(yàn)確定，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

數(shù)值計(jì)算方案為：第1步計(jì)算原始地形下的穩(wěn)定性；第2步計(jì)算現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性；第3步開(kāi)采掛幫礦；第4步按不同順序回采標(biāo)高1280～1300 m礦體；第5步開(kāi)采1200～1280 m礦體；第6步在設(shè)計(jì)保安礦柱的基礎(chǔ)上，分5次逐步縮小保安礦柱尺寸進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，在原始地形和現(xiàn)狀邊坡的工況下，采場(chǎng)內(nèi)的位移以開(kāi)挖后的回彈位移為主，邊坡不發(fā)生大變形，亦不發(fā)生破壞。開(kāi)挖完掛幫礦，邊坡巖體的變形和位移呈現(xiàn)如下特征：西北幫邊坡出現(xiàn)位移，北部公路位置位移量約0～4 m，開(kāi)采后礦體上盤(pán)邊坡巖石移動(dòng)角在50°～55°之間；上盤(pán)邊坡很大區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū)；南幫邊坡位于礦體的下盤(pán)且邊坡較緩，沒(méi)有出現(xiàn)位移和塑性區(qū)；西側(cè)受斷層阻隔作用，坡體移動(dòng)破壞沒(méi)有向西越過(guò)F317斷層。說(shuō)明 1300 m以上掛幫礦的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致西北幫邊坡的破壞，影響到公路的安全；西側(cè)公路穩(wěn)定性不受影響；南幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。1280～1300 m礦體開(kāi)采完畢后的巖石移動(dòng)情況和采完掛幫礦的變化不大。巖石移動(dòng)主要發(fā)生在礦體上盤(pán)，北邊巖石移動(dòng)角在55°～60°間；西邊受斷層F316和F317的隔斷影響，西邊沒(méi)有發(fā)生較大垮塌；南幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。地表沉降位移如圖4所示。

圖4 Z方向位移等值線與公路位置關(guān)系

2.2 基于離散單元法分析其邊幫穩(wěn)定性和巖移范圍

巖體包含巖塊和節(jié)理裂隙。巖體變形由巖石材料變形和巖體結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)變形兩部分組成，后者變形量大于前者。3DEC（三維離散單元法程序）是一款以離散單元法為基本理論，模擬離散介質(zhì)力學(xué)行為的計(jì)算分析軟件，可用于巖體移動(dòng)、變形和破壞研究。

此處著重考查尖山采場(chǎng)露天坑西北邊坡及坡頂回頭彎附近巖體受采動(dòng)影響下的穩(wěn)定性，分別以Ⅴ#剖面、27#剖面，以及穿過(guò)倮密路回頭彎、走向?yàn)?42.901°、長(zhǎng)度為931.69 m的新切剖面為地質(zhì)原型，構(gòu)建數(shù)值模型。礦區(qū)平面和剖面位置見(jiàn)圖5。

圖5 離散元建模剖面布置

礦區(qū)上盤(pán)為流層狀輝長(zhǎng)巖，下盤(pán)為細(xì)粒輝長(zhǎng)巖，礦體分為Ⅴ#、ⅤI#、ⅤIII#，ⅤII#礦體品位較差，為流層狀輝長(zhǎng)巖夾層。離散元數(shù)值模擬試驗(yàn)中使用的巖體力學(xué)參數(shù)和節(jié)理力學(xué)參數(shù)由課題組根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合礦山前期相關(guān)研究報(bào)告中的巖石和巖體力學(xué)參數(shù)綜合分析確定，詳見(jiàn)表2和表3。

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03-2011）中規(guī)定：采空區(qū)公路地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)公路工程地基容許變形值確定。以采空區(qū)公路地表水平變形作為指標(biāo)對(duì)公路穩(wěn)定性和巖移范圍進(jìn)行分析，即公路路基水平變形大于6 mm/m時(shí)，公路不可以再使用；水平變形大于6 mm/m的云圖區(qū)域?yàn)閹r體巖移范圍。

