露井同期联采对边坡稳定性的影响规律研究①

孙世国， 邵树森， 江 俊， 权建源

（北方工业大学 土木工程学院，北京100144）

露天和井工联采工艺于1970 年左右起源于前苏联。 中国也较早地采用了露井联采方法，迄今为止，国内有许多矿区采用这种方法开采，还有许多矿区计划使用这种开采方法［1］。

浅层和深部的矿体在同一时间分别进行露天和井工开采，露天边坡角和坡体移动变形随着开采的推进而持续增大，危及矿山的安全，并对周边环境产生破坏作用［2-3］。 针对露天和井工两种采区空间相对位置关系，井工采动将直接影响露天边坡岩体的稳定性，导致边坡变形增大、稳定性降低、开采难度相应增加［4］。 所以为了保障矿区的作业安全，提高采矿效益并合理降低成本，有必要研究露天和井工联合开采过程中边坡的变形机理［5-6］与边坡失稳机制。

1 工程概况

福建省紫金山金铜矿区坐落于福建省上杭县才溪镇旧县乡，上部是特大储量低品位金矿，下部为大型储量铜矿［7-8］。 矿山最高标高＋1 138 m，开采坑底最低标高目前为＋700 m，坡高438 m，采场边坡地形单台阶高度并段前后为12 m 和24 m，台阶坡面角大约为65°。 依据矿山的规划设计，露天开采矿体从标高＋340～＋100 m，同期0～-200 m 标高的矿体进行井工开采。 ＋340 ～＋300 m、＋300～＋260 m、＋260～＋220 m、＋220～＋160 m 和＋160～＋100 m 为露天开采的5 个阶段；0 m、-10 m、-50 m、-100 m 和-150 m 为地下井工开采的5 个中段。 如图1 所示。

图1 矿区分段开采地层简化示意

2 边坡体位移和应力分布特点

2.1 边坡数值模拟分析模型的建立

作为矿区最重要的铜金矿层位白垩系，主要分布在矿区南部的上杭盆地，有粉砂岩、砂质黏土、紫红色砂砾岩等砂岩。 矿区地形经强烈的侵蚀和构造运动处于隆起地段，呈现的大概面貌为深沟峡谷状。 矿区中部断裂相对发育，特别是北东向和北西向构造运动较为活跃；北东向构造为宣河复式背斜，呈“S”形蜿蜒，向西南倾斜，轴面向西北倾斜，两侧有向斜，断裂程度较严重，一般表现为压扭断裂，部分为张性断裂，总体趋势为南东或北西向，走向为40°～50°。 北西向上杭⁃云霄断裂带，即断裂整体倾向于南西或北东，倾角40°～80°，走向300°～329°。 因此，两大断裂构造带成为矿区的主要控制区。 根据现场勘察资料，采区岩层岩性主要表现为中微风化细粒花岗岩、中风化中细粒花岗岩、中强风化中细粒花岗岩和强风化中细粒花岗岩。 矿山工程地层相关的岩土物理力学参数如表1 所示。

表1 采场岩土体物理力学参数

依据紫金山金铜矿开采实际建立了数值模拟分析模型，如图2 所示，模型尺寸为x方向长2 036 m，y方向长2 000 m，z方向为1 048 m，模型共划分416 639 个单元网格和79 050 个节点。

图2 紫金山金铜矿露井联采数值模型图

依据露天和井工同时自上而下的开采工况进行数值模拟分析，模拟露井联采影响下5 个阶段露天边坡体位移应力演变机制。

2.2 模拟结果分析

数值模拟分析得到各阶段x、y、z方向位移云图。x方向最大位移值3.74 m 与y方向最大位移值3.42 m都出现在最后一个开采阶段，分别是在露天坡中部和地下采空区两侧的清扫平台。 露天采场边坡岩体y方向位移指向井工采空区中心，呈“盆地”状沉陷，伴随井工开采的持续进行，位于地表的露天边坡沉陷区域持续扩展，受联采影响程度持续增加，露天采区＋100 m处岩土体朝井工采区方向滑动，与此同时井工开采的矿区顶部位置处岩土体也向井工采区方向滑动，随着各阶段的开采最终出现19.5 m 的最大沉降位移，而且最大位移发生的位置就在采空区正上方。 露天边坡5个开采阶段x、y、z方向的移动变化如图3～5 所示。

第5 阶段开采岩体及A⁃A 剖面z方向应力变化云图分别见图6 和图7。 井工开采前，露天边坡z向压应力从左到右呈非线性递减。在露天矿边坡开采过程中，露天矿开采岩体体积由左向右持续增大，内部岩体的外覆岩质量随之一直减小。 观察露天边坡和井工采区拉应力部分可以发现，露天部分拉应力随着5 个阶段的开采不断变大，井工部分拉应力出现在自由端附近，采至第5 阶段井工采区自由端附近出现最大拉应力4.86 MPa（见图6）。 从图7 可见，井工采区正上方岩体z方向最大拉应力为1.89 MPa，在井工开采采空区上，该处覆岩连通露天开采的边坡体，在自重应力的作用下，露天边坡下部岩体发生滑动。 可以说露天边坡体的滑动是由于井工采区的诱发而不是露天开采时露天边坡自身的原因。 在露井联采的复合叠加扰动影响下，露天边坡体坡脚处强度加剧降低，进而露天边坡岩体滑动速度变快，破坏程度变大。

图3 露天矿边坡x 方向位移变化

图4 露天边坡y 方向位移变化

图5 露天边坡z 方向位移变化

图6 第5 阶段开采z 方向应力变化云图

图7 第5 阶段A⁃A 剖面z 方向应力变化云图

3 结 论

在FLCA3D软件中模拟了露天和井工联合开采工况下的位移场和应力场，并对边坡位移应力进行了系统分析，通过分析得出：

1） 由于位于采空区两侧的上覆岩体在开采初期厚度不同，在上覆岩体连续下落时边坡中上部岩体一方面向井工区方向下沉，另一方面朝临空自由面方向位移。

2） 边坡中上部岩体的位移随采空区厚度增加而增大，边坡下部岩体表现出“倾倒”的位移特征。 随着井工开采不断推进，整个露天矿边坡都处于井采沉陷区。

3） 在露天边坡中，产生的拉应力致使边坡表面出现大量的采动裂隙。 边坡岩土体的强度在节理裂隙面逐渐发育张开的过程中逐步减弱，最终导致边坡破坏。