露井同期开采作用下边坡应力演化机制及其稳定性探究
时间：2023-02-13 11:35:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙世国 宋 辉 王 佳
（北方工业大学，北京 100144）
由于我国资源储备丰富，且各类资源赋存条件的多样性，决定了我国资源开采存在多种开采方式。单一开采方式的弊端日益凸显，因此大多数矿山选择采用露井同期开采的方式，它将露天采矿和井工采矿有机结合起来，实现优势互补，不仅减少了资源浪费，而且提高了经济效益，解决了当前社会急剧增长的资源需求问题［1-5］。
露井同期开采属于复杂岩层结构承受复杂受力过程的岩石力学难题，探讨露井同期开采条件下边坡应力演化机制规律，寻找合理的开采推进方向和空间位置对应关系，得到最佳开采方案，可对类似开采方法的安全设计提供依据，具有重要的科学价值［6-7］。此外，在露井同期开采作用下，边坡岩体将受到2种采动效应的叠加作用，其应力演化机制更为复杂［8-9］，如何确保边坡安全显得极为重要，一旦出现失稳等情况，将直接威胁到作业人员的生命安全和矿区的安全生产，所以研究露井联采下的边坡稳定性意义深远［10-11］。
笔者以紫荆山金铜矿开采为例，对受露井同期开采作用的边坡进行数值模拟研究，得到边坡应力场及位移场演变规律，继而对边坡破坏机制进行分析，最后对边坡稳定性进行评价。
1．1 矿区工程概况
紫金山金铜矿为特大型有色金属矿床，根据现场矿体的勘察资料显示，矿体蕴含金含量达305 t，铜量更是高达300万t以上。矿区地层主要分布于外围地区，地层主要出露白垩系、上泥盆统-石炭系、震旦系。
1．2 边坡数值模拟模型的建立
根据紫金山采场边坡的岩土结构和工程地质条件及相关地震资料可知，采区抗震设防烈度为VII度，地震加速度为0.05 g，因此在边坡稳定性计算中需考虑地震对边坡体的影响。采场平面示意图如图1所示。参数选取如表1所示。
图1 采场平面示意图
表1 采场岩土体物理力学参数表
从图1中可以看出，A-A剖面作为研究对象。
表1中，I1为中微风化中细粒花岗岩，I2为中风化中细粒花岗岩，II1为中风化中细粒花岗岩，II2为中风化中细粒花岗岩，III为中强风化中细粒花岗岩，IV为强风化中细粒花岗岩。
紫金山金铜矿深部矿体的设计方案如下：露采到终了设计边坡境界线至+100 m水平后，优先对于0，-10，-50，-100 m 4个中段的开采进行研究分析。笔者以采区位于坡脚处边坡开采建立三维模型为例进行分析。边坡开采三维数值模型如图2所示。
图2 边坡开采三维数值模型
根据开采坡脚矿体的数值模拟结果，随着开采的不断进行，井工采动效应增大，采区上覆岩体开始向采场滑移，坡中和坡脚区下沉值较大，进而上覆岩体的滑移沉陷使边坡角不断增大，最大水平位移达到0.725 m；
应力集中现象随开采的不断进行越来越显著，逐渐由左下角扩展至其他3个边角区域，当沿倾向开挖120 m时，最大应力值达到6.33 MPa，如图3所示。
图3 沿走向开挖120 m XZ平面剪应力变化色谱图（单位：Pa）
塑性区范围随开挖长度增加而增大，当沿走向开采长度为100 m时，采动产生的塑性区与地表裂隙带贯通，采空区上覆岩体易发生塌落，进而影响边坡稳定性，如图4所示。
图4 沿走向开挖100 m YZ平面塑性区变化色谱图
此外，当坡脚区充分开采后，原岩受到上覆岩体滑移变形作用，产生大量裂隙和节理，岩体的岩性必然会降低，采空区上覆岩体失稳的可能性增大，边坡不同区域应力重新分布，开采区正上方的坡面处应力值接近于0，且开采区正上方 +100 m 水平，+60 m处应力值也较小。因开采区域右侧有反倾断裂带，随着开挖长度的增加，导致沿倾向方向开采区上侧和右侧岩体同时出现应力集中，且岩体应力呈w型分布，如图5所示。
图5 采后边坡不同区域应力变化规律
在露天和井工开采还未开始之前，原岩应力状态为｛σ0｝，在露天开采引起的总应力变化为｛σL｝，当边坡岩体达到重新稳定后，应力场变为｛σ1｝＝｛σ0｝+｛σL｝。地下开采所引起的应力变化更加复杂，地下开采共分为6步，每步沿倾向开挖20 m，第1步沿倾向开挖20 m所引起的应力变化为｛σD1｝，此时在两者共同作用下，采动影响域内边坡岩体的应力场变为｛σ2｝＝｛σ1｝+｛σD1｝；
接下来第2步沿倾向开挖20 m所引起的应力变化为｛σD2｝，此时采动影响域内边坡岩体应力场为｛σ3｝＝｛σ2｝+｛σD2｝；
