露天转地下开采诱发高边坡滑移机制研究

孙世国 郭炜晨 刘文波 郭 珮 董彦飞

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

·安全与环保·

露天转地下开采诱发高边坡滑移机制研究

孙世国 郭炜晨 刘文波 郭 珮 董彦飞

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

露天转地下开采过程中边坡稳定问题是矿山安全生产的关键技术和核心难题之一。以工程实例为基础，应用离散元数值模拟，选取合适的力学参数，运用3DEC、Matlab等软件系统，分析了地下开采对高大边坡稳定性的影响机制、滑移特点和后续变形发展趋势。研究结果表明：受露天与地下开采两者的复合采动作用的影响，滑移变形产生了叠加作用，地表的下沉曲线形成多个大小不同的下沉盆地，导致不同区域边坡岩体变形破坏程度也不同。根据数值模拟结果可知：地下采区的不同开采阶段诱发的移动角大小不同，开采厚度不同，上覆岩体的破坏程度也不同。所以，露天转地下开采中，边坡稳定性主要受到采空区处理方式和开采厚度等多重因素的影响；在边坡稳定性评价时，需要结合具体开采情况进行分析和评价。

高陡边坡 露天转地下 离散元 3DEC 边坡稳定

边坡稳定性是我国岩土工程研究中的一个热门课题。我国有许多采用露天转地下开采的矿区[1]，在露天转地下开采过程中，边坡会前后受到2次采动(露天开采+地下开采)影响，且第2次扰动影响会诱发边坡产生滑移变形或破坏。边坡受到2次开采影响的综合叠加作用，称为复合开采效应[2]。而在复合开采效应影响下，对边坡进行稳定性分析时，应充分考虑2次采动所产生的综合作用[3]。由于在露天转地下开采过程中，地下采空区会对上覆边坡稳定性造成影响[4-6]，因此需要控制采空区对其影响程度。本研究运用更适合节理岩土应力分析的离散单元法[7]，以紫金山金铜矿为工程依托，模拟采空区采用不同处理方法时上覆岩体的变形破坏，并总结露天转地下开采时的边坡滑移变形规律，对边坡稳定性评价进行综合评判，对实际工程具有指导意义。

1 工程概况

紫金山金铜矿是我国的一个特大型金铜矿[8]。设计紫金山金铜矿露天采场上口面积约1 450 m×1 500 m，下口(采坑底)面积约80 m×90 m，终了边坡东帮最高标高为+1 012 m，采场底标高+100 m，最大高差达912 m。紫金山铜矿所处区域构造活动十分强烈，以北西向和北东向为主，是本区的控岩控矿构造。北西向断裂总体走向300°～329°，倾向南西或北东，倾角40°～80°，是本区重要的控岩控矿构造。北东向构造总体呈北东走向的“S”形，向南西倾状，轴面倾向北西，由震旦系组成其核部，两翼主要为上泥盆统和石炭系。两侧相伴有官庄—珊湖、庙前—旧县复向斜，与褶皱相平行的北东走向断裂十分发育，紫金山矿田即位于该背斜核部的西南端。断层主要为北东向断裂，走向40°～50°，倾向北西或南东，属基底断裂[9-11]。

2 计算模型与参数

计算模型如图1所示。本次数值模拟所采用的力学参数取自岩石力学实验结果，并充分考虑了以往紫金山金铜矿地质勘探中所记录的力学参数，具体力学参数如表1所示。

图1 紫金山金铜矿三维离散元计算模型

表1 紫金山金铜矿岩体力学参数

3 空区处理对高边坡稳定性的影响

边坡稳定性分析采用3DEC软件进行数值模拟,如图1所示。将地下采区开挖分3个阶段:分别从+30 m开采至0 m阶段、-50 m阶段和-100 m阶段；地下开采模拟计算按采空区充填和不充填2种开采方式进行：第1种是采空区按崩落处理，第2种采空区采用尾矿充填。选取5-5剖面(见图1)，其地下开采步骤如图2所示。

图2 地下开采步骤

根据2种开采方法下的数值模拟结果，提取三维模型表面节点和不同开采阶段的边坡水平位移和竖直位移数据导入Matlab，可得出紫金山金铜矿+30 m开采至-100 m阶段三维下沉盆地位移色谱图，如图3所示；在每次开挖过后，沿各剖面提取边坡岩体坡顶至坡脚的关键点的竖直位移值，可画出边坡岩体在地下开采过程中的下沉曲线对比图，如图4所示。

