節(jié)地減損開采模式下邊坡結(jié)構(gòu)及應(yīng)力發(fā)展規(guī)律

尚 濤，韓 流，舒繼森，陳樹召

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

煤炭作為我國(guó)的主要能源，其開采量和消費(fèi)量均居能源結(jié)構(gòu)的首位[1]?！笆濉币詠恚覈?guó)原煤產(chǎn)量一直維持在35億t/a以上，且在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性改變。露天開采具有建設(shè)速度快、生產(chǎn)成本低、資源采出率高、安全性好等優(yōu)勢(shì)，近年來取得了快速發(fā)展[2]。自21世紀(jì)初至今，露天開采的煤炭年產(chǎn)量由0.6億t/a提高到了6.6億t/a，占我國(guó)煤炭年產(chǎn)總量的比重由5%提高到了17%。我國(guó)大型露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙、新疆、云南等偏遠(yuǎn)地區(qū)，大規(guī)模的剝離和采礦作業(yè)造成了地層結(jié)構(gòu)和生態(tài)植被的大規(guī)模破壞[3]，給內(nèi)蒙、新疆等生態(tài)脆弱地區(qū)的環(huán)境帶來了嚴(yán)重的影響[4]。

內(nèi)蒙古東部草原區(qū)位于我國(guó)生態(tài)安全“兩屏三帶”的北方防沙帶，具有酷寒、半干旱、土壤瘠薄等生態(tài)脆弱特征。近10 a來，露天煤礦的大規(guī)模建設(shè)和煤炭資源開發(fā)造成了地表植被破壞、加劇了礦區(qū)沙漠化和水土流失進(jìn)程，加速了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的退化。針對(duì)露天開采需要大規(guī)模剝離-排棄的作業(yè)特點(diǎn)，基于時(shí)效邊坡理論研發(fā)露天礦節(jié)地減損開采技術(shù)來壓縮對(duì)土地的挖損或壓占，降低對(duì)礦區(qū)生態(tài)的影響具有良好的社會(huì)和環(huán)境效益。

節(jié)地減損開采的核心技術(shù)在于提高端幫邊坡角度[5]，以煤炭資源的邊界為基準(zhǔn)，端幫每提高1°則意味著礦區(qū)地表境界以煤炭邊界為圓心向采場(chǎng)內(nèi)收縮1°。按照采深200 m、端幫地表長(zhǎng)度1 km計(jì)算，端幫提高1°，可節(jié)約土地7 000 m2，具有顯著的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。對(duì)于緩解資源開發(fā)造成的礦區(qū)生態(tài)退化問題具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

節(jié)地減損技術(shù)是在傳統(tǒng)的靠幫開采基礎(chǔ)上衍生出來的一種綜合安全和環(huán)境效益的綠色開采技術(shù)。目前，關(guān)于靠幫開采和時(shí)效邊坡的相關(guān)研究較為豐富，2006年，才慶祥等[6]根據(jù)分區(qū)開采露天礦采場(chǎng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展特征，充分利用端幫邊坡的服務(wù)周期和巖體的時(shí)效性，提出了時(shí)效邊坡理論和靠幫開采技術(shù)[7]，并在安家?guī)X、黑岱溝、哈爾烏素等大型露天礦進(jìn)行了成功應(yīng)用。劉勇等[8]根據(jù)露天礦推進(jìn)度、邊坡角度、高度等參數(shù)，建立了端幫邊坡暴露時(shí)間模型。韓流等[9]對(duì)采礦工程的作業(yè)程序進(jìn)行調(diào)整，采用內(nèi)排及時(shí)跟進(jìn)壓幫的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)端幫易滑區(qū)下部的資源的安全回收;同時(shí)根據(jù)軟、硬巖的破壞特征，建立了直線和曲折滑面漸進(jìn)貫通過程中的時(shí)效穩(wěn)定性分析方法[10-11];最后采用理論分析和數(shù)值模擬研究了邊坡幾何結(jié)構(gòu)差異對(duì)穩(wěn)定性的影響，證明了凹形邊坡的穩(wěn)定性優(yōu)于相同角度的平直、凸型邊坡，并揭示了凹形曲率與坡高之比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[12]。