2.2.1 Ⅴ#剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

以Ⅴ#縱剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分8步開(kāi)采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1400 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開(kāi)采。數(shù)值模型見(jiàn)圖6。按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后的結(jié)果見(jiàn)圖7。Ⅴ#剖面模型塊體長(zhǎng)度為 25 m，在 Ⅴ#剖面的模型中，查找距離邊坡最遠(yuǎn)且相鄰塊體間距大于0.15 m時(shí)西側(cè)塊體的坐標(biāo)，以該塊體所在位置坐標(biāo)作為邊坡巖移破壞范圍的邊界。剖面開(kāi)挖導(dǎo)致地表塌陷范圍見(jiàn)圖8。由圖8可知，西側(cè)公路路基發(fā)生輕微的變形，由于斷層的存在對(duì)巖移具有阻隔作用，開(kāi)采1200 m以上礦體，Ⅴ#勘探線方向上的巖移并未對(duì)西側(cè)公路造成破壞。

圖6 V#縱剖面模型

圖7 V#縱剖面按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后巖體移動(dòng)

圖8 V#剖面開(kāi)挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

2.2.2 27#剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

以27#勘探線剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分5步開(kāi)采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1380 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開(kāi)采。數(shù)值模型見(jiàn)圖9。按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后的結(jié)果見(jiàn)圖10。27#剖面模型塊體長(zhǎng)度為20 m，查找距離邊坡最遠(yuǎn)且相鄰塊體間距大于0.12 m時(shí)西側(cè)塊體的坐標(biāo)，以該塊體所在位置坐標(biāo)作為邊坡巖移破壞范圍的邊界，分析結(jié)果見(jiàn)圖11。27#剖面構(gòu)建的模型在回采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致倮密路周?chē)鷰r體發(fā)生 2.08～23.13 m的水平位移，路面最終將產(chǎn)生累計(jì)0.73 m寬的張拉裂縫，該公路在這種情況下將被破壞。

圖9 27#剖面模型

圖10 27#剖面模型按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后巖體移動(dòng)

圖11 27#剖面開(kāi)挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

2.2.3 新切剖面為地質(zhì)原型構(gòu)建數(shù)值模型

新切剖面走向?yàn)?42.901°，與露天坑西北幫走向垂直。以新切剖面為地質(zhì)原型的數(shù)值模型，分 4步開(kāi)采 Ⅴ#礦體和 ⅤI#礦體。Ⅴ#礦體在 1330 m 以上的部分作為緩沖墊層，不予開(kāi)采。數(shù)值模型見(jiàn)圖12。按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后的結(jié)果見(jiàn)圖13。在新切剖面的模型中，查找距離邊坡最遠(yuǎn)且相鄰塊體間距大于0.06 m時(shí)西側(cè)塊體的坐標(biāo)，以該塊體所在位置坐標(biāo)作為邊坡巖移破壞范圍的邊界，模擬結(jié)果見(jiàn)圖14。根據(jù)新切剖面構(gòu)建的模型，在回采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致倮密路周?chē)鷰r體發(fā)生0.05～6.76 m的水平位移，路面將產(chǎn)生張拉裂縫，倮密路在這種情況下將被破壞。

圖12 新切剖面模型

圖13 新切剖面模型按計(jì)劃開(kāi)挖完畢后巖體移動(dòng)

圖14 新切剖面開(kāi)挖導(dǎo)致地表塌陷范圍

根據(jù)以上3個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果，在尖山采場(chǎng)平面圖中圈定回采 1200～1300 m礦體和掛幫礦，按設(shè)定的開(kāi)挖步驟圈定巖石移動(dòng)范圍，如圖15所示。

由圖15可知，黃色加粗線段為不留礦柱情況下回采至 1300 m的巖石移動(dòng)范圍，線段西部與F317斷層走向一致，北段已經(jīng)包括倮密路回頭彎段。紅色加粗線段為不留礦柱情況下回采至1200 m的巖石移動(dòng)范圍。藍(lán)色加粗線段為留設(shè)礦柱回采至1200 m巖石移動(dòng)范圍。紅色細(xì)線段為留設(shè)礦柱回采至 1042 m巖石移動(dòng)范圍。洋紅色線段為原初步設(shè)計(jì)巖石移動(dòng)界線，即最終錯(cuò)動(dòng)界線。

