弓长岭露天矿含空区边坡稳定性研究

刘殿军 韩连生 卢晓辉

(鞍钢矿业集团弓长岭矿业公司，辽宁 鞍山 114000)

·采矿工程·

弓长岭露天矿含空区边坡稳定性研究

刘殿军 韩连生 卢晓辉

(鞍钢矿业集团弓长岭矿业公司，辽宁 鞍山 114000)

针对弓长岭露天铁矿含空区边坡稳定性问题，考虑不同大小、位置空区对边坡稳定的影响，利用FLAC和Geo-slope软件，分别模拟3种情况(包括36种情形)下边坡的稳定性：①不含空区；②空区分别位于边坡上部、中部、下部和坡角底部,这些空区距坡面的距离固定，改变空区的宽度；③空区大小确定，改变空区距坡面的距离。通过对比不同宽度、位置空区的边坡塑性区、位移云图和安全系数来分析空区对边坡稳定性的影响规律。结果表明：上部空区的存在有利于边坡整体稳定，但是影响边坡的局部稳定；中部空区的存在对边坡稳定性影响比较复杂，既有对边坡稳定有利的情况，也有对边坡稳定不利的情况；下部空区的存在严重影响边坡的稳定性。该规律对露天开采转地下开采很有借鉴意义。

露天矿 边坡稳定 空区 数值模拟 安全系数

在许多露天矿中，都存在很多非法盗采的采空区，由于受采空区的影响，很多矿区都曾发生过边坡滑动及平台工作面的塌陷，空区的存在严重地影响了边坡的稳定和生产安全[1-4]。多年以来，众多学者对空区的安全稳定和对边坡的影响进行了研究并取得了丰硕的成果。

龚声武等[2]针对夹沟铝矿地下采空区，用FLAC研究了含采空区的露天矿边坡在开挖过程中的应力、位移和安全系数的变化情况。蒋卫东等[3]采用灰色定权聚类方法，以裂缝密度、集中度，采空区数量及顶板厚度为聚类指标对某铜矿地表稳定性进行了分析。韦志兴等[4]探索确定井上和井下开采的爆破参数，使露采和地采能够同时安全进行。李俊平等[5]采用相似模拟的方法，运用平面应力模型对采空区处理而引起地表岩移变化规律进行了研究。柴红保等[6]利用强度折减法分析空区对边坡稳定性的影响规律，认为空区的大小、形态、位置对边坡的稳定都有影响，该规律对地下开采与露天开采转换过程中的边坡工程施工具有一定的实践指导意义。王官宝等[7]根据格尔坷金矿采空区的实际情况，在已有采空区资料的基础上采用钻孔探查法查清了采空区的位置、分布形态、大小，以及冒落情况，并且提出了处理采空区的基本方法和安全技术管理措施，为合理治理采空区和矿山安全生产提供了科学决策依据。朱建新等[8]采用三维激光探测系统对某矿采空区进行探测，获得了空区的三维形态，并用Surpac建立了立体模型；然后运用FLAC对其进行数值模拟，同时获得现场的光弹应力计监测结果，两者结合起来对边坡的稳定性进行了综合分析。万虹[9]提出把原来沿走向均匀布置的矿柱改为不均匀布置,从而提高地下永久性大面积采空区的稳定性。他还提出一套稳定性指标，并结合具体矿山的空区稳定性研究进行了模型实验，验证了新方法的可靠性。

本研究以鞍钢弓长岭露天矿开采为工程背景，采用FLAC2D和Geo-slope软件进行数值模拟，通过对比不同宽度、不同位置空区的边坡塑性区图、位移云图和安全系数来分析空区对边坡稳定性的影响规律。

1 工程概况

弓长岭露天铁矿位于辽阳市弓长岭区，矿区面积4.36 km2，距辽阳市中心30 km。目前生产规模在720万t/a左右，坑底标高为144 m，还没有达到设计标高。由于历史原因，该矿在日伪统治时期遭受大规模采富弃贫不合理的开采，留下了大量的空区。经过探测，发现目前坑底下部存在大量空区，已形成边坡的内部存在少量空区，空区高度最小的有1 m，最大的达到15 m，宽度达到25 m左右，并且目前这些空区处于相对稳定状态。这些空区具有空间大，分层多，分布凌乱等特点。