在軟巖地質(zhì)條件下進(jìn)行爆破[13]、開挖、堆載工程作業(yè)，會(huì)對(duì)區(qū)域應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成較大的擾動(dòng)。露天開采及排土堆載會(huì)對(duì)地層結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，尤其在高應(yīng)力地區(qū)表現(xiàn)的更加明顯。由于軟巖具有彈、塑性及流變特性[14]，開挖-排土過程中邊坡結(jié)構(gòu)變化造成的不平衡地應(yīng)力卸荷會(huì)導(dǎo)致周圍區(qū)域巖體變形，甚至誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。林剛等[15]借助數(shù)值模擬手段研究了不平衡堆載作用下深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)形狀，揭示了基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移存在的差異，并總結(jié)出了有參考價(jià)值的基本規(guī)律。唐燕蕾和楊石飛[16]研究了大面積堆載對(duì)土地水平位移的影響規(guī)律，分析了不同影響因素對(duì)水平位移和沉降在空間變化的影響規(guī)律，獲得了大面積堆載對(duì)周邊環(huán)境影響的定量分析方法。任光明等[17]對(duì)斜坡巖體卸荷進(jìn)行了分帶量化，提出了具體的量化指標(biāo)，并驗(yàn)證了該卸荷分帶量化方法的可靠性。沈軍輝等[18]對(duì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明邊坡應(yīng)力場(chǎng)隨深度變化具有明顯分帶性，應(yīng)力場(chǎng)隨著深度的增大不斷增大。盧文波等[19]提出并論證巖體開挖荷載的釋放為瞬態(tài)卸荷的觀點(diǎn)，并指出高應(yīng)力條件下的巖體開挖需要充分考慮荷載的瞬態(tài)特性及動(dòng)力效應(yīng)。以上研究為露天礦邊坡開挖過程中應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律[20]的揭示提供了基礎(chǔ)，也為節(jié)地減損開采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。節(jié)地減損技術(shù)的研究可實(shí)現(xiàn)綠色理念與開采技術(shù)的融合，加快露天開采技術(shù)的綠色化進(jìn)程。

筆者基于節(jié)地減損開采作業(yè)方案分析了端幫邊坡高度和角度的變化規(guī)律，建立數(shù)值模型分析了靠幫開采、降段和內(nèi)排回填過程中的水平應(yīng)力、自重應(yīng)力，同時(shí)獲取了端幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，為提高人員和設(shè)備的安全性，實(shí)現(xiàn)綠色理念與開采技術(shù)的融合，加快露天開采技術(shù)的綠色化進(jìn)程提供參考。

1 節(jié)地減損開采模式及邊坡結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

露天開采的基本作業(yè)程序是先將礦體覆蓋層剝離掉，然后采出有用礦體，再將剝離物滯后于礦體開采位置一定距離的采空區(qū)進(jìn)行回填。其動(dòng)態(tài)演化過程是在“實(shí)體上構(gòu)造空間”和在“空間上構(gòu)造實(shí)體”，如圖1所示。覆蓋物的剝離和礦體開采打破了完整地層，破壞了原始地層中的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成了地應(yīng)力的重新分布，頻繁的高強(qiáng)度應(yīng)力卸荷造成了圍巖圈變形破裂，以及邊坡的變形失穩(wěn)[21-22]。

