露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡掛幫礦開采數(shù)值模擬研究

李聞杰，嚴(yán)國棟，張振芳，楊久林，苑世林，康志強(qiáng)

（1.河北省國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦，河北 承德067501;3.河北聯(lián)合大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北 唐山 063009)

露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡掛幫礦開采數(shù)值模擬研究

Numerical simulation study of slope hanging wall ore mining of open pit to underground

李聞杰1，嚴(yán)國棟1，張振芳1，楊久林2，苑世林2，康志強(qiáng)3

（1.河北省國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦，河北 承德067501;3.河北聯(lián)合大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北 唐山 063009)

利用ANSYS有限元大型數(shù)值模擬分析軟件，通過建立某鐵礦追脈開采露天高邊坡三維數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析殘采邊坡的穩(wěn)定性，得到結(jié)論：平硐追脈開采對某鐵礦露天邊坡整體穩(wěn)定性影響不大，殘采邊坡是穩(wěn)定的，但應(yīng)加強(qiáng)平硐硐口和采空區(qū)頂板的支護(hù)和管理。

追脈開采；應(yīng)力場；位移場；ANSYS；殘采邊坡；數(shù)值模擬

1 前言

為最大限度地回收露天礦邊坡境界外礦石，掛幫礦使用平硐追脈開采，平硐追脈開采完成后形成了露天采場殘采后的邊坡，即殘采邊坡。雖然國內(nèi)外對露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析取得了眾多的研究成果[1～2]，但對露天礦殘采邊坡穩(wěn)定性的研究還不多。

某鐵礦露天采場閉坑后在采區(qū)北部端幫采用平硐追脈開采回收境界外礦石，形成殘采邊坡。平硐追脈開采使巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，應(yīng)力分布更加復(fù)雜，工程地質(zhì)條件惡化，邊坡和空區(qū)失穩(wěn)的可能性加大。因此，使用ANSYS有限元分析軟件，建立殘采邊坡的三維模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算[3～4]，分析某鐵礦殘采邊坡的穩(wěn)定性。

2 掛幫礦開采邊坡模型建立

2.1 鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)

通過室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)某鐵礦工程地質(zhì)資料，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法[5]，得到某鐵礦殘采邊坡的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

2.2 鐵礦殘采邊坡模型的建立

ANSYS是目前應(yīng)用最廣泛的通用大型有限元分析軟件，主要包括三個(gè)模塊：前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出[6～7]。一個(gè)典型的ANSYS分析過程可以分為三個(gè)步驟：①建立模型；②加載并求解；③查看分析結(jié)果，獲得結(jié)論。

表1 鐵礦殘采邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

某鐵礦在北部邊坡進(jìn)行平硐追脈開采掛幫礦，開采后在露天邊坡下形成1#、2#、3#平硐采空區(qū)。根據(jù)1#、2#、3#平硐投影圖和平面圖以及北部邊坡0m終了平面圖，邊坡高度為135m。為了消除邊界效應(yīng)的影響，1#平硐左邊和3#平硐右邊邊坡長度各取60m和100m，這樣邊坡總長度達(dá)到310m。同樣為消除邊界效應(yīng)，邊坡前后長度取200m，平硐下部巖體厚度12m。1#平硐走向近似垂直于邊坡，建立三維模型時(shí)簡化為垂直于邊坡，2#平硐相對于1#平硐左向旋轉(zhuǎn)8°；3#平硐相對于1#平硐右向旋轉(zhuǎn)14°。

邊坡上部有10m的表土層，表土層下是近20m的片麻巖微風(fēng)化層，F(xiàn)10斷層厚0.5m。根據(jù)鐵礦邊坡資料圖和1#、2#、3#平硐實(shí)測數(shù)據(jù)，建立殘采邊坡三維模型，見圖1；1#、2#、3#平硐見圖2所示。

圖1 邊坡模型

圖2 平硐示意圖

3 鐵礦殘采邊坡模擬結(jié)果及其分析

3.1 殘采邊坡開采前位移場分析

邊坡開采前在自重情況下邊坡各方向的位移場分布等值線圖見圖3、圖4所示。

圖3 X方向位移等值線圖

從圖3、圖4可以看出，邊坡在自重情況下，X軸方向的正向最大位移值為29.63mm，出現(xiàn)在邊坡內(nèi)部1#、2#、3#平硐上部和斷層附近，這是由于巖層與礦體接觸面以及斷層形成軟弱滑動面；負(fù)向最大位移值為1.07mm，出現(xiàn)在坡頂左前部。而Y軸方向的負(fù)向（向下方向）最大位移值為64.73mm，出現(xiàn)在坡頂后部，主要是受到表土層和片麻巖微風(fēng)化層的影響；正向位移最大為0.33mm。各方向中Y軸豎直方向位移最大，但主要發(fā)生在表土層，因此只要加強(qiáng)表土層的維護(hù)和清理，就不會對整體邊坡造成危害；其次是X軸正方向，但最大位移值不超過30mm，其它方向位移值均較小，說明邊坡在自重情況下不會產(chǎn)生滑移，保持穩(wěn)定。

