露天转地下开采不同坡高影响下覆岩采动响应特征研究

罗 浪 李小双 王运敏

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

磷矿是我国重要的战略资源，自上世纪50年代开始，经过数十年持续高强度的开采，绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段，大部分矿山正在或者已经转入深凹地下开采。露天矿进入深凹开采阶段后，一方面采场水平不断延深，采场作业尺寸逐渐缩小，工作宽度变窄，运输效率降低；另一方面露天边坡越来越高，边坡控制和管理的难度愈加困难，对安全生产的威胁日益加剧。因此，随着露天坑的延伸扩大，剥采比增幅显著，并形成了深凹底坑和陡峭的露天终了边坡，使得矿山开采不仅技术难度加大，而且无经济效益可言。矿山露天转地下开采后，露天终了边坡及坑底周围岩体与地下开采组成统一的复合开采系统。露天终了边坡及坑底周围岩体在露天开采时期受到开挖卸荷的应力扰动，在局部地段产生应力集中，并在坡体内形成潜在滑坡体。在此基础上再转入地下开采阶段，地下矿体开挖对其造成二次扰动，并随着开挖空间的推进，二次扰动效果的动态叠加，不断地影响并改变其应力与变形状态。因此，露天转地下开采是一项复杂的系统工程，它不是一个孤立的过程，需要把露天和地下作为一个整体，通过科学规划和完美衔接，实现总体安全高效开采［1-2］。

本项目针对云南某缓倾斜含软弱夹层中厚磷矿床露天转地下开采存在的问题，通过现场勘查取样，室内岩石力学试验以及FLAC3D数值模拟［3］，对在边坡影响下缓倾斜中厚磷矿体覆岩的采动响应特征进行研究分析，以确定露天终了边坡的合理高度范围。

1 工程概况

云南某缓倾斜含软弱夹层中厚磷矿体的埋藏深度100～240 m，矿体厚度12～14 m，平均倾角16°，属于典型的近浅埋缓倾斜中厚磷矿床。边坡倾向与矿体和岩质倾向反向，目前露天开采高度约为40 m，坡度为45°，坡体内无大的构造结构和软弱面，组成边坡的岩层均属于中硬—坚硬岩体，属于典型的中高稳定性反倾向岩质边坡。

2 模型与开采方案建立

2.1 参数确定

按一定密度在磷矿体、采场围岩及上覆岩体中取块状岩样，依据国土资源部2015年颁布的《岩石物理力学性质试验规程》，将获取的岩石样品在实验室中加工成径高尺寸为50 mm×25 mm和50 mm×100 mm的圆柱形标准试件［4］，通过巴西劈裂试验（岛津AGI-250伺服材料实验机，每种岩石取4组，每组4个标样）计算得岩体抗拉强度，其破坏后的试件如图1所示；通过三轴压缩试验（TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，取岩石4组，每组4个标样）测得在不同围压下的轴向破坏强度，破坏后试件如图2所示。计算得出边坡、磷矿体及地下采场围岩及上覆岩体的主要岩石力学性质与变形特征参数（弹性模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、抗压强度、泊松比）。然后根据Hoek-Brown经验公式［5-6］，对计算出的参数进行适当折减，得到最终所使用的岩石力学参数见表1。

2.2 三维建模

运用AutoCAD制图软件画好平面模型，然后导入到ANSYS进行网格划分，最后将生成的网格模型导入到FLAC3D软件进行数值计算。根据研究内容，对模型进行非均匀的网格划分，对需要重点研究的岩层如磷矿层及其直接和间接顶底板进行网格加密，其他岩层网格单元尺寸可按照规则适当加大，坡高50 m最终模型尺寸为350 m×60 m×150 m，模型共划分123 058个节点、117 125个六面体单元；坡高80 m为350 m×60 m×180 m，模型共划分128 882个节点、122 350个六面体单元［7］。

2.3 边界条件

为了尽可能模拟工程实际情况，约束模型前后左右四面的水平向位移，底部约束三向位移，顶部自由，在计算的时候不考虑其他构造应力的作用，只考虑自重应力，因此在模型垂直方向施加反向应力加速度。在自重应力下的初始地应力平衡结果见图3，其应力值整体上随着坡面的起伏而起伏，基本符合实际情况。

2.4 开采方案

根据控制单一变量思想，除坡高这一变量不同之外，其他条件相同。开采方式采取房柱法开采，境界矿柱厚度为30 m，矿房长度10 m，矿柱宽5 m，为连续型矿柱。整个矿体开挖长度为145 m，矿房分10步从左至右依次开挖，矿柱分5步从右至左隔一回采。同时对边坡和开采区域设置11个变形监测点进行位移分析，监测点设置如图4所示。