圖1 采場(chǎng)推進(jìn)示意Fig.1 Sketch map for stope advance schematic

從圖1可以看出，露天開采時(shí)，工作幫以一定的速度向前連續(xù)推進(jìn)，完成覆蓋層的剝離和煤層的開采，推進(jìn)至采場(chǎng)具有足夠空間時(shí)，進(jìn)行剝離物的內(nèi)排作業(yè)。此時(shí)，露天礦的內(nèi)排土場(chǎng)和工作幫便實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)追蹤式的推進(jìn)狀態(tài)。對(duì)于采場(chǎng)端幫，其幾何結(jié)構(gòu)(角度)是影響礦區(qū)平均剝采比的重要指標(biāo)。端幫角度越大，平均剝采比越小，如圖2所示。對(duì)于地表境界固定的情況(圖2(a))，在保證邊坡在服務(wù)期限內(nèi)穩(wěn)定的前提下，坡腳由E點(diǎn)推進(jìn)至D點(diǎn)，則需要?jiǎng)冸xABC區(qū)域，可回收BCED區(qū)域的煤炭資源，這一階段的剝采比遠(yuǎn)小于礦區(qū)平均剝采比，因此，這種靠幫開采方式的經(jīng)濟(jì)效益顯著。對(duì)于深部境界固定的情況(圖2(b))，在保證邊坡在服務(wù)期限內(nèi)穩(wěn)定的前提下，坡頂位置由D點(diǎn)收縮至E點(diǎn)，則損失ABC區(qū)域的煤炭資源，減少BCED區(qū)域的剝離量，這一區(qū)域的剝采比遠(yuǎn)大于礦山平均剝采比，因此，將地表境界向采場(chǎng)內(nèi)部收縮，可以減少礦區(qū)用地面積，具有顯著的社會(huì)和環(huán)境效益。

圖2 節(jié)地減損開采方案Fig.2 Mining plan with land saving and ecological detraction

基于時(shí)效邊坡理論開發(fā)的靠幫開采技術(shù)，可根據(jù)需要來提高經(jīng)濟(jì)效益或增加環(huán)境效益。將這一技術(shù)方案與綠色開采的理念相融合，提出節(jié)地減損開采方案，在礦區(qū)的建設(shè)之初和生產(chǎn)進(jìn)程中有針對(duì)性的調(diào)整端幫參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)效益和礦區(qū)環(huán)境的雙贏。

2 邊坡應(yīng)力分異規(guī)律

2.1 邊坡中的應(yīng)力類型

露天開采改變地層結(jié)構(gòu)時(shí)，影響的應(yīng)力類型主要包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和變異應(yīng)力，這些應(yīng)力在地層或邊坡結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)相應(yīng)的發(fā)生變化，屬于感生應(yīng)力。以下是對(duì)這3種主要應(yīng)力的詳細(xì)描述。

2.1.1自重應(yīng)力

該應(yīng)力的來源為巖體的自重，自重及泊松效應(yīng)引起了側(cè)向水平應(yīng)力即為自重感生應(yīng)力，其大小可按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中，F(xiàn)為自重感生應(yīng)力，kN;γ為上覆巖體的容重，kN/m3;μ為泊松比;H為上覆巖體的高度，m。

由式(1)可知，當(dāng)邊坡巖性均一，即巖體容重γ和泊松比μ不變(可視為常量)，則自重感生應(yīng)力F與深度H呈線性關(guān)系;對(duì)于非均質(zhì)巖層，其容重γ和泊松比μ不相同，則僅能確定F與H成正相關(guān)，無法確定是否為線性關(guān)系。隨著深度的不斷增大，下部巖體所收到的重力較大，泊松效應(yīng)也更加明顯，如果存在軟弱層，則會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性流變，誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)。

2.1.2構(gòu)造應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力是板塊運(yùn)動(dòng)相互擠壓而蘊(yùn)藏在巖體中的巨大能量。隨著與板塊擠壓位置的不斷增大，構(gòu)造應(yīng)力逐漸減小。我國(guó)境內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)有顯著的發(fā)育規(guī)律，主要受印度洋板塊和亞歐板塊交界的影響，我國(guó)每個(gè)地區(qū)的最大主應(yīng)力服從一定的準(zhǔn)則，該點(diǎn)分別與我國(guó)的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡連線所成夾角，其角平分線方向近似為該點(diǎn)主應(yīng)力方向。而各地最大主應(yīng)力的量值則隨上述兩連線的夾角呈正比例變化。

2.1.3變異應(yīng)力

變異應(yīng)力是地殼運(yùn)動(dòng)過程中，巖漿侵入巖體造成物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大的改變，變異應(yīng)力的影響范圍較小，僅影響其侵入?yún)^(qū)域的小范圍。但是對(duì)于影響侵入范圍之外較遠(yuǎn)的區(qū)域影響極小。

