大型露天掛幫礦回采數(shù)值模擬及邊坡穩(wěn)定性分析

吳建祥

(安徽大昌礦業(yè)集團有限公司)

大型露天掛幫礦回采數(shù)值模擬及邊坡穩(wěn)定性分析

吳建祥

(安徽大昌礦業(yè)集團有限公司)

以姑山鐵礦掛幫礦開采為工程背景，使用FLAC3D數(shù)值軟件，首先對回采及充填過程進行了模擬計算，分析了圍巖及邊坡的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)，結(jié)果表明：充填可有效減少回采對邊坡穩(wěn)定性的影響，控制圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)展，保證回采安全。其次使用點安全系數(shù)法對含排土場邊坡的穩(wěn)定性初步分析得出，表土邊坡存在低安全系數(shù)區(qū)域，應(yīng)保證隨采隨充，并建立實時監(jiān)測點監(jiān)測位移。

掛幫礦 FLAC3D邊坡穩(wěn)定性 安全系數(shù)

姑山鐵礦露天采場經(jīng)過50多a開采，露天境界已開采到位。為回收東南部及東北部露天境界外的礦體，礦山實施了掛幫礦地下開采。掛幫礦開采能有效緩解礦山短期內(nèi)轉(zhuǎn)產(chǎn)的壓力，提高礦體回采率。但由于工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復雜，選擇采礦方法影響極大，為有效保護邊坡及地表排土場安全，有必要采用多種方法綜合分析。本文在對邊坡及掛幫礦空間測量及巖石力學實驗的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析掛幫礦體回采及充填過程對邊坡及地表排土場影響，從而為生產(chǎn)及采礦設(shè)計提供參考。

1 地質(zhì)概況

姑山鐵礦床東翼延伸至青山河的下部，這種特殊的賦存狀態(tài)決定了礦體的開采方式為露天+地下聯(lián)合開采。姑山鐵礦床屬巖漿后期熱液交代型鐵礦床。礦體在平面上呈半環(huán)狀，南部被巖體斷開，在剖面上似穹窿狀，西翼延伸較大，東翼延伸至青山河的下部，長軸方向為NE70°，長110 m，寬800 m，厚60 m左右。采場東側(cè)為青山河，最近處相距50多m。礦山開采經(jīng)歷了群井疏干、坑井聯(lián)合疏干、防滲帷幕止水等多種防水工程。露天邊坡穩(wěn)定不可忽視，如姑山露天采場東北角為第四系邊坡，此前發(fā)生過坍塌，滑體南北向長約120 m，東西向?qū)捈s25 m，體積約8萬m3。

2 工程概況

姑山鐵礦掛幫礦周邊環(huán)境較為復雜，該工程處于青山河西部、姑山鐵礦露天采場東部邊坡，工程上部為露天采場內(nèi)排土工程，工程東部為青山河邊坡治理及帷幕注漿工程，工程北部及東部為第四系帷幕注漿工程。同時為了保護青山河河堤、防止東部掛幫礦開采產(chǎn)生地表裂隙使地表水進入井下和露天采場，按照安徽省水利部門的相關(guān)要求，將青山河河堤以西100 m作為保安礦柱，不得回采。姑山鐵礦掛幫礦生產(chǎn)系統(tǒng)與露天采場對應(yīng)關(guān)系見圖1。

圖1 姑山鐵礦掛幫礦位置關(guān)系示意

姑山鐵礦露天采場掛幫礦開采范圍為采場東部4#勘探線～青山河堤保護界線、-58～-130 m標高的礦體。開采范圍內(nèi)共有資源儲量671.28萬t，采用平硐開拓，分段鑿巖階段空場嗣后充填法開采。

3 數(shù)值模型建立及計算方案

3.1 計算模型

由于采場東幫邊坡近似為一種長大線形體,可按照平面應(yīng)變問題處理，?、?勘探線地質(zhì)剖面作為研究對象，建立單元模型(圖2)。模型X方向長350 m，Y方向長10 m，坑底寬62 m，礦體上盤最終邊坡角為36°，下盤最終邊坡角為24°。由于上盤邊坡角及高度均大于下盤邊坡，故主要以上盤為主要研究區(qū)域。目前為淺部采礦，故計算只考慮自重應(yīng)力影響。計算模型設(shè)置地表為自由邊界外，底部為固定約束，模型周圍為單向位移邊界。

圖2 計算模型

3.2 計算方案

針對嗣后充填對邊坡的影響，提出2種方案：方案一為空場法開采后未充填，方案二為開采后立即充填。礦房分段高度為12 m，寬20 m。依次模擬開采擾動下及采礦及時充填后的邊坡及圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，計算采用Mohr-Coulomb破壞準則[1]。

本次模擬釆用的充填體力學參數(shù)是實驗室的測量值，礦體和圍巖的力學參數(shù)是在實驗室測量的基礎(chǔ)上根據(jù)礦巖整體地質(zhì)情況進行工程折減后得到的，參數(shù)見表1[2]。

表1 巖石力學參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分布規(guī)律分析

圖3為-92 m水平開采及充填階段的應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯吰麻_挖卸荷后沒有出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，以壓應(yīng)力為主，若礦房附近邊坡發(fā)生破壞，則為壓-剪破壞模式；當-92 m水平礦房開采完成后，采空區(qū)頂板及兩幫區(qū)域應(yīng)力得到釋放，但采空區(qū)對角區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；若及時充填后圍巖壓力減少了約1 MPa，對角區(qū)也減少約0.5 MPa，說明充填體的回填有助于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖3-92 m水平開采及充填階段的應(yīng)力云圖

