露天邊坡殘礦回采分析

董成龍，周 杰

（新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)大隊，新疆 昌吉 831100）

在露天邊坡采礦回采施工過程中，圍巖和邊坡應(yīng)力會發(fā)生變化，出現(xiàn)位移、塑性破壞等情況。需要采取填充措施，保持邊坡穩(wěn)定性，對圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展進行控制，從而確保邊坡殘礦回采施工的安全性。其中，邊坡穩(wěn)定性分析是一個重要環(huán)節(jié)，需要確保分析計算的準(zhǔn)確性，從而科學(xué)制定回采及填充施工方案。

1 工程地質(zhì)條件

某礦區(qū)露天采場開采時間為50年，為回收東北、東南部殘余礦體，該礦區(qū)制定了掛幫礦開采施工方案，目的是緩解礦山轉(zhuǎn)產(chǎn)壓力，同時提高礦體回收率。但是在實際施工中，由于工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，施工方案設(shè)計難度高，需要對露天邊坡穩(wěn)定性進行分析，并采取合適的邊坡加固方案。該礦區(qū)屬于巖漿后期熱液澆帶型礦床，平面呈半環(huán)狀，西翼延伸較大，南部巖體斷開，剖面呈穹隆狀。在采場東側(cè)有一水體，與礦區(qū)最近處相距50m左右，目前礦區(qū)已經(jīng)采取群井疏干、聯(lián)合疏干和防滲帷幕等防水措施。但受此影響，露天邊坡穩(wěn)定性不足，在采場東北角曾發(fā)生過坍塌事故。由于工程周圍地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為露天邊坡殘礦回采增加了難度。其中，工程上部設(shè)置有露天采場排土功能，東部為邊坡治理功能和帷幕注漿防水工程，北部為第四系帷幕注漿工程。該工程露天邊坡殘礦回采范圍實際為東部4號勘探線到水體河堤保護線，標(biāo)高為-58m～-130m，資源儲量為671萬t左右。

2 露天邊坡殘礦回采模型

（1）模型構(gòu)建。在該工程的開采方案設(shè)計過程中，擬采用平硐開拓方式及嗣后填充方案。采場東部的邊坡近似為長線型體，在模型構(gòu)建過程中，可以按照平面應(yīng)變進行處理。將工程東部3號勘探線剖面作為建模對象，其長度為350m，坑底寬度為62m，Y向長度為10m。礦體上盤的邊坡角為36°，下盤邊坡角為24°，上盤邊坡角大于下盤，且高度也大于下盤邊坡，可以選擇上盤區(qū)域作為主要研究對象。該工程現(xiàn)階段施工屬于淺部采礦，僅考慮自重應(yīng)力的影響。在模型構(gòu)建過程中，將地表作為模型自由邊界，底部作為固定約束，周圍是單向位移邊界。

（2）計算方法。在分析嗣后填充方案對于邊坡穩(wěn)定性影響的過程中，主要考慮兩種施工情況，一是空場開采后沒有立刻填充，二是空場開采后立刻進行填充。工程礦房分段高度和寬度分別為12m、20m，在上述構(gòu)建的模型下，需要模擬開采擾動以及填充施工對于圍巖、邊坡產(chǎn)生的影響，分析其應(yīng)力變化規(guī)律，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則進行計算。在模擬過程中，填充體力學(xué)參數(shù)根據(jù)實驗室測量值確定，圍巖和礦體力學(xué)參數(shù)綜合礦巖地質(zhì)數(shù)據(jù)以及實驗室測量數(shù)據(jù)確定。其中，礦體密度為3.50t/m3，體積模量20.6GPa，抗拉強度4.29MPa，內(nèi)摩擦角50.2°，泊松比0.25。圍巖密度為2.62t/m3，體積模量10.2GPa，抗拉強度1.64MPa，內(nèi)摩擦角45.8°，泊松比0.32。填充體密度為2.13t/m3，體積模量0.1GPa，抗拉強度0.39MPa，內(nèi)摩擦角43.0°，泊松比0.15?？梢愿鶕?jù)模型參數(shù)對邊坡、圍巖的應(yīng)力分布情況以及位移變化等進行計算，從而為工程施工設(shè)計提供依據(jù)。

3 模型計算結(jié)果及邊坡穩(wěn)定性分析

（1）應(yīng)力分布規(guī)律。從上述模型計算結(jié)果來看，工程標(biāo)高-92m水平開采段在邊坡開挖卸載后，未出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力區(qū)，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。礦房附近的邊坡破壞形式為壓-剪破壞。在水平礦房開采作業(yè)結(jié)束后，采空區(qū)頂板、幫區(qū)的應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在采空區(qū)的對角線上。如果采用采空后立刻回填的施工方案，對角線應(yīng)力約下降0.5MPa，圍巖壓力約下降1MPa，這說明采取采空后立即回填的方式，有利于改善工程圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)。