2.2 邊坡內(nèi)部應(yīng)力分異機(jī)理

露天開采形成高陡邊坡的同時(shí)，也破壞了地層的完整性及原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)。由此引發(fā)了自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及其他不平衡應(yīng)力重新卸載，不平衡應(yīng)力在尋找新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的過程中，其卸載作用會(huì)造成邊坡臨空面巖體變形、破裂甚至失穩(wěn)。露天礦高陡邊坡進(jìn)行節(jié)地減損開采會(huì)再次形成不平衡應(yīng)力卸載。由于邊坡角度較大，不平衡應(yīng)力在尋找穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，其應(yīng)力跡線的曲率不斷減小，呈拱形結(jié)構(gòu)退行，直至尋找到能夠平衡該應(yīng)力的巖體結(jié)構(gòu)，此時(shí)，在完整應(yīng)力跡線上部的巖體為卸荷造成的松弛、變形破壞區(qū)，如圖3所示。

圖3 邊坡不平衡應(yīng)力分異跡線Fig.3 Unbalanced stress trace of slope

當(dāng)不平衡應(yīng)力無法尋找到穩(wěn)定巖體結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)造成巖體松弛破裂，直至滑面貫通形成運(yùn)動(dòng)型破壞。此時(shí)，下部滑體具備臨空面條件，率先形成運(yùn)動(dòng)性破壞，滑體下部整體運(yùn)動(dòng)牽引上部巖體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，整體表現(xiàn)為牽引式運(yùn)動(dòng)性破壞，其破裂結(jié)構(gòu)如圖4所示。下部滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的位移達(dá)到一定程度之后，會(huì)在上部某個(gè)抗拉強(qiáng)度較低的位置形成拉裂面，至此滑體封閉圈形成，滑坡醞釀完成。

圖4 不平衡應(yīng)力分異過程的牽引式漸進(jìn)破壞Fig.4 Pull-type progressive failure during the process of unbalanced stress differentiation

2.3 降段過程的應(yīng)力分異規(guī)律

基于邊坡內(nèi)部應(yīng)力類型和開采造成的幾何結(jié)構(gòu)變化，分析了應(yīng)力分異規(guī)律和邊坡潛在的破壞狀態(tài)，為了進(jìn)一步揭示節(jié)地減損開采模式下，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力隨開挖深度、邊坡角度的變化規(guī)律，采用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行分階段模擬，然后統(tǒng)計(jì)不同狀態(tài)下的峰值應(yīng)力，回歸分析在開挖降段、靠幫開采過程中的應(yīng)力變化規(guī)律。

以蒙東草原區(qū)某露天煤礦采場(chǎng)端幫形成和發(fā)展過程為依據(jù)，建立三維模型，模擬分析開挖降段、靠幫開采過程中的應(yīng)力分異規(guī)律。為了防止地層產(chǎn)狀影響本研究對(duì)于露天礦采動(dòng)過程中應(yīng)力分布普遍規(guī)律的認(rèn)識(shí)，特對(duì)地層產(chǎn)狀和數(shù)量進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，邊坡模型如圖5所示。其中圖5(a)為露天礦采場(chǎng)形成和發(fā)展示意圖，圖5(b)，(c)分別為采場(chǎng)降段過程、靠幫開采的變化示意圖。邊坡中所含巖層及物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)排棄物受到上覆壓力的差異，按照50 m對(duì)其進(jìn)行分層，每層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5 采場(chǎng)開挖降段及靠幫開采示意Fig.5 Excavation depth decline and steep mining of the mining stope

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)
Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in slope

巖性內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa容重/(kN·m-3)剪切模量/MPa體積模量/GPa彈性模量/MPa端幫406021.31004960基底334022.5303550排棄物-Ⅰ362015.5201835排棄物-Ⅱ362216.0222138排棄物-Ⅲ362517.1252542排棄物-Ⅳ362918.2303047排棄物-Ⅴ363419.5383752排棄物-Ⅵ364021.0504557

圖6 不同開挖深度的應(yīng)力場(chǎng)分異規(guī)律Fig.6 Stress differentiation rules with different excavation depth

圖7 降段過程不同峰值應(yīng)力波動(dòng)曲線Fig.7 Different peak stress curve during excavation depth decline process

