民采空区规模对露天矿边坡稳定性的影响分析

孙 亮,党建印

(中铝山西分公司孝义铝矿, 山西孝义市 032303)

民采空区规模对露天矿边坡稳定性的影响分析

孙 亮,党建印

(中铝山西分公司孝义铝矿, 山西孝义市 032303)

结合孝义铝矿边坡下伏民采空区分布特征,建立民采空区边坡三维有限元模型,分析了民采空区规模对边坡位移场、最大应变、最大主应力和最小主应力的影响。结果表明:民采空区规模对边坡主应力的影响非常显著,民采空区规模越大,民采空区顶板拉应力集中程度越高,民采空区和边坡在外力扰动下越容易发生破坏;民采空区规模越大,边坡竖直方向位移越大,民采空区规模对边坡最大主应变的影响并不明显。

边坡稳定性;采空区;位移;应力集中;数值模拟

0 引 言

随着经济发展对矿产资源的强劲需求,原来不太引人注意的采空区残存资源也日益受到世人关注。据不完全统计,这部分资源量目前已占我国金属资源总量的1/3,该部分资源将成为我国矿业发展的重要接替资源。由于铝土矿资源埋藏较浅,孝义铝矿民采盗采盗挖现象十分严重,在保证边坡稳定和生产安全的前提下,最大限度地回收利用边坡下伏民采空区残存矿产资源成为亟待解决的难题。

民采空区的规模、产状走向、尺寸跨度、相对位置等要素直接影响露天矿山边坡的稳定性。国内外关于此领域的研究主要涉及产状走向、尺寸跨度、相对位置等要素,很少有学者开展民采空区规模大小对边坡稳定性的影响,同时,在分析时,仅仅将民采空区问题简化为二维平面应变问题,忽略了民采空区和边坡的三维力学效应,分析结果与现场工程实际尚有一定的差距,指导性不强。

因此,结合孝义铝矿边坡下伏民采空分布特征,建立民采空区边坡三维有限元数值模型,研究民采空区规模对露天矿边坡稳定性的影响,对保障该部分残存资源开采过程的安全具有十分重要的现实意义。

1 孝义铝矿边坡下伏民采空区分布调查

孝义铝矿边坡下伏民采空区的存在使矿体完整性遭到严重破坏,给矿山正常生产带来前所未有的挑战,同时导致一系列环境地质问题,见图1。

根据现场已经揭露的民采空区来看,孝义铝矿边坡下伏民采空区的分布特征如下。

(1)主要呈条状分布在矿产层,空区高度不超过矿体厚度。

(2)采用不正规全面采矿法开采,为节约成本,一般无支护设施,依靠空区围岩自身调整应力分布,维持平衡状态。

(3)空间形态各异,规模大小不一,空区跨度不超过10 m,长度不超过100 m。

(4)空区走向与边坡走向存在3种位置关系:空区走向与边坡走向平行;空区走向与边坡走向斜交;空区走向与边坡走向垂直。

2 数值模型的建立

在现场调查和矿山地质资料分析的基础上,根据边坡体的地质条件,实现露天矿边坡三维地质模型的建立和数值计算,具体步骤如下:

(1)根据露天矿边坡的开采设计CAD图,导入3DMINE矿业工程软件,选取分析范围,提取范围内相应关键点的坐标,包括边坡表面地形地貌、岩层分层界面等;

(2)根据选好的关键点,利用SUFER绘图软件强大的数据处理功能对关键点进行插值,生成与矿山地形及岩层分层情况相吻合的3D表面模型;

(3)通过编写FISH应用程序代码,导入FLAC3D软件,自动转换成构筑模型的整体功能信息,再导入有限元软件ANSYS,建立分析范围内的地质体模型;

(4)在ANSYS中对模型进行网格划分,施加边界约束和重力荷载,研究民采空区对边坡稳定性的影响。

主要分析自重作用下,民采空区规模对边坡稳定性的影响,模型分析范围为280 m×260 m,最高标高为1210 m,最低标高为1142 m,边坡高度为48 m,岩层倾角与矿体倾角一致,为5°,各岩层岩体力学参数见表1。每级台阶高度均为12 m,第1级台阶的阶段边坡角为45°,第2～4级台阶的阶段边坡角为65°,总的边坡角为42.7°。

民采空区的存在形成了新的变形空间,造成的边坡整体变形趋势可能会导致边坡向不利于稳定的方向发展。为了分析民采空区规模对边坡稳定性的不利影响,建立了4种走向相同(与边坡走向斜交)、规模(体积)不同的民采空区模型来研究边坡变形位移和应力的变化。图1为4种不同规模的民采空区模型,为便于分析计算,民采空区空间形态为长方体,高度统一为2.5 m,通过改变民采空区跨度和长度来体现民采空区体积的变化。

表1 计算模型岩体力学参数

图1 4种不同规模的民采空区模型

民采空区体积计算依据长方体体积计算公式,其参数见表2。

采用六面体单元solid95对模型进行网格划分,划分的单元数为37544个。根据现场调研结果,在模型X、Y方向的边界面两侧节点分别进行位移约束,底面节点施加X、Y、Z 3个方向位移约束。计算过程中,只考虑边坡在自重作用下的稳定性,因此,在Z方向施加反向重力加速度。选择ANSYS结构静态分析,设置大变形进行求解计算。

