露天轉地下開采引起露天采場邊坡垮塌數值模擬研究①

姜安民， 董彥辰， 江學良， 熊奇偉， 王飛飛

（1.湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411100； 2.中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004； 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 4.長沙礦山研究院有限責任公司 金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

隨著礦產資源需求量增加，深部礦體資源開采逐漸被重視，很多原先采用露天開采的礦山逐漸轉為地下開采［1］，由此產生一系列露天采場邊坡穩定性問題［2-3］，如地表塌陷［4］、邊坡滑坡垮塌［5］等。 已有多位學者開展了露天轉地下后露天采場穩定性的研究工作［6-11］。 通過分析已有研究內容可知，露天轉地下開采會對露天采場邊坡穩定性產生不利影響。 不同礦山地質條件差異較大，因此急需對背景礦山開展地下開采對露天采場邊坡穩定性的影響研究。 本文以某金屬礦山露天轉地下開采引起露天采場邊坡滑塌為研究背景，采用三維數值模擬研究方法研究了礦體開采過程中圍巖塑性區發展過程，并分析了圍巖塑性區分布的變化規律。 研究結果可為礦山滑坡治理提供參考。

1 礦山概況

某金屬礦山礦區內主要地層巖性有白云巖、砂巖、礦體及黑破巖。 礦區有斷層構造多條，對礦體開采產生影響的主要有2 個斷層，影響較大的1 個斷層北西走向，長度與寬度規模較大，斷層帶巖性分布不規則，巖石風化破碎嚴重，且含有較多泥質，易透水。 斷層在露天采場的北部邊坡區域出露，斷層帶穿過的邊坡目前均產生不同程度的變形垮塌現象。

井下礦體開采以11 線為界劃分為東西2 個采區。設計開采中段高度60 m，依據礦體實際情況，設計了5個開采中段。 礦山西部礦體采用底柱分段崩落法開采，東部礦體采用充填法開采。

礦山西部井下采用底柱分段崩落法開采礦體，導致西部采空區上覆巖層隨著時間推移不斷崩落垮塌。在開采擾動、巖體節理面、巖層孔隙水滲流等因素耦合作用下，采空區上覆巖層既有裂隙不斷損傷劣化擴展，多次循環演化，新的巖層裂隙不斷形成與擴展至近地表巖層，最終導致地表出現裂縫、西部露天采場邊坡發生滑坡。 露天采場邊坡底部出現孔洞，地表巖土不斷灌入井下。

2 數值模擬研究

2.1 三維力學分析模型

采用犀牛軟件與FLAC3D聯合完成整體礦山三維模型建立，包含礦山地表地形、礦體賦存形態及巖層的FLAC3D三維數值力學分析模型。

為了更精確地模擬井下礦體開采過程，建立的三維模型在兼顧計算精度的同時，仍要考慮計算機計算能力，過精密的網格將耗費大量計算時間。 綜合考慮，選取合適的模型尺寸為：長1 152.43 m、寬886.88 m、高395.65～1 065.10 m。

2.2 模型計算參數

從現場采集了巖石樣品，開展了室內巖石力學試驗，得到白云巖、砂巖、礦體及黑破巖的巖石力學參數，然后采用各種工程折減后獲得礦巖體力學參數。 充填體力學參數參考項目研究所依托的礦山充填體試驗數據。 礦巖體及充填體力學參數見表1。