圖15 3DEC模擬開(kāi)挖導(dǎo)致巖石移動(dòng)范圍對(duì)比

2.3 基于相似模擬試驗(yàn)分析邊幫穩(wěn)定性和巖移范圍

室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)是研究采動(dòng)影響下采場(chǎng)圍巖和覆巖變形的重要手段之一。本文根據(jù)其他學(xué)者的研究成果[25-26]，按照一定的應(yīng)力相似比配制相似材料。材料由洗干凈的河沙、石灰粉、石膏粉、碳酸鈣粉末和云母粉按一定比例混合而成。相似材料模型按照礦體賦存傾角、礦巖分層厚度以及相似條件所需的密實(shí)程度逐層夯實(shí)填筑，模型尺寸為：長(zhǎng)1.8 m×寬 0.2 m×高 1.7 m。在模型內(nèi)部水平布置19個(gè)壓力盒以監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，在模型側(cè)面布設(shè)260個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。模型干燥后先按現(xiàn)狀邊坡的形態(tài)開(kāi)挖，而后的回采范圍和順序?yàn)椋孩?和ⅤI#礦體在海拔1330 m以上的部分作為覆蓋層，不予開(kāi)采；第1步回采海拔1300～1330 m之間的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第2步回采海拔1300 m～1330 m之間、60°壓礦線以上的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第3步回采海拔1200 m以上、（60～65）°壓礦線之間的Ⅴ#和ⅤI#礦體；第 3步回采海拔 1200 m以上、（60～65）°壓礦線之間的 Ⅴ#和 ⅤI#礦體；第 4步回采海拔1200 m 以上、（65～70）°壓礦線之間的 Ⅴ#和 ⅤI#礦體；第5步回采海拔1300 m至露天坑地的ⅤIII#礦體；第6步回采海拔1250～1300 m至露天坑地的ⅤIII#礦體。模型開(kāi)采方案布置如圖16所示。

圖16 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蓤?chǎng)開(kāi)挖方案

試驗(yàn)結(jié)果顯示，Ⅴ#和ⅤI#礦體按70°移動(dòng)角回采至1200 m后，短期內(nèi)邊坡巖體崩落對(duì)倮密路回頭彎處不產(chǎn)生影響；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的發(fā)展，其巖移變形范圍將包括倮密路回頭彎處；上盤(pán)巖體崩落顯現(xiàn)一定的突發(fā)性，符合反傾巖石邊坡破壞特征[28]；ⅤIII#礦體回采至1250 m時(shí)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性不產(chǎn)生明顯影響。第6步回采后模型中應(yīng)力變換情況見(jiàn)圖17。模型開(kāi)挖與變形存在著一定的時(shí)間效應(yīng)。

圖17 模型在第6次開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)變化

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)狀邊坡具有一定的穩(wěn)定性，即露天采礦至 1300 m的條件下，露天邊坡具有穩(wěn)定性，坡頂倮密路的運(yùn)行是安全的；

（2）FLAC3D、3DEC以及相似模擬試驗(yàn)結(jié)果均顯示：回采 1200 m以上礦體，露天坑西北邊幫會(huì)發(fā)生變形破壞，且破壞范圍包含了坡頂倮密路回頭彎；

（3）受斷層 F317和 F316的阻隔作用影響，西北幫邊坡移動(dòng)破壞局限在F317以東，對(duì)露天坑西側(cè)的倮密路段不構(gòu)成威脅；

（4）數(shù)值模擬和相似模型各具優(yōu)點(diǎn)，數(shù)值模擬可以給出數(shù)值上更為精確的巖體移動(dòng)范圍和破壞程度，相似模擬試驗(yàn)則可以顯現(xiàn)出反傾邊坡破壞特征和巖體移動(dòng)破壞具有的時(shí)間效應(yīng)，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為吻合。