露天轉(zhuǎn)地下開采對(duì)露采邊坡穩(wěn)定性影響分析

康永紅，陳 峰，武尚榮，和德明

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山鋁業(yè)有限公司， 云南 文山 663099)

應(yīng)用研究·黑色礦山·

露天轉(zhuǎn)地下開采對(duì)露采邊坡穩(wěn)定性影響分析

康永紅1，陳 峰1，武尚榮1，和德明2

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山鋁業(yè)有限公司， 云南 文山 663099)

露采邊坡和隔離礦柱穩(wěn)定性分析是露天轉(zhuǎn)地下礦山經(jīng)常面臨的問題，對(duì)于金屬礦山地下開采安全生產(chǎn)極其重要。根據(jù)陽雀箐釩鈦磁鐵礦礦段隔離礦柱的厚度以及邊坡工程地質(zhì)條件，采用有限元數(shù)值軟件對(duì)礦山3個(gè)階段的礦體回采進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：露采邊坡在地下開采期間均處于穩(wěn)定狀態(tài)。驗(yàn)證了隔離礦柱已確定厚度的合理性，為該礦體安全高效回采提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

地下開采； 露采； 穩(wěn)定性； 隔離礦柱

1 前言

隨著礦山露天開采深度的增加, 露天設(shè)計(jì)布置越來越不適應(yīng)礦山生產(chǎn)要求，需要轉(zhuǎn)入地下開采，露天礦境界內(nèi)地下采空區(qū)頂板上方的隔離礦柱是露天邊坡自重應(yīng)力順利傳遞的關(guān)鍵通道。通過留設(shè)隔離礦柱可以使露天與地下開采同時(shí)進(jìn)行，保證在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，開采礦量保持穩(wěn)定和通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，但是隔離礦柱的留設(shè)也會(huì)給地下開采的安全帶來隱患[1]。因此，必須對(duì)將要確定的隔離礦柱及露采邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)先分析。

2 工程地質(zhì)概況

陽雀箐釩鈦磁鐵礦床產(chǎn)于海西早期基性—超基性巖體中。含礦巖體北起白草礦山南界，南至王家屋基，東起雖都古附近F25斷裂，西到莎莎其果、陽雀箐溝一帶。

由于受海西晚期玄武巖噴溢影響和吞蝕，含礦巖體在礦區(qū)出露者為吞蝕后殘余部分，其周圍和頂、底板均為玄武巖，含礦巖體呈一南北走向的帶狀俘虜巖體，如同“孤島狀”分布在玄武巖中。

這一不完整的含礦巖體，依據(jù)其巖石及組合特征與相鄰礦區(qū)(紅格、安寧村)對(duì)比，仍具有保留不全的分異和韻律特點(diǎn)，可劃分出上部輝長(zhǎng)巖相帶和下部輝石巖相帶，該礦床的釩鈦磁鐵礦體均賦存于兩個(gè)不同巖相帶中，礦體和夾石層互為厚度不等的夾層，重復(fù)交替，因巖相不同而構(gòu)成上、下兩個(gè)含礦層，由下而上依次編號(hào)為Ⅰ含礦層和Ⅱ含礦層，將其分別敘述如下。

Ⅰ含礦層的巖相為輝石巖相帶，巖石種類較多，從上而下有含長(zhǎng)輝石巖、輝石巖、含橄輝石巖、橄輝巖，局部有輝橄巖和橄欖巖，均為超基性巖，巖石基性程度高。

Ⅱ含礦層位于含礦巖體之中上部的輝長(zhǎng)巖相帶，底部與Ⅰ含礦層頂部為過渡接觸關(guān)系，圍巖頂板為晚二疊系玄武巖，與含礦巖體之頂部為超覆侵入不整合接觸關(guān)系，在Ⅱ含礦層頂部構(gòu)成巖體頂板圍巖，其接觸面向西傾斜，傾角陡緩不一，在22°～75°之間。Ⅱ含礦層中礦體和夾石層均傾向西，傾角為26°～52°。與頂板接觸面為同傾向，傾角為30°～70°