對(duì)構(gòu)建的邊坡三維模型進(jìn)行分步開挖降段、分步靠幫開采，并分析開挖降段及排土過程的穩(wěn)定性。具體的分析指標(biāo)包括自重感生應(yīng)力、水平感生應(yīng)力、邊坡穩(wěn)定系數(shù)等。按照采礦程序發(fā)展規(guī)律，逐步向下開挖，每次開挖深度為50 m，逐步形成高陡端幫邊坡，不同邊坡高度H狀態(tài)下的自重感生應(yīng)力云圖組如圖6(a)所示，水平感生應(yīng)力結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。

從圖6(a)可以看出，隨著降段開挖的深度不斷增大，不平衡應(yīng)力的卸荷深度逐步增大，卸荷的次數(shù)也不斷增多，隨著深度的增大，自重感生應(yīng)力的量級(jí)也不斷增大。露天開采造成了地表的起伏，也誘發(fā)了自重感生應(yīng)力出現(xiàn)順地形下凹，且凹型曲率隨著開挖深度的加大不斷減小。隨著開采深度從0 m增加至300 m，采場(chǎng)下部基底位置的自重應(yīng)力下降了1.6 MPa左右，整個(gè)開挖降段過程中，自重感生應(yīng)力的峰值呈二次函數(shù)降低，且下降的速度逐漸放緩，如圖7(a)所示。

從圖6(b)可以直觀看出，水平感生應(yīng)力在開挖過程中的變化規(guī)律更為明顯，完整巖體被破壞之后，水平應(yīng)力卸荷是造成邊坡臨空面巖體變形破裂的主要?jiǎng)恿υ础＿吰聝?nèi)部形成了以采場(chǎng)中心線為軸的對(duì)稱“楔形”應(yīng)力結(jié)構(gòu)，開采深度越大，楔形體的曲率半徑越小?！靶ㄐ巍睉?yīng)力的中心峰值應(yīng)力隨開采深度呈二次函數(shù)遞減，下降的速度逐漸降低，根據(jù)回歸分析，得到中心峰值應(yīng)力F(對(duì)應(yīng)變量y)與開挖深度H(對(duì)應(yīng)變量x)的函數(shù)關(guān)系為:y=8×10-6x2-0.004x+5.883，(R2=0.994)，二次函數(shù)曲線如圖7(b)所示。

在開挖降段的過程中，不同端幫高度的巖體自重壓力產(chǎn)生的水平應(yīng)力可按式(1)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)水平應(yīng)力與端幫高度H滿足線性正相關(guān)。隨著端幫高度的增大，其邊坡底部的有效阻抗長(zhǎng)度Lr也呈線性增長(zhǎng)，端幫邊坡底部巖體提供的有效抗剪強(qiáng)度可按式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中，σ為邊坡上部的正壓力，kN;φ為巖體的內(nèi)摩擦角，(°);C為端幫巖體的黏聚力，kPa;Lr為端幫邊坡底部的有效阻抗長(zhǎng)度，m;H為端幫邊坡高度，m;α為端幫邊坡角，(°)。

邊坡上部的正壓力σ由上部巖體的重力提供，其大小可按照下式進(jìn)行計(jì)算:

(3)

將式(3)代入式(2)，即可得到端幫底部巖體提供的有效抗剪強(qiáng)度，該強(qiáng)度與自重感生應(yīng)力進(jìn)行合成之后，得到水平應(yīng)力的計(jì)算公式為

(4)

由式(4)可知，水平應(yīng)力是關(guān)于端幫高度H(降段深度)的一元二次函數(shù)，與數(shù)值模擬分析得到的函數(shù)關(guān)系一致。

2.4 靠幫過程的應(yīng)力分異規(guī)律

端幫角度是影響邊坡內(nèi)部應(yīng)力的另一個(gè)重要因素?？繋烷_采過程中，端幫角度不斷增大，不平衡應(yīng)力的卸荷量級(jí)也隨之增大。為了揭示靠幫開采過程中，邊坡內(nèi)部自重和水平應(yīng)力的變化規(guī)律，保持相同的端幫高度(300 m)，以2°為1個(gè)步長(zhǎng)，將端幫邊坡角度從37°逐步提高至45°，分析得到了不同角度時(shí)的自重應(yīng)力和水平應(yīng)力分布云圖，如圖8所示。

圖8 不同端幫角度下的應(yīng)力結(jié)構(gòu)Fig.8 Stress structures of different end-slope angle