4.2 位移變化規(guī)律分析

圖4為-92 m水平開采及充填階段的位移云圖?？梢钥闯?，-92 m水平礦房開采后位移較小，除了充填礦房后底板位移略微得到限制，回采該水平礦體對礦房圍巖及邊坡的影響基本在3 mm范圍以內(nèi)，該礦房尺寸使得圍巖自持能力較好。

圖4-92 m水平開采及充填階段的位移云圖

4.3 塑性區(qū)破壞分析

圖5為-92 m水平開采及充填階段的塑性區(qū)云圖?？梢钥闯?，在-92 m水平礦房對角區(qū)域即應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū)，主要表現(xiàn)為剪切破壞。由于礦體回采，采空區(qū)與邊坡間出現(xiàn)的剪切破壞會引起塑性區(qū)貫通，若礦房進一步回采，邊坡有滑移的危險。而采空區(qū)充填后，剪切破壞未出現(xiàn)增大趨勢，且塑性區(qū)未貫通。

圖5-92 m水平開采及充填階段的塑性區(qū)云圖

4.4 表土邊坡變形分析

第四系表土邊坡強度及內(nèi)聚力參數(shù)與下部巖質(zhì)邊坡相差較大，在未開采前便發(fā)生一定程度變形，如圖6所示，最上層排土場橫向、縱向位移最大，隨著開采的進行，極易進一步擴大變形，應(yīng)考慮及時加固，并保證隨采隨填，以防止土體發(fā)生滑坡。

圖6 表土邊坡位移云圖

5 邊坡穩(wěn)定性分析

基于快速拉格朗日有限差分法的點安全系數(shù)計算公式，分析地下開采對邊坡穩(wěn)定性的影響。點安全系數(shù)公式一般形式為

(1)

式中，σ為垂直邊坡滑移帶的壓應(yīng)力，MPa；c為邊坡滑移帶的黏聚力，MPa；φ為邊坡滑移帶的內(nèi)摩擦角，(°)；τ為邊坡滑移帶的剪應(yīng)力，MPa。

本文所求的安全系數(shù)是在數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，采用鄭文棠編制的強度儲備法fish語言運算[3-4]。其算法依據(jù)點安全系數(shù)法，考慮滑動面上的應(yīng)力分布及上覆巖土對抗滑穩(wěn)定性的影響。若只按理論計算,只要整個滑動面上每個點(或局部)安全系數(shù)不小于1,則整個滑動面穩(wěn)定。但實際計算中往往出現(xiàn)個別點破壞,根據(jù)潘氏原理,滑坡失穩(wěn)時，只有出現(xiàn)貫通破壞區(qū)時，才可定義破壞面。

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50197—2005)，服務(wù)年限10 a以下的非工作幫邊坡安全系數(shù)要達到1.1～1.2，10 a以上的非工作幫邊坡安全系數(shù)要達到1.2～1.3，即使臨時性的工作幫邊坡安全系數(shù)也要達到1.0～1.2。圖7為地下開采及充填對邊坡穩(wěn)定性影響的剖面點安全系數(shù)等值線。

圖7 地下開采及充填對邊坡穩(wěn)定性影響的剖面點安全系數(shù)等值線

由圖7(a)可知，安全系數(shù)均符合邊坡穩(wěn)定性標準，露天開采過程中邊坡是穩(wěn)定的，總體來看，坡頂安全系數(shù)高于坡底。但排土場(邊坡上面的表土層)中出現(xiàn)安全系數(shù)偏低區(qū)域，應(yīng)及時處理。隨著地下開采的進行，地下采空區(qū)對邊坡有一定的影響，邊坡安全系數(shù)總體上逐漸降低，安全系數(shù)最小值為1.2，滿足邊坡穩(wěn)定性的要求。圖7(b)和圖7(c)對比可知，充填后能增強采空區(qū)附近邊坡穩(wěn)定性，即充填可有效減少回采對邊坡穩(wěn)定性的影響。在掛幫礦開采過程中，隨采隨充才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 論

(1)-92 m水平礦房回采后，若不及時充填，采空區(qū)塑性區(qū)有與地表貫通趨勢，增加了滑移的可能性。若及時充填，可改善圍巖應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中，遏制塑性區(qū)發(fā)展。

(2)通過邊坡穩(wěn)定性分析可知，充填可有效減少回采對邊坡穩(wěn)定性的影響。掛幫礦開采技術(shù)條件較復雜，為了保證青山河河堤的穩(wěn)定以及富含承壓水的卵礫層不被破壞，應(yīng)隨采隨充。

(3)掛幫礦開采誘發(fā)諸多影響因素，由于排水防滲等工程比較完善，數(shù)值模擬過程未考慮水的作用，爆破振動的影響也未考慮。所以，應(yīng)設(shè)置若干監(jiān)測點實時測量位移變化，并保證礦房采空后及時充填，待充填體達到規(guī)定強度后再行開采。

[1] 劉 杰,趙興東,路增祥.露天轉(zhuǎn)地下開采方案優(yōu)化及邊坡穩(wěn)定性分析[J].東北大學學報：自然科學版,2013(9):1327-1329，1334.

[2] 劉 奇.姑山鐵礦露天境界外駐留礦安全高效開采方法及工藝研究[D].長沙：中南大學,2012.

[3] 楊 濤,周德培,馬惠民,等.滑坡穩(wěn)定性分析的點安全系數(shù)法[J].巖土力學,2010(3):971-975.

[4] 鄭文棠.基于FLAC3D的強度折減法和點安全系數(shù)法對比[J].水利與建筑工程學報,2010(4):54-57.

2015-05-29)

吳建祥(1966—)，男，副總經(jīng)理，高級工程師，237464 安徽省六安市霍邱縣高塘鎮(zhèn)。