圖4 Y方向位移等值線圖

3.2 掛幫礦開采后殘采邊坡位移場分析

開采結(jié)束后殘采邊坡位移場分布等值線圖見圖5、圖6所示。

圖5 X方向位移等值線圖

圖6 Y方向位移等值線圖

從圖5、圖6可以看出，由于受到重力作用，開采結(jié)束時(shí)X軸方向正向位移最大值為29.75mm，出現(xiàn)在三個(gè)硐室之間的上部，比開采第二段礦體時(shí)最大正向位移增加了0.42mm，變化不明顯；負(fù)向位移最大值為0.99mm，出現(xiàn)在邊坡頂部右前角處，比開采第二段礦體時(shí)最大負(fù)向位移增加了0.02mm，變化微乎其微。而Y軸方向正向最大位移值為1.98mm，位于3#硐開采后采空區(qū)處，比開采第二段礦體時(shí)的最大位移值減少了0.22mm，這說明開采第三段礦體后底板處壓應(yīng)力得到了一定程度的調(diào)整；Y軸負(fù)向位移最大值為67.93mm，出現(xiàn)在邊坡頂部后中間部位，比開采第二段礦體后負(fù)向最大位移值增加了2.49mm，說明采空區(qū)的加大增加了豎直方向的移動，但影響不是很大。

3.3 殘采邊坡開采前自重應(yīng)力場分析

邊坡開采前在自重應(yīng)力情況下邊坡各方向的應(yīng)力場分布等值線圖見圖7、圖8所示。

圖7 X方向應(yīng)力等值線圖

圖8 Y方向應(yīng)力等值線圖

從圖7、圖8可以看出，該邊坡在自重情況下，X方向壓應(yīng)力最大值為2.3MPa，拉應(yīng)力最大值為1.22MPa。Y方向壓應(yīng)力最大值為3.01MPa，拉應(yīng)力最大值為0.397MPa。數(shù)據(jù)表明邊坡地層的應(yīng)力在自重作用下，各個(gè)方向壓應(yīng)力最大值均在邊坡底部，而拉應(yīng)力位于邊坡頂部，且數(shù)值很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于邊坡巖體的極限抗拉強(qiáng)度，不足以產(chǎn)生受拉破壞，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 掛幫礦開采后殘采邊坡應(yīng)力場分析

開采結(jié)束時(shí)邊坡的應(yīng)力場分布等值線圖見圖9、圖10所示。

圖9 X方向應(yīng)力等值線圖

圖10 Y方向應(yīng)力等值線圖

從圖9、圖10可以看出，X方向壓應(yīng)力最大值為4.7MPa，比開采第二段礦體時(shí)的最大值增加了0.97MPa；拉應(yīng)力最大值為1.98MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了1.741MPa。Y方向壓應(yīng)力最大值為6.06MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了2.41MPa；拉應(yīng)力最大值為0.43MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了0.242MPa。

掛幫礦開采結(jié)束時(shí)，1#、2#、3#平硐采空區(qū)的體積分別為1.9×104m3、1.1×104m3和2.8×104m3。采空區(qū)的增加，加大了采空區(qū)周圍巖體的拉應(yīng)力，使邊坡巖層處于應(yīng)力調(diào)整中。從X方向和Y方向來看，在1#、2#、3#硐室上部的拉應(yīng)力不僅范圍比開采第二段礦體時(shí)更大，斷層上部幾乎都呈現(xiàn)拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力最大值也分別比開采第二段礦體時(shí)增加了。實(shí)踐表明，巖體的破壞主要是巖體受到拉應(yīng)力所造成的，因此，X方向和Y方向拉應(yīng)力范圍和最大值的增加會使硐口被拉伸破壞的可能性加大，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)硐口的加固，加強(qiáng)采空區(qū)頂板的支護(hù)和管理。雖然各個(gè)方向拉應(yīng)力最大值都有所增加，但增加值不是很大，沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，殘采后的邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

（1）通過ANSYS建立某礦殘采邊坡三維數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析表明：該礦露天邊坡進(jìn)行平硐追脈開采沒有破壞邊坡巖體整體結(jié)構(gòu)，邊坡仍處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨著邊坡向前追脈開采，巷道不斷加長，采空區(qū)體積不斷增大，從而使邊坡斷層附近及其上部巖體拉應(yīng)力逐漸增大，在Y方向上，開采結(jié)束時(shí)拉應(yīng)力最大值增量達(dá)到原始應(yīng)力的2倍，增大了采空區(qū)、斷層及其上部巖層下沉的趨勢。

（3）掛幫礦開采結(jié)束時(shí)，在Y方向上1#、2#、3#硐口上部拉應(yīng)力都繼續(xù)增大，最大一段采空區(qū)位于3#平硐第三段，達(dá)到1.5×104m3，由于采空區(qū)上部斷層的存在，Y方向負(fù)向（向下）和Z方向的位移變化較大，與每一步開采前后相比位移最大值都是增加的，位移增加量達(dá)到2～5倍，位移最大值多發(fā)生于三個(gè)平硐上部和斷層附近，因此，平硐硐口和采空區(qū)頂板應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和管理。

（4）隨著邊坡向前追脈開采，巷道不斷加長，采空區(qū)體積不斷增大，從而使邊坡巖層位移逐漸增大，特別是斷層附近位移變化較明顯，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)邊坡管理，采取必要的防范措施；采空區(qū)使F10斷層的初始平衡狀態(tài)被打破，反過來，斷層的變形又影響巷道及采空區(qū)頂板的安全，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)頂板管理，根據(jù)實(shí)際情況采取必要的支護(hù)和防護(hù)措施。

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TD854.6

A

2010-09-27

李聞杰（1970-），男，河北唐山人，工程師，河北省國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司生產(chǎn)管理部副主任。

Abstract:The stability of residual slope is analyzed based on establishing three-dimensional numerical model of veining up min?ing high residual slope of some Iron Mine and numerical simulation calculation by using large-scale finite element numerical simu?lation analysis software ANSYS.The conclusion shows that the veining up mining has little effect on the overall slope stability of some Iron Mine,and the residual slope is steady.It should strengthen the support and management of adit mouth and goaf roof.

Key words:veining up mining;stress field;displacement field;ANSYS;residual slope;numerical simulation

1672-609X（2011）02-0029-04