图3 +30 m开采至-100 m阶段三维下沉盆地位移色谱图

图4 沉降曲线变化规律

由图4可以看出，崩落法采空区对边坡岩体下沉的影响远大于露天开采的影响。当地下开采由+30 m开挖至-100 m阶段时，采空区上覆岩体最大下沉值为-7.68 m，其中坡顶最大下沉值为-1.95 m；地表的变形破坏比较剧烈，采场地表最大沉降出现于采空区上方，对露天采场边坡的稳定性有很大影响，需要采取相应的治理措施。而采用充填法处理采空区时，从填充开采整体三维下沉位移云图和水平位移云图(图3(b))可以看出，采用填充开采时最大下沉区域出现在东帮，由于采用填充法所以地表下沉区域和下沉量显著变小，且最大下沉位置向坡顶移动。根据填充后的边坡体顶部各监测点位移曲线变化(图4(b))可以看出，填充采空区开采时地表的最大下沉位移为-0.34 m，远小于崩落采空区开采产生的沉降，因此，充填开采方法对边坡稳定性影响相对较小。

4 位移场变化分析

取5-5剖面如图1所示，采用不同开采方法时其位移场对比如图5所示，可以看出采用崩落法处理采空区时，边坡岩体的移动值是充填法的22.6倍，说明采区充填与否，上覆岩体的破坏程度差异非常大。开采厚度不同其影响也不同，厚度越大其影响也越大，开采一、二、三阶段的移动影响角分别为51°、47°和43°，说明移动开采厚度大，其对地表的影响范围也越大，从而对边坡稳定性的影响范围也越大，从数值模拟结果来看，采空区影响范围基本覆盖整个边坡岩体(图5)。可以看出由+30 m开采至0 m阶段时，部分边坡岩体已经开始失稳变形，由+30 m开采至-100 m阶段时，采空区上覆岩体发生大面积的失稳变形破坏。而从采用充填法开采时的位移场可以看出，充填之后地下采空区对露天边坡体的影响大幅度的降低；从模拟结果来看，从+30 m开采至-100 m阶段时，边坡岩体局部才产生破坏(图5(b))，且破坏程度远小于崩落法开采，说明充填法是控制联合开采中边坡稳定程度的最有效的手段。

图5 +30 m至-100 m开采阶段5-5剖面位移对比

5 结 论

(1)针对复杂工程地质条件高陡边坡，采用了节理裂隙的离散元分析模型，解决非连续介质模拟问题，并在建立模型时充分考虑特殊工程地质条件和接触面参数，为建立符合现场实际的模型提供了理论基础。

(2)在露天转地下开采过程中，由于两者的复合作用，地表的下沉曲线是2次开采所造成的滑移变形的叠加结果。所以，在下沉盆地中产生了多个大小不同的下沉盆地，不同区域边坡岩体滑移变形与破坏程度也不同。

(3)通过数值模拟研究，高陡边坡在地下有采空区存在的情况下，不同开采阶段的移动角大小是不同的。说明开采厚度不同，其对上覆岩体的破坏程度是不一样的，在边坡稳定性评价时需要结合具体情况进行分析。另外，采空区的处理方法不同，其移动量差距非常大，对于重要区段的边坡必须采取充填方法，以确保边坡的稳定性。

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[6] 袁海平，王继伦，赵 奎，等.采空区形态对地表塌陷分布影响研究[J].金属矿山，2011(11)：25-28. Yuan Haiping，Wang Jilun，Zhao Kui，et a1.Study on the goaf form influence on distribution of surface subsidence[J].Metal Mine，2011(11)：25-28.

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[11] 饶运章,柴 炜,黄奔文.ANSYS数值计算在紫金山金铜矿矿柱稳定性分析中的应[J].黄金,2008,29(7):22-26. Rao Yunzhang，Chai Wei，Huang Benwen.ANSYS numerical calculation of ore pillar stability in Zijinshan Gold-copper Mine[J].Gold,2008,29(7):22-26.

(责任编辑 徐志宏)

Study on High Slope Sliding Deformation Mechanism induced by Transiting from Opencast into Underground Mining

Sun Shiguo Guo Weichen Liu Wenbo Guo Pei Dong Yanfei

(SchoolofCivilEngineering，NorthChinaUniversityofTechnology，Beijing100144，China)

The slope stability during transition from opencast into underground mining is one of the key techniques and the core issues in safe mining production.Based on engineering project，the numerical simulation analysis of discrete element method is applied to select appropriate mechanical parameters.With the use of 3DEC，Matlab and other software systems，the slope stability，slip deformation characteristics and follow trends of high slopes at underground mining are analyzed.As the result，Due to the combined impact of both underground mining and open-pit mining，the surface subsidence curves show as multiple sink basins of different sizes under superposition，so the rock slope deformation extent at different regions are different.According to the results of numerical simulation，the mining-induced displacement angle at underground mining area are different at the different exploitation stage，indicating that with different mining thickness，the damage level of the overlying rock is different.So during the transition from opencast into underground mining，the slope stability is mainly impacted by multiple factors such as goaf treatment and different mining thickness.Furthermore，the slope stability evaluation requires a combination of the specific circumstances of the mining.

High and steep slope，Transition from open pit to underground mining，Discrete element method，3DEC，Slope stability

2015-03-02

国家自然科学基金项目(编号：41172250)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAK09B06)，北京市创新团队提升计划项目(编号：IDHT20140501)。

孙世国(1961—)，男，教授，博士研究生导师。

TD853

A

1001-1250(2015)-05-162-04