3 自然状态下边坡稳定性分析

无民采空区时,边坡X方向和Y方向最大水平位移分别为1.0128 cm和0.982 cm,发生在边坡上部的黄土层,Z方向最大垂直位移为-5.8669 cm,发生在坡顶;边坡最大主应变为0.001974,发生在边坡上部黄土层且为正值,表示黄土层受到拉应力的作用,边坡下部岩体由于变形模量较大,产生的最大主应变较小。边坡应力场分布为:边坡体表面覆盖层出现拉应力(受压为负,受拉为正),最大值约为0.099 MPa,边坡表层黄土可能出现微小拉裂纹;最大拉应力为0.474 MPa,出现在边坡坡脚部位;边坡下部岩体处于受压状态,最大压应力为1.95 MPa,出现在边坡底部后缘。对比边坡岩体力学参数,边坡位移和最大主应变较小,最大拉应力、最大压应力均处在极限强度范围内,边坡处于稳定状态。

数值计算表明,当边坡处于自然状态条件下,X和Y方向最大水平位移分别为1.02×10-2m和9.93×10-3m,位移变形主要发生部位为上部的山西绵黄土层;Z方向的垂直最大位移为-5.87-2m,位移发展区主要在边坡的顶部;边坡最大主应变为1.974×10-3MPa,发生在边坡上部黄土层且为正值,表示黄土层受到拉应力的作用,边坡下部岩体由于变形模量较大,产生的最大主应变较小。

应力场计算表明,模型表面出现拉应力集中区,最大峰值约为9.9×10-2MPa,微小拉裂纹出现在山西绵黄土层;边坡坡脚部位也出现次生拉应力集中区,最大峰值约为4.74×10-2MPa;边坡底部后缘同时出现压应力集中区,最大压应力为1.95 MPa。综合分析表明,边坡变形的位移、最大主应变、最大拉应力、最大压应力等参数均处于安全范围内,边坡处于自然平衡状态。

4 民采空区规模对边坡稳定性的影响

4.1 位移和最大主应变的影响

民采空区存在条件下,边坡各轴向位移和最大主应变随空区规模变化的曲线如图2～图5所示。对比无民采空区边坡的情况,不同规模民采空区的存在,均使边坡各个方向的位移有所增加。民采空区体积越大,边坡Z方向位移越大,当民采空区体积为1050 m3时,边坡Z方向位移最大为5.8684 cm,至上而下位移呈递减规律。同时,4种规模的民采空区均使边坡最大主应变降低,且降低幅度基本相同,即民采空区规模对边坡最大主应变的影响并不明显。

图2 X方向最大位移变化曲线

图3 Y方向最大位移变化曲线

由此可见,民采空区规模对坡体位移产生一定影响,但影响不大,不同规模民采空区的存在没有改变坡体位移的整体分布规律,究其原因主要是民采空区所造成坡体位移的改变取决于重力载荷、岩体力学特性以及采空区规模,该边坡的岩体变形模量较高,而民采空区范围相对于坡体的实际尺寸而言较小,尚不足以对坡体位移产生很大改变。

图4 Z方向最大位移变化曲线

图5 最大主应变变化曲线

由此可见,目前孝义铝矿不同规模的民采空区没有从根本上改变坡体位移场的整体分布,对坡体位移的影响尚处于可控状态,边坡总体上处于安全状态。如果民采空区的规模进一步扩大,需进一步分析。

4.2 最大、最小主应力的影响

民采空区规模不同时,边坡主应力数值分布如图6和图7所示。

图6 最大主应力变化曲线

图7 最小主应力变化曲线

由图6、图7可知,民采空区规模对边坡主应力的影响非常显著。边坡最大主应力为拉应力,出现在民采空区顶板,民采空区规模越大,民采空区顶板拉应力集中程度越高,民采空区和边坡在外力扰动下越容易发生破坏:当民采空区体积为500 m3时,顶板最大拉应力为0.603 MPa,当民采空区体积为600 m3时,顶板最大拉应力为0.632 MPa,当民采空区体积为750 m3时,顶板最大拉应力为0.965 MPa,当民采空区体积为1050 m3时,顶板最大拉应力为0.991 MPa;边坡最小主应力为压应力,出现在边坡底座后缘,且随着民采空区规模的增大而增加,当民采空区体积为1050 m3时,最大压应力为5.64 MPa。最大、最小主应力随空区规模的变化趋势一致。

拉应力集中的范围主要在空区围岩附近,没有大范围增加,且拉应力值最大不超过1 MPa,小于铝土矿石的极限抗拉强度,而最大压应力远小于岩体抗压强度,边坡整体仍处于稳定状态。

5 结 论

民采空区规模是影响露天矿边坡稳定性的重要因素之一,根据孝义铝矿边坡下伏民采空区分布特征,建立民采空区边坡三维数值模型并进行有限元计算,得出如下结论:

(1)民采空区规模越大,边坡Z方向位移越大, 4种规模的民采空区均使边坡最大主应变降低,降低幅度趋势基本相同;

(2)民采空区规模越大,顶板拉应力的集中程度越高。

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2012-06-11)

孙 亮(1971-),男,山西交城人,工程师,主要从事采矿技术及管理工作,Email:xylksl@163.com。