表1 礦巖體及充填體力學參數

3 數值模擬結果分析

為了研究地下礦體開采引起露天采場邊坡滑塌形成機制，模擬了多個開采水平礦體的開采過程。 西部礦體從2 064 水平開采到2 004 水平，東部礦體從2 064 水平開采到1 884 水平。 通過提取數值模擬開采不同水平的塑性區、地表塑性區與井下塑性區分布，對比每個水平塑性區的變化，可以獲得地下礦體開采對露天采場邊坡垮塌與露天采場底部孔洞產生的影響規律。 具體塑性區分布見圖1。 由圖1 可知：①開采2 004 水平之前，隨著西部礦體的開采，形成的采空區體積不斷擴大，采空區圍巖的塑性區不斷擴大，且影響到采空區上覆巖層的穩定。 采空區上部巖層主要以拉伸破壞模式為主，采空區其他部位巖層主要以剪切破壞為主，且靠近西部邊坡坡面的一側已經與邊坡塑性區相互貫通，說明開采到2 004 水平后，露天邊坡西部已經出現垮塌滑坡災害。 ②東部礦體采用充填法開采，在一定程度上控制了地表塌陷。 但由于充填采空區不能完全接頂，亦不能完全控制地表沉降，東部礦體開采后，東部地表同樣出現了塑性區，且主要以拉伸破壞模式為主，不可避免地在露天采場底部產生地表裂縫。 在靠近西部礦體，即邊坡腳部位，產生地表孔洞。從地表可以看出，產生塑性區的部位為西部邊坡和靠近西部邊坡的露天采場底部。 從模型剖面可以看出，產生塑性區的部位為西部采空區圍巖、東部充填體。③2 064 水平、2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平在西部邊坡坡面和露天采場底部產生的塑性區較多。 開采后續水平礦體對地表塑性區的產生影響不大。 主要是因為井下開采對地表產生的影響范圍有限，尤其在東部采用充填法開采礦體，控制了露天采場底部的塌陷。④模擬結果與實際情況相吻合，驗證了數值模擬結果的可靠性。

圖1 開采各水平礦體后塑性區分布

通過提取開采各個水平礦體后的塑性區分布體積，計算出塑性區占整體模型的比例，分析塑性區隨著開采深度的變化規律，結果見圖2。 由圖2 可知，開采過程產生的塑性區可劃分為3 個階段，有兩個突變點，分別在2 046 水平與1 968 水平。 第1 個階段為開采2 064 水平與2 046 水平，因采用無底柱分段崩落采礦法，產生了較大的圍巖塑性區分布，對應到西部邊坡開始出現裂縫、局部垮塌滑坡階段。 第2 階段為開采2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平與1 968 水平，該階段對應到邊坡出現較大范圍的垮塌滑坡，且露天采場底部出現裂縫、西部邊坡腳處出現塌陷孔洞。 第3 階段為開采1 968 水平到1 884 水平，該階段主要開采東部礦體，且采用充填法開采。 第3 階段塑性區占比逐漸增加，沒有出現突變點，說明在東部礦體采用充填法開采，有效控制了礦體圍巖塑性區的產生。

圖2 塑性區占比與開采水平關系曲線

4 結 論

以實際礦山工程案例為研究背景，以圍巖體塑性區分布為研究指標，由得到的數值模擬結果預測了礦體圍巖塑性區發展過程，得到如下結論：

1） 空區上部巖層主要以拉伸破壞模式為主，其他部位巖層主要以剪切破壞為主，西部邊坡坡面的一側已經與地下采空區塑性區相互貫通。

2） 東部礦體采用充填法開采，在一定程度上控制了地表塌陷。 從地表看，產生塑性區的部位為西部邊坡和靠近西部邊坡的露天采場底部；從模型剖面看，產生塑性區的部位為西部采空區圍巖、東部充填體。

3） 開采前期西部礦體在西部邊坡坡面和露天采場底部產生的塑性區較多。 開采后續水平礦體對地表塑性區的產生影響不大。

4） 模擬礦體開采過程，可將產生的塑性區劃分為3 個階段，有兩個突變點。 第1 階段對應西部邊坡開始出現裂縫、局部垮塌滑坡階段；第2 階段對應邊坡出現較大范圍的垮塌滑坡、露天采場底部出現裂縫、西部邊坡腳出現塌陷孔洞；第3 階段塑性區占比逐漸增加，沒有出現突變點。

5） 數值模擬結果與實際情況相吻合，驗證了數值模擬結果的可靠性。