軟弱夾層對(duì)掛幫礦開采過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性影響

韓超超 趙雨薇 王大國(guó) 何金城

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010）

露天礦山邊坡的穩(wěn)定性是礦山生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)保障，除邊坡自身的地質(zhì)構(gòu)造條件外，人為的外部擾動(dòng)也是影響露天邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。掛幫礦作為一類殘留在露天境界外且臨近最終邊坡的礦產(chǎn)資源，如何對(duì)其進(jìn)行安全高效地回采一直是困擾國(guó)內(nèi)外礦山企業(yè)的難題。譚玉葉等［1］利用相似材料實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)采用充填法回采大冶鐵礦2#掛幫礦并監(jiān)測(cè)開采過(guò)程中的邊坡沉降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，充填法能有效控制邊坡沉降，能實(shí)現(xiàn)掛幫礦安全回采。進(jìn)一步考慮到掛幫礦回采的經(jīng)濟(jì)性、高效性，同時(shí)為縮短露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期時(shí)限，任鳳玉、李海英［1，2］等提出采用誘導(dǎo)冒落法開采掛幫礦，該方法以無(wú)底柱分段崩落采礦法為基礎(chǔ)，在特定位置布設(shè)誘導(dǎo)工程，在本分段礦房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)礦石的自然冒落；礦山實(shí)踐證明，該方法能有效地提高境界礦量回采率，大幅度提高礦石的回采效率。

目前，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者基于無(wú)底柱分段崩落采礦法，對(duì)掛幫礦開采過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究工作［4-8］。主要分析最終邊坡形態(tài)、掛幫礦賦存條件以及礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)布置等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，而含地質(zhì)結(jié)構(gòu)面條件下掛幫礦開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究相對(duì)較少。軟弱夾層作為一種力學(xué)強(qiáng)度低、對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，歷來(lái)是作為含弱層邊坡穩(wěn)定性分析的首要影響因素［9-11］?？偨Y(jié)前人研究成果可知，弱層邊坡在外部應(yīng)力擾動(dòng)下，弱層一般會(huì)首先發(fā)生變形破壞，進(jìn)而直接影響弱層周邊邊坡巖體的應(yīng)力分布，一定條件下將造成邊坡巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，破壞的進(jìn)一步演化則體現(xiàn)為邊坡整體發(fā)生失穩(wěn)坍塌事故，將給礦山企業(yè)帶來(lái)不可估量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

本研究基于自建的巖石拉張破壞有限元模型，研究了弱層長(zhǎng)度、埋深以及傾角影響下，掛幫礦開采對(duì)邊坡破壞范圍的影響，以期為類似工程地質(zhì)礦山的掛幫礦開采設(shè)計(jì)提供可靠的理論支持。

1 拉張破壞有限元模型

1.1 本構(gòu)模型

計(jì)算模型采用線彈性二維平面應(yīng)力本構(gòu)模型。

1.2 巖石拉張破壞準(zhǔn)則

（1）當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)的巖石極限抗拉強(qiáng)度小于該點(diǎn)的最大主拉應(yīng)力值，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)生拉張破壞。

（2）巖體內(nèi)一點(diǎn)產(chǎn)生拉張破裂的方向垂直于該點(diǎn)第一主應(yīng)力方向。

（3）如果巖體內(nèi)存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的第一主應(yīng)力值大于等于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在第一主應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)處破裂。

1.3 程序設(shè)計(jì)流程

（1）施加各項(xiàng)邊界條件；

（2）求解位移場(chǎng)；

（3）求解應(yīng)力場(chǎng)；

（4）利用開裂準(zhǔn)則來(lái)判斷模型內(nèi)是否存在滿足開裂準(zhǔn)則的節(jié)點(diǎn)，若存在，則確定開裂點(diǎn)以及開裂單元，在開裂單元不含開裂點(diǎn)的一邊增加節(jié)點(diǎn)，劈裂單元并修改校正單元信息，重復(fù)以上步驟；若不存在，則程序計(jì)算結(jié)束。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

參考國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)弱層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的案例［12-14］，本研究建立含弱層巖質(zhì)高邊坡簡(jiǎn)化模型如圖1（a）所示。模型長(zhǎng)1 000 m，基底巖層厚125 m，邊坡高250 m，露天邊坡最終邊坡角45°；掛幫礦體厚50 m，埋藏深度30 m，傾角30°，掛幫礦自上而下按埋藏深度均分為2個(gè)分段且依次進(jìn)行開采，①分段掛幫礦靠近坡面，首先進(jìn)行回采；②分段掛幫礦在下，待①分段礦石開采結(jié)束后進(jìn)行開采。圖1（b）給出了邊坡內(nèi)弱層模型I的局部放大圖（放大倍數(shù)為3倍），弱層出露邊坡坡面厚5 m，出露點(diǎn)距坡頂面垂直距離H，弱層長(zhǎng)度l，弱層傾角α。

2.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型中包含圍巖、礦體以及弱層等三類巖體，數(shù)值模擬中的主要力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 數(shù)值模擬工況設(shè)定

弱層邊坡的穩(wěn)定性直接受制于坡體內(nèi)軟弱夾層的賦存條件，根據(jù)工程實(shí)際中弱層邊坡失穩(wěn)破壞模式分析，選取弱層長(zhǎng)度l、埋深H以及傾角α等三類弱層地質(zhì)條件作為主要分析因素，探討不同弱層地質(zhì)條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性以及破壞過(guò)程的影響。本研究共設(shè)定12種數(shù)值模擬工況，詳見表2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 弱層長(zhǎng)度對(duì)邊坡破壞范圍的影響