空区的存在严重地影响矿山边坡的稳定，对矿山人员和大型设备构成严重的威胁，故为了保障矿山安全顺利的生产，亟需对含空区的边坡稳定性进行评价，并深入研究空区对边坡稳定性的影响规律。

2 计算模型及研究思路

2.1 建立模型

经过对矿区资料的收集、整理、分析和现场实际踏勘，选择了一个典型剖面进行分析。该剖面上部标高265 m，底部标高145 m，整体坡高120 m，整体坡角为23.5°，单台阶坡角最大为71.6°，计算模型如图1。

图1 边坡计算模型Fig.1 Calculating model of slope

在数值分析中，主要做以下几种假定：①不考虑岩石裂隙的影响，只考虑空区的影响；②岩体为各向同性、均质、连续体，符合摩尔-库伦弹塑性模型；③计算不考虑时间物理量[10]。

计算模型边界条件：边坡底部所有自由度均被约束，边坡两侧垂直边界的水平向被约束。坡体材料主要为混合岩，密度为2 600 kg/m3，黏聚力为0.275 MPa，内摩擦角为27°，抗拉强度为0.2 MPa,弹性模量为4 300 MPa,泊松比为0.25。

2.2 研究思路

(1)利用Geo-Slpoe计算无空区边坡的安全系数，用Flac模拟边坡的位移云图、塑性区分布图及最大剪应变增量云图。

(2)空区位置固定，改变空区的宽度。用Geo-Slope和Flac软件模拟空区分别位于边坡上部、中部、下部及坡角底部4种情况，空区在边坡的位置如图2所示。每种情况的空区高度均为6 m，空区右边界距离坡面均为40 m，空区宽度分别是6、10、14、18、22 m等5种情形。通过对比含空区边坡与不含空区边坡、不同宽度空区边坡的模拟结果来分析空区对边坡稳定的影响规律。

图2 含不同宽度、不同位置空区边坡模型Fig.2 Slope model of goafs withdifferent width and position

3 空区宽度和位置对边坡稳定性的影响

3.1 无空区边坡稳定性

经计算，边坡安全系数为2.548，边坡内竖向最大位移为0.1 m、横向最大位移为0.15 m、边坡塑性区分布和最大剪应变增量见图3。由模拟结果可知：边坡整体稳定，但存在局部台阶滑坡的危险。

Research on quantitative evaluation method of steel structure quality based on fuzzy matrix

3.2 各不同宽度、不同位置空区边坡稳定性

用Geo-Slope中摩根斯坦-普赖斯极限平衡法(M-P法)计算边坡在各不同宽度和不同位置空区情况下的安全系数，其安全系数和相对无空区边坡安全系数变化率分别见表1、表2、表3。

由表1可知：相对于无空区边坡，空区位于边坡上部时安全系数均有所提高，并且空区宽度越大，安全系数也越大。当空区宽度为22 m时，安全系数最大为1.578，增大率为1.938%。上部空区的存在，减少了下滑坡体的重力，即坡体的下滑力下降，故安全系数有所提高。

图3 FLAC数值模拟结果Fig.3 FLAC numerical simulation results表1 上部空区宽度和边坡安全系数Table 1 The width of goaf and safety factor of slope at top

空区宽度/m安全系数安全系数变化率/%6156410331015681292141569135718157316152215781938

表2 中部空区宽度和边坡安全系数Table 2 The width of goaf and safetyfactor of slope at middle

由表2可知：空区位于边坡中部时，情况比较复杂。空区跨度为6 m和10 m的边坡安全系数相同且均使安全系数增加，而空区跨度为14、18和22 m时，引起边坡安全系数减小，且空区宽度越大，安全系数减少的程度也越大。由此可知：空区位于中部，既可以增加边坡的稳定也可以降低边坡的稳定。当空区的中心位于潜在滑移面之内，则空区的存在相当于减轻滑体的重力，降低滑体的下滑力，提高了边坡的稳定性；相反，当空区的中心位于滑移面之外，相当于减小了滑体的抗滑力，使安全系数降低。