含礦巖體的頂板主要由玄武巖組成，一部分已被風(fēng)化剝蝕掉。頂板玄武巖一般處于巖體淺部的風(fēng)化帶中，為強(qiáng)—中等風(fēng)化程度，呈黃褐—褐灰色，光澤暗淡，巖質(zhì)松軟，力學(xué)強(qiáng)度較低(抗壓強(qiáng)度40～400kg/cm2，抗剪強(qiáng)度約20～200kg/cm2，內(nèi)摩擦角20°～50°)。由于玄武巖的柱狀節(jié)理及風(fēng)化裂隙都很發(fā)育，巖石被切割破壞成大小不等的塊體，鉆孔中巖石很破碎，多呈碎塊狀及砂礫狀，從而降低了巖石的堅(jiān)固性與穩(wěn)定性。

礦體底板巖石及邊界圍巖都主要為玄武巖，絕大部分為新鮮巖石，黑色，微細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀、氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造。巖質(zhì)堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度較高(抗壓強(qiáng)度800～1 600kg/cm2，抗剪強(qiáng)度約80～300kg/cm2，內(nèi)摩擦角75°～85°)。裂隙不發(fā)育，巖石較完整，堅(jiān)固性與穩(wěn)定性較好(風(fēng)化破碎者除外)。

本次計(jì)算所采用的礦巖體數(shù)據(jù)均在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過大量的試算和經(jīng)驗(yàn)折減，計(jì)算模擬中所采用的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

3 礦體回采對(duì)露采邊坡的模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

本次計(jì)算模擬采用三維有限元方法，模擬過程力求能反映開采的實(shí)際情況。為了滿足計(jì)算精度和計(jì)算過程的運(yùn)算速度，根據(jù)該礦礦體的實(shí)際形態(tài)，結(jié)合巖石力學(xué)相關(guān)理論，模型長(zhǎng)×寬×高為2 000m×1 300m×900m，即沿礦體走向取2 000m，垂直礦體走向取1 300m，沿鉛垂方向取900m，共計(jì)33 472個(gè)節(jié)點(diǎn)，284 353個(gè)網(wǎng)格單元；選用Mohr- Coulomb本構(gòu)模型，單元網(wǎng)格劃分及計(jì)算機(jī)地質(zhì)體模型圖分別見圖1和2所示。

圖1 三維有限元計(jì)算模型

圖2 礦體與圍巖相互位置剖面圖

3.2 計(jì)算方案

本次計(jì)算模擬采用與現(xiàn)場(chǎng)施工完全一致的順序進(jìn)行回采。第一步：回采露天部分，形成現(xiàn)狀邊坡；第二步：開采一期工程標(biāo)高1 750～1 780m之間礦體；第三步：回采1 750m以下二期工程。

3.3 露天礦體回采后邊坡穩(wěn)定性分析

從模擬結(jié)果應(yīng)力、安全系數(shù)及塑性區(qū)分布圖3、圖4和圖5可以看出，露天邊坡形成后整體最大主應(yīng)力為21.46MPa,，整個(gè)臺(tái)階回采過程沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；邊坡的安全系數(shù)為2.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界狀態(tài)；而在臺(tái)階開采后邊坡只在局部出現(xiàn)零星的塑性區(qū)，不會(huì)構(gòu)成安全隱患。說明在下部礦體沒被擾動(dòng)的情況下，邊坡的形成對(duì)整體結(jié)構(gòu)沒有較大影響，此時(shí)的邊坡整體是穩(wěn)定的。