3 FLAC3D数值模拟与结果分析

3.1 应力分析

为了研究不同边坡高度影响下的采场覆岩应力分布特征，需要对模型在每个开挖步下的应力变化进行计算、监测和记录。2种模型矿房5步开挖完后垂直应力分布如图5所示；矿房10步开挖完后垂直应力分布如图6所示；矿柱回采完毕后垂直应力分布如图7所示。

通过以上应力云图可以看出，随着地下开挖的进行，开挖过后的矿房形成采空区，其上方顶板形成应力卸压区，顶底板位置应力值降低，这是由于磷矿层开挖后形成临空面，围岩应力得到释放导致。同时，采场内部应力向前方岩体转移，在前方形成应力增压区。5步开挖后采场顶板垂直最大应力值50 m坡高为43 kPa，80 m坡高为47 kPa，增幅达到9.5%；10步开挖完毕后50 m坡高垂直应力增大到55 kPa，80 m坡高增大到64 kPa，80 m模型相对50 m模型增幅达16.3%。随着开挖的逐步推进，50 m坡高和80 m坡高最大垂直应力值也逐步增大，但总体坡高80 m较坡高50 m顶板应力值更大，围岩稳定性更低，安全性下降。

3.2 塑性区分析

图8～图10为各阶段开挖下采场塑性区分布情况。由图可知，矿房开挖过后形成采空区，围岩应力得到释放，顶板受到拉应力作用，出现拉伸破坏屈服区，而矿柱受到剪切力作用出现剪切破坏屈服区。随着开挖的逐步进行，塑性区面积也在逐步扩大。相比较于坡高50 m，坡高80 m回采完毕后塑性区进一步发育，已波及坡面，这将不利于采场稳定，在外部扰动影响下，加大了岩体失稳风险。同时回采完毕后的矿柱处于临界破坏状态，主要为剪切破坏，此时在外部因素的扰动下，可能导致矿柱发生剪切破断，从而引发多米诺骨牌效应导致其他矿柱的损坏，进而使得采场整体垮塌破坏。

3.3 位移分析

模型在未进行开挖之前，位移分布基本跟岩层的分布一致，并出现一定程度下沉，基本符合客观规律。图11～图12分别为2种坡高模型矿房开挖完毕及矿柱回采完毕后的位移沉降云图；图13、图14分别为2种模型的监测点在各开挖步下的顶板沉降曲线图。

由图11～图14可以看出，随着开挖的逐步进行，岩体内的应力也在不断进行转移，在前10步开挖中，顶板的最大沉降位置随着开采的向前推进而向前移动，无论是坡高50 m还是坡高80 m，规律都比较明显，回采完毕后位移沉降最大值都发生在6号监测点的位置，且呈现出“拱”型。

坡高50 m开挖完毕后最大位移沉降值为172 mm，回采完毕后最大位移沉降值为260.8mm，采场覆岩相对稳定；坡高80 m开挖完毕后最大位移沉降值为275 mm（相比坡高50 m增幅达59.8%），回采完毕后最大位移沉降值为397.0 mm（相比坡高50 m增幅达52.7%），此时采场覆岩达到比较充分的采动阶段，部分采场可能出现顶板冒落、片帮等现象［8］。

4 讨论

目前国内外学者对矿山露天转地下开采的研究主要集中在境界矿柱厚度的选取、开采后坑底覆盖层与隔离顶柱的稳定性与适宜厚度、采场结构参数优化等，对于地下采场在露天终了边坡坡高及坡角影响下的覆岩采动变形破坏特征研究较少［9］。由于矿山露天转地下开采是一项复杂的系统工程，受到矿山地质赋存条件、采矿工艺、采矿方法等多方面影响，当前露天转地下开采后矿山边坡与地下采场围岩及其上覆岩体的应力分布特点、变形破坏特征及失稳机理的研究成果尚未形成系统的理论体系，露天终了边坡与地下采场围岩在开采扰动下的相互作用关系尚不明确，这也是下一步需要研究的内容。

5 结 论

以云南滇池周边典型的缓倾斜含软夹层中厚磷矿床露天转房柱法地下开采为研究背景，通过现场勘查取样和室内岩石力学试验，利用CAD、ANSYS和FLAC3D等软件构建在倾角为45°条件下露天终了边坡为50 m和80 m的2种不同坡高的仿真分析模型，在房柱法开采扰动下对上覆岩层位移与应力响应特征进行分析研究。研究表明：在露天终了边坡为50 m时，地下开采对覆岩影响相较80 m坡高小，此时围岩相对稳定，塑性区面积较小，整个岩体处于相对稳定状态。露天终了边坡为80 m时，开采对覆岩的扰动较大，回采完毕后矿柱处于临界破坏状态，塑性区较50 m坡高进一步发育并延伸至坡面，不利于矿山的安全稳定。因此，综合经济和安全性考虑，建议控制露天终了边坡高度在50 m至80 m之间。