（2）位移變化及破壞形式。從位移變化計算結(jié)果來看，工程標(biāo)高-92m水平開采段在礦房開采結(jié)束后，出現(xiàn)的位移較小，經(jīng)過回填處理，礦房底板位移能夠得到控制。根據(jù)分析計算結(jié)果，該水平礦體開采及回填，對礦房周圍的邊坡和圍巖影響在3mm以內(nèi)，圍巖可以保持較好的自持能力。從塑性破壞分析結(jié)果來看，該水平礦體塑性區(qū)主要出現(xiàn)在礦房的對角線區(qū)域，即應(yīng)力集中部分。具體破壞形式為剪切破壞，在回采過程中，邊坡和采空區(qū)的剪切破壞可能導(dǎo)致塑性區(qū)貫通。

如果繼續(xù)進行回采，則容易出現(xiàn)邊坡滑移問題。通過采取采空后回填的辦法，可以阻止剪切破壞發(fā)展趨勢，防止塑性區(qū)貫通。

（3）表土邊坡變形分析。在該工程中，由于第四系表土邊坡的強度參數(shù)、內(nèi)聚力參數(shù)與下部巖質(zhì)邊坡的參數(shù)差異較大，未進行開采施工前，已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的變形。其中，橫向最大位移和縱向最大位移均出現(xiàn)在最上層的排土產(chǎn)區(qū)域。在回采過程中，表土邊坡變形具有擴大趨勢，需要采取相應(yīng)的邊坡加固措施，并采用隨采隨填的施工方法，否則容易引起土體滑坡問題。

（4）邊坡穩(wěn)定性評價。在邊坡穩(wěn)定性評價過程中，可以采用拉格朗日有限差分法中的安全系數(shù)計算公式，對該工程露天邊坡回采的邊坡穩(wěn)定性影響進行判斷。其公式為Kp=（σtanφ+c）/τ，其中σ表示垂直邊坡滑移帶壓應(yīng)力，單位為MPa。C表示邊坡滑移帶黏聚力，單位為MPa。φ表示邊坡滑移帶內(nèi)摩擦角，單位為°。τ代表邊坡滑移帶剪應(yīng)力，單位為MPa。利用該公式求出的安全系數(shù)，可以在上述模型分析計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用強度儲備法進行運算。從理論計算情況來看，滑動面上的每個部分安全系數(shù)如果都大于等于1，則說明滑動面具有較好的穩(wěn)定性。但是在實際計算過程中，由于局部發(fā)生破壞，可以根據(jù)潘氏原理，將滑坡失穩(wěn)時出現(xiàn)貫通的破壞區(qū)定義為破壞面。結(jié)合相關(guān)露天邊坡設(shè)計規(guī)范，工作年限在10年以下的邊坡安全系數(shù)應(yīng)在1.1～1.2之間，工作年限超過10年的邊坡安全系數(shù)應(yīng)在1.2～1.3之間，臨時性邊坡安全系數(shù)應(yīng)在1.0～1.2之間。

在本次計算過程中，通過確定邊坡穩(wěn)定性剖面安全系數(shù)等值線，可以得出該工程安全系數(shù)滿足邊坡穩(wěn)定性要求，因此在露天邊坡開采過程中，邊坡狀態(tài)較為穩(wěn)定。其中，坡頂?shù)倪吰掳踩禂?shù)要高于坡底，安全系數(shù)偏低的區(qū)域主要為排土場附近，需要針對該施工區(qū)域采取邊坡加固措施。通過采取隨采隨填的施工防范，能夠消除回采施工對于邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，確保邊坡穩(wěn)定性能夠滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

根據(jù)上述分析結(jié)果，該工程露天邊坡整體穩(wěn)定性較好，但需要在礦房回采后及時采取充填措施，否則采空區(qū)的塑性區(qū)會與地表貫通，增加出現(xiàn)邊坡滑移的幾率。在充填及時的情況下，則能夠改善圍巖應(yīng)力的分布狀況，避免出現(xiàn)應(yīng)力分布過于集中的情況，從而抑制塑性區(qū)的發(fā)展。在該工程施工過程中，具體可采用掛幫礦開采技術(shù)方法，通過隨采隨充填，提高邊坡穩(wěn)定性，同時也可以避免卵礫層受到破壞。此外，在工程露天邊坡穩(wěn)定性分析過程中，還需要考慮地下徑流影響以及爆破振動影響。由于該工程排水防滲工程較為完善，在本次分析過程中未考慮地下徑流影響因素。在爆破振動監(jiān)測方面，則通過布置現(xiàn)場監(jiān)測點，對位移變化進行監(jiān)測，防止對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。

4 結(jié)語

綜上所述，露天邊坡殘礦回采要充分考慮工程地質(zhì)條件的影響，對于工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜的工程，必須通過做好邊坡穩(wěn)定性分析工作，確保施工設(shè)計方案的合理性。在本次研究中提出了一種模型計算分析方法，可以較為準(zhǔn)確的評價邊坡穩(wěn)定性，對其位移及變形趨勢進行預(yù)測，從而采取制定有效的施工及加固方案，確保工程施工的順利進行。