表3 下部空区宽度和边坡安全系数Table 3 The width of goaf and safety factorof slope at lower part

由表3可知，相对于无空区边坡，下部空区的存在降低了边坡的稳定性，并且安全系数随着空区宽度的增加而逐渐减小，安全系数降低率最大为1.486%。空区位于边坡下部，降低了边坡滑动面的抗滑力，故空区越大，滑移面抗滑力下降越大，安全系数降低越多，越不利于边坡的稳定。

当空区位于边坡角底部时，安全系数无变化。由于边坡的整体坡度较缓，使得滑移面没有通过坡角，更没有经过坡角底部，空区位于滑移面之外很远距离，见图4，故未对边坡稳定性造成影响。

图4 坡角底部空区和滑移面Fig.4 The goaf at the bottom of slope and slip plane

3.3 相同空区在不同位置的边坡稳定性

空区在同一水平位置，但是距离坡面的距离不同，对边坡稳定有不同的影响，空区在不同位置所对应的边坡安全系数见图5。由图5可知：空区位于边坡上部时，安全系数经历了先增大后减小的过程，安全系数最大为1.59，最小为1.548，与无空区边坡安全系数相等；空区位于边坡中部时，安全系数经历了先减小后增大的过程，安全系数最大为1.561，最小为1.520；空区位于边坡下部时，安全系数逐渐增大，但未超过1.548。总之，空区位于边坡顶部时，在距坡面一定范围内，空区距坡面越远，越有利边坡的稳定；超过一定范围，空区的存在对边坡整体稳定无影响。空区位于中部时，在距坡面某个范围内，空区的存在有利于边坡的稳定；在距坡面某个范围内，空区不利于边坡的稳定；但是，超过一定范围，空区的存在对边坡整体稳定无影响。空区位于边坡下部时，在距坡面一定范围内，空区的存在不利于边坡的稳定，但是，超过一定范围，空区的存在对边坡整体稳定无影响。

图5 空区在不同位置下的边坡安全系数Fig.5 Slope safety factor of goafs at different position■—上部空区；▲—中部空区；◆—下部空区

图6 上部空区距坡面不同距离的竖向位移云图Fig.6 Vertical displacement contour of goaf at topwith different distance from slope surface

图7 中部空区距坡面不同距离的塑性区分布Fig.7 Plastic zone of goaf at middle with differentdistance from slope surface

空区在中部时，边坡塑性区分布如图7。由图7可知：随着空区距边坡距离的增加，塑性区的范围不断扩大。由于空区的存在，导致了空区附近产生应力集中，故塑性区随着空区向左移动而范围不断扩大，而远离空区的边坡下部和底部则没有出现塑性区。空区在边坡下部时，边坡塑性区分布见图8。由图8可知：塑性区由顶部一直贯通到空区所在的水平位置，且塑性区的范围同样也是随着空区向左移动而逐渐扩大。

图8 下部空区距坡面不同距离的塑性区分布Fig.8 Plastic zone of goaf at lower part with differentdistance from slope surface

4 空区对边坡稳定性影响的综合分析

(1)空区在边坡上部时，当空区位于滑移面之内，则空区的存在有利于边坡的稳定，这是由于空区的存在相当于对滑体进行卸载，减小了滑体的下滑力，故安全系数有所提高；当空区位于滑移面之外，对边坡整体稳定性不产生影响，但是会影响边坡局部稳定。与无空区边坡相比，塑性区分布范围在边坡中部和下部有所减小，但是塑性区范围在边坡上部却随着空区宽度和坡面距离的增大而不断扩大，对边坡上部稳定有不利影响。

(2)空区位于中部时，对边坡稳定性的影响比较复杂。当空区中心在潜在滑移面之内，则空区的存在相当于减少了滑体的质量，减小了滑体的下滑力，故安全系数有所增加，而且，空区跨度越大，边坡的整体稳定性越好；当空区中心位于滑移面之外，则空区的存在相当于降低了边坡的抗滑强度，故安全系数有所减小；当空区完全在滑移面之外，则对安全系数不产生影响。由于应力集中，塑性区分布会随着空区的大小和位置的变化而改变，空区宽度越大，距坡面越远，塑性区分布范围越大，从而导致滑动带变宽。虽然边坡下部没有出现塑性区，但是对边坡上部和中部的稳定性有不利影响。