圖3 露采邊坡形成后邊坡最大主應(yīng)力分布圖

圖4 露采邊坡形成后邊坡安全系數(shù)分布圖

圖5 露采邊坡形成后邊坡塑性區(qū)分布圖

3.4 一期回采結(jié)束后邊坡整體穩(wěn)定性分析

從模擬的安全系數(shù)及塑性區(qū)分布圖6、圖7和圖8可以看出，在一期工程回采結(jié)束后，主應(yīng)力為21.27MPa,變化不明顯，回采過程也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；在此過程中，隨著下部礦體開采范圍的擴(kuò)大，安全系數(shù)也明顯下降，邊坡安全系數(shù)從露采期后的2.3降至1.38，但此時(shí)的安全系數(shù)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界狀態(tài)，邊坡整體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，此步驟的開采也使局部塑性區(qū)有所加大，但范圍僅局限在開采體附近、邊坡底部及邊坡的兩端，整體沒有出現(xiàn)塑性區(qū)連片的情況，所以此時(shí)的邊坡仍然是穩(wěn)定的。

圖6 一期工程回采后邊坡整體最大主應(yīng)力分布圖

圖7 一期工程回采后邊坡整體安全系數(shù)分布圖

圖8 一期工程回采后邊坡整體塑性區(qū)分布圖

3.5 1 750m以下二期工程回采結(jié)束后邊坡整體穩(wěn)定性分析

圖9 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體最大主應(yīng)力分布圖

從應(yīng)力、安全系數(shù)及塑性區(qū)的模擬結(jié)果分布圖9、圖10和圖11可以看出，在二期工程開采結(jié)束后，由于暴露面積和高度都有所加大，整體最大主應(yīng)力由之前的21MPa增加到22MPa，但回采過程拉應(yīng)力未出現(xiàn)；隨著開采范圍和深度的逐漸加大，此時(shí)邊坡底部穩(wěn)定系數(shù)降至1.11，已處于安全臨界狀態(tài)；此時(shí)邊坡底部也出現(xiàn)了連片的塑性區(qū)域，這與安全系數(shù)的變化也相吻合，由此可以說明，隨著二期工程的開采，邊坡坑底局部出現(xiàn)了較大的塑性變形，隔離礦柱應(yīng)力進(jìn)入屈服狀態(tài)。但由于露采轉(zhuǎn)地采有25m厚的隔離礦柱，邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好，所以下部二期工程的開采可能會(huì)造成坑底區(qū)域出現(xiàn)塑性擾動(dòng)變形區(qū)，邊坡整體相對(duì)處于極限平衡的暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體安全系數(shù)分布圖

圖11 1 750m以下二期工程回采后 邊坡整體塑性區(qū)分布圖

4 結(jié)論與建議

綜合以上分析，可得到如下結(jié)論。

(1)露采邊坡從露采到坑采二期過程中，邊坡整體始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)通過模擬結(jié)果得出：露采和地采之間的隔離礦柱厚度確定為30m具有一定的經(jīng)濟(jì)性和安全性，但到二期開采期間30m高的隔離礦柱將處于極限平衡狀態(tài)，建議礦山要加強(qiáng)該處的監(jiān)測(cè)。

(3)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，隔離礦柱發(fā)揮了最為關(guān)鍵的支撐和應(yīng)力傳遞作用,分析確定和驗(yàn)證了露天轉(zhuǎn)地下開采隔離礦柱的留設(shè)厚度，這樣就可保證露天轉(zhuǎn)地下開采工作的平穩(wěn)過渡，為安全采礦提供了重要的指導(dǎo)和建設(shè)性的依據(jù)和建議。

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Stability analysis of open-pit slope during the transition from open pit to underground mining

The stability of open-pit slope and isolated pillar is the common problem during the transition from open pit to underground mining, and it is very important for the safe production of metallic mine. According to the thickness of isolated pillar and the slope engineering geological condition of Yangqueqing mine, the FEM program was adopted to simulate three stages orebody mining. The result showed that the open-pit slope was stable during underground mining, and the rationality of the isolated pillar thickness was verified. It provided the theoretical basis and technical guidance for orebody safe and effective mining.

underground mining; open-pit; stability; isolated pillar

TD854+.6

A

2017-01-06

康永紅(1982-)，男，湖南衡陽人，工程師，主要從事采礦設(shè)計(jì)及巖石力學(xué)研究方面的工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41362013)

1672-609X(2017)03-0028-04