之后由于第3步至第6步开挖，应力场产生的变化分别为｛σD3｝，｛σD4｝，｛σD5｝，｛σD6｝，则上覆岩体内的最终应力场为｛σ7｝＝｛σ6｝+｛σD6｝，最终构成了一个复合状态叠加体系［12］2。由于地下矿体连续开采所导致的+60 m水平（3线）沉陷变化曲线如图6所示。
图6 开挖推进过程+60 m水平（3线）沉陷变化曲线
3．1 露井同期开采作用下边坡破坏机制分析
在露天和井工开挖作用下，原岩石体的应力平衡状态被打破，应力进行重新分布，生成新的边坡轮廓线和应力分布场，边坡体重新达到相对平衡状态［13］。
从变形特征来看，露天和井工开采2种采动效应的相互作用叠加在影响范围内不同的空间单元上，在其不同的空间位置上合成矢量的方向和大小是不同的。在露天开采和井工开采2种作用效应下，边坡岩体所产生的位移矢量分别为ui，wi，两者叠加后的合成矢量为vi，如图7所示，合成矢量的方向由2种采动效应的相对影响大小具体决定。随着地下采区开挖不断进行，开挖量达到一定级别后，由于2种采动影响大小和方向在空间位置上不同，导致主断面内p1，p2，p3点合成矢量方向不同。边坡体内位移矢量变化有如下特点：从井采区下山方向至上山方向，2种采动效应产生的夹角逐渐增大，在经过主断面后，2个矢量之间的夹角在某一位置后将大于90°，此后两者作用效应开始抵消，合成矢量逐步减小［14］。
图7 坡脚区域沿倾向3种开采长度图
当开挖达到一定深度时，露天采动影响逐渐减弱并最终消失，岩体变形主要受地下采动效应的影响，此时地下采动效应对合成矢量方向的影响起决定作用［12］3。
3．2 井工开采对边坡岩体的影响
井工开采易导致上覆岩体的力学强度大幅度降低，进而导致地表移动沉陷、围岩失稳等地质现象。当采空区面积扩大到一定量级时，处于井工采动扰动范围内的周围岩体发生应力集中现象，岩层移动波及地表，围岩体会产生一定程度的破坏，地表将发生一定程度的沉陷和水平移动，导致大量沉陷带和张拉裂缝的生成，在强降雨过程中大量的雨水渗入，岩土体的强度指标会降低，此外岩土体介质的弹性模量和断层或弱层介质的强度也随之降低，导致原生岩体结构发生改变，进而岩土体原有的完整性被改变，边坡岩土体强度进一步降低［15］。
3．3 边坡稳定性评价
坡脚区域沿倾向3种开采长度图详见图7，其中在坡脚区域开采第1阶段（见图7（a）），上覆边坡岩体受到2种采动效应的叠加作用，且合力作用线与边坡间的夹角较小，易诱发边坡浅层滑坡；
随着工作面开采的推进（见图7（b）），采空工作面长度增大，井采效应对上覆岩体的破坏影响占主导作用，且合力作用线与边坡间的夹角增大，上覆边坡岩体位移矢量方向指向采空区，其中上盘下部边坡角减小，有利于该区域边坡的稳定性，上盘上部坡角增大不利于该区域边坡稳定性；
当工作面长度大到一定程度时（见图7（c）），所有合成矢量均指向采空区，整体坡角变小，从而有利于边坡稳定性。
边坡岩体滑移变形后边坡岩土体物理力学性质减弱，进而边坡体的岩层参数进行强度折减，A-A剖面危险滑体位置如图8所示。
图8 A-A剖面危险滑体位置图
在选定最危险滑移的基础上，利用Morgenstern-Price（摩根斯坦 -普拉斯）法、Janbu（简布）法、Bishop（毕肖普）法和Ordinary（瑞典条分）法对采区边坡进行稳定性评价，评价结果如表2所示。
表2 边坡稳定性评价结果
笔者结合工程实例首次系统揭示了地下采空区对边坡稳定性的影响机理，并系统研究了采空工作面长度3种变化区对边坡稳定性的影响与破坏机制，其中在坡脚区域开采初期，采空区上覆岩体受到的合力作用线与边坡间的夹角较小，坡中和坡脚区开始下沉，边坡角不断增大，边坡稳定性降低。随着工作面开采的推进，采空区面积不断增大，井采效应对上覆岩体的破坏影响占主导作用，且合力作用线与边坡间的夹角增大，坡中和坡脚区下沉值持续增大，上盘下部边坡角减小，有利于该区域边坡的稳定性，上盘上部坡角增大不利于该区域边坡稳定性。当沿走向开采长度为100 m时，井工采动产生的塑性区与地表裂隙带贯通，采空区上覆岩体易发生塌落，坡脚区域开采完成后，2种采动效应的合成矢量均指向采空区，整体坡角变小，从而有利于边坡稳定性。
根据稳定性评价结果可知，当采区位于坡脚区域时，使用4种评价方法得到的稳定系数平均值为0.879，由此可判定，边坡处于不稳定性状态。综上研究，此类采矿工程的开采方案，应从坡外侧向边坡一侧开采推进，可有效控制边坡的稳定性，避免产生滑坡破坏。
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