3.1.1 邊坡最終破壞結(jié)果

圖2～5分別為工況1～4條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結(jié)果。由圖2～5分析可知，掛幫礦開采過(guò)程中，初始裂紋均出現(xiàn)于弱層尾部圍巖中；當(dāng)l=50 m、80 m時(shí)，坡內(nèi)第2條裂紋起裂于坡面，l=100 m、120 m時(shí)，坡內(nèi)第2條裂紋起裂于坡頂，坡面或坡頂裂紋的起裂位置決定了塌落巖體體積大??；隨著軟弱夾層長(zhǎng)度增大，坡面裂紋的起裂位置逐漸向坡頂轉(zhuǎn)移。

3.1.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖6為工況1～4條件下，2個(gè)分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖6可知，2分段掛幫礦開采后，松散巖體體積、采空區(qū)體積隨弱層長(zhǎng)度增大均呈現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。l=50 m、80 m時(shí)，2分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)體積均大于塌落的松散巖體體積；l=100 m、120 m時(shí)2分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)體積均小于塌落的松散巖體體積。

3.2 弱層埋深對(duì)邊坡破壞范圍的影響

3.2.1 邊坡最終破壞結(jié)果

圖7～10分別為工況5～8條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結(jié)果。由圖分析可知，受軟弱夾層與采空區(qū)影響，坡內(nèi)初始裂紋均產(chǎn)生于弱層尾部圍巖且向采空區(qū)擴(kuò)展。H=70～90 m時(shí)，2個(gè)分段掛幫礦開采后坡內(nèi)第2條裂紋均起裂于坡頂；H=100 m時(shí)，①分段礦石開采后在坡內(nèi)產(chǎn)生的第2條裂紋起裂于坡面，②分段礦石開采后在坡內(nèi)產(chǎn)生的第2條裂紋起裂于坡頂。隨著弱層埋深逐漸增大，①分段掛幫礦開采后坡內(nèi)第2條裂紋的起裂點(diǎn)逐漸向坡面轉(zhuǎn)移，②分段掛幫礦開采后坡內(nèi)第2條裂紋的起裂點(diǎn)位置變化不明顯。

3.2.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖11為工況5～8條件下，2個(gè)分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖11可知，對(duì)于①分段掛幫礦的開采，當(dāng)弱層埋深H=70～90 m時(shí)，采空區(qū)體積小于松散巖體體積，當(dāng)H=100 m時(shí)，采空區(qū)體積大于松散巖體體積。對(duì)于②分段掛幫礦的開采，當(dāng)弱層埋深H=70～100 m時(shí)，采空區(qū)體積小于松散巖體體積。

3.3 弱層傾角對(duì)邊坡破壞范圍的影響

3.3.1 邊坡最終破壞結(jié)果

圖12～15分別為工況9～12條件下，①、②分段掛幫礦開采后邊坡破壞結(jié)果。由圖分析可知，①分段掛幫礦開采后，弱層尾部圍巖中出現(xiàn)了兩條垂直弱層方向擴(kuò)展的短裂紋，隨著坡內(nèi)應(yīng)力集中的釋放轉(zhuǎn)移，在坡面或坡頂產(chǎn)生了向采空區(qū)不斷擴(kuò)展的長(zhǎng)裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點(diǎn)由坡頂逐漸向坡面轉(zhuǎn)移。②分段掛幫礦回采后，坡內(nèi)初始裂紋出現(xiàn)于弱層尾部圍巖且向采空區(qū)擴(kuò)展，隨后開裂點(diǎn)轉(zhuǎn)移至坡頂并向采空區(qū)擴(kuò)展為一長(zhǎng)裂紋；隨著弱層傾角增大，坡頂裂紋的起裂點(diǎn)逐漸向坡頂線靠攏。

3.3.2 采空區(qū)體積與松散巖體體積變化規(guī)律

圖16為工況9～12條件下，2個(gè)分段掛幫礦開采后塌落的松散巖體體積與采空區(qū)體積變化規(guī)律。由圖可知，隨著弱層傾角增大，采空區(qū)體積與松散巖體體積整體呈逐漸減小趨勢(shì)。對(duì)于①分段掛幫礦的開采，當(dāng)弱層傾角α=0°～10°時(shí)，采空區(qū)體積小于松散巖體體積；當(dāng)弱層傾角α=15°時(shí)，采空區(qū)體積略大于松散巖體體積。對(duì)于②分段掛幫礦的開采，隨著弱層傾角增大，采空區(qū)體積小于松散巖體體積。

4 結(jié)論

（1）弱層埋深、傾角一定，弱層長(zhǎng)度不定時(shí)：弱層長(zhǎng)度小于80 m時(shí)，2個(gè)分段掛幫礦開采所形成的采空區(qū)可以完全容納松散巖體，表明在此條件下，采用無(wú)底柱分段崩落法開采掛幫礦不會(huì)危及露天坑底的采礦作業(yè)安全。

（2）弱層長(zhǎng)度、傾角一定，弱層埋深不定時(shí)：①分段掛幫礦開采后，采空區(qū)僅在弱層埋深大于等于100 m時(shí)才能完全容納松散巖體；②分段掛幫礦開采后，采空區(qū)在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。

（3）弱層長(zhǎng)度、埋深一定，弱層傾角不定時(shí)：①分段掛幫礦開采后，采空區(qū)僅在弱層傾角大于等于15°時(shí)才能完全容納松散巖體，②分段掛幫礦開采后，采空區(qū)在4種擬定工況下均不能完全容納松散巖體。