(3)空区位于边坡下部时，当空区与坡面的距离在某个范围之内，空区的存在降低了滑动面的抗滑能力，且空区宽度越大，安全系数降低越多，越不利边坡的稳定；当空区与坡面距离超过某个范围，安全系数不发生变化。与不含空区边坡相比，塑性区从顶部到空区位置形成了一个贯通区，并且塑性区的范围随着空区宽度的增大而不断扩大，随着空区位置的变化而变化，影响边坡的整体稳定性。

(4)空区位于边坡脚底部时，由于这个边坡的整体较缓(坡角为23.5°)，空区距离潜在滑移面很远，故未对边坡稳定性造成影响。

(5)受应力集中的影响，空区附近的位移较其他部位的位移增大很多。空区附近的位移及坡面附近的位移对空区的大小和位置变化不太敏感，与无空位边坡相比，虽然坡面处的位移有所增大，但是没有随空区的大小和位置的变化而变化很大。

5 结 论

(1)空区位于边坡顶部时，空区距坡面一定范围之内，空区的存在有利于边坡的整体稳定，并且空区跨度越大，安全系数也越大；空区距坡面超出某个范围，空区的存在对边坡的整体稳定没影响。但是，由于上部塑性区范围的扩大，空区的存在不利于边坡上部的稳定。

(2)空区位于边坡中部时，当空区中心在滑移面之内，空区宽度越大，边坡整体稳定性越好；当空区中心位于滑移面之外，降低了滑动面的抗滑强度，不利于边坡的稳定；当空区完全在滑移面之外，对边坡的整体稳定不产生影响。由于空区的存在，导致塑性区中、上部的范围扩大，对边坡上部和中部的稳定性有不利影响。

(3)空区位于边坡下部时，塑性区从顶部一直贯通到下部，且塑性区范围随着空区宽度和距坡面距离的增加而不断扩大，严重影响边坡整体稳定性。

(4)空区位于边坡脚下部时，由于边坡整体坡度较缓，空区距离潜在滑移面很远，故未对边坡稳定性造成影响。现状水平下面存在的空区对边坡稳定影响很小，可以不对其进行专项防护、治理。

(5)由于应力集中作用，空区附近产生较大的位移，但是空区的存在并未对坡面的位移造成很大的影响，而且空区附近位移和坡面位移随着空区大小和位置的变化而变化不大，边坡位移对空区变化不是很敏感。由于应力集中作用，塑性区的范围随着空区宽度的增大而不断扩大，随着空区位置的变化而变化。

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(责任编辑 徐志宏)

Study on Stability of the Slope With Goafs in Gongchangling Open-pit Mine

Liu Dianjun Han Liansheng Lu Xiaohui

(GongchanglingIronMineofAnsteelGroupCorporation，Anshan114000,China)

For the stability of the slope with goafs in Gongchangling open-pit iron mine，the influence of goafs with different size and position was considered. Numerical simulation was carried out by FLAC and Geo-slope software. Three conditions (including 36 cases) of the slope stability were simulated: ①without goaf；②goaf lies in the top, middle, lower part and bottom of the slope and the distance of all goafs from slope surface is fixed, and the width of the goaf is changed；③The size of goafs is fixed, and the distance from slope is changed. Through contrasting with plastic zone，displacement and safety factor of slope with different goafs, the influence law of the goaf on the slope stability was obtained. The results showed that the goaf in the upper slope is beneficial to the overall slope stability，but has influence on the local stability of the slope. The goaf in the middle slope has more complex influence on slope stability，both favorable or unfavorable for slope stability situation. The goaf in the lower part of the slope has serious influence on slope stability. This law has reference meaning in transferring from open-pit mining to underground mining.

Open-pit mine, Slope stability, Goaf, Numerical simulation, Safety factor

2015-09-23

国家自然科学基金项 目(编号：51174208,51034005)。

刘殿军(1972—)，男，矿长，高级工程师。

TD804

A

1001-1250(2015)-11-001-06