統(tǒng)計(jì)圖8中不同端幫邊坡角度所對(duì)應(yīng)的最大自重應(yīng)力和水平應(yīng)力，進(jìn)行回歸分析，得到自重應(yīng)力和水平應(yīng)力隨端幫邊坡角度的增大呈二次函數(shù)遞增，具體的擬合曲線如圖9所示。

圖9 靠幫過程中的峰值不同應(yīng)力波動(dòng)曲線Fig.9 Peak gravity stress curve during steep mining process

通過對(duì)開挖降段和靠幫開采過程中的自重和水平感生應(yīng)力分析，得到了不平衡應(yīng)力的分異和發(fā)展規(guī)律。開挖深度和端幫角度的增大會(huì)降低應(yīng)力拱頂部的曲率，形成較強(qiáng)的壓力拱效應(yīng)?！靶ㄐ巍彼綉?yīng)力結(jié)構(gòu)始終作用于坡腳位置，長(zhǎng)期的卸荷作用會(huì)造成邊坡“底臌”和切出，對(duì)端幫穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性影響作用。

3 端幫時(shí)效穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展規(guī)律

3.1 采排工程中的端幫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)于分區(qū)開采的露天煤礦，其工作幫的剝離工程與采空區(qū)的排土工程互為逆過程。工作幫剝離在形成大型空間，而內(nèi)排作業(yè)在消除大型空間。在采場(chǎng)逐漸形成的過程中，邊坡高度不斷增大，穩(wěn)定性漸進(jìn)退化，表現(xiàn)出顯著的時(shí)效特性。根據(jù)圖10中的采排工程動(dòng)態(tài)發(fā)展示意圖可知，采場(chǎng)達(dá)到最大深度時(shí)，高陡端幫完全形成，隨著工作幫不斷向前推進(jìn)，內(nèi)排土場(chǎng)在工作幫推進(jìn)方向的后側(cè)臨空面開始內(nèi)排，內(nèi)排土進(jìn)入發(fā)展階段，隨著內(nèi)排土場(chǎng)的不斷跟進(jìn)，分析位置(A—A剖面)的端幫高度不斷降低，直至完全消失。

圖10 采排工程動(dòng)態(tài)發(fā)展示意Fig.10 Sketch map for dynamic development of mining and dumping engineering

根據(jù)圖10中的采排發(fā)展過程和端幫邊坡結(jié)構(gòu)建立三維分析模型，通過三維模擬分析，得到開挖過程中(每步開挖深度H=50 m)的穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖11所示。內(nèi)排作業(yè)壓覆暴露的高陡端幫，降低端幫邊坡整體高度。在這一過程中，端幫邊坡穩(wěn)定性不斷提高，模擬分析得到不同排土步驟(每次內(nèi)排高度HI=50 m)時(shí)的穩(wěn)定性如圖12所示。

統(tǒng)計(jì)開挖過程和排土過程中端幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并繪制穩(wěn)定系數(shù)變化曲線，如圖13所示。

由圖11和圖13(a)可知:隨著開挖深度的加大，端幫邊坡塑性區(qū)范圍和剪應(yīng)變量級(jí)不斷增大，穩(wěn)定系數(shù)呈負(fù)指數(shù)規(guī)律遞減，回歸分析得到端幫穩(wěn)定系數(shù)與邊坡高度的耦合關(guān)系為:f=16.27H-0.53(R2=0.994)。在露天礦的初期開挖階段，邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降較快，但是，由于穩(wěn)定系數(shù)的初始值較大，因此，初期階段未必會(huì)造成邊坡失穩(wěn);隨著邊坡高度的繼續(xù)增大，穩(wěn)定系數(shù)下降的速度逐漸放緩，但是穩(wěn)定系數(shù)值已經(jīng)較小，因此，在這個(gè)階段進(jìn)行降段或者靠幫風(fēng)險(xiǎn)較大，需要結(jié)合穩(wěn)定性評(píng)價(jià)謹(jǐn)慎處理，確保生產(chǎn)作業(yè)的安全。

由圖12和圖13(b)可知:排土作業(yè)過程中，端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈指數(shù)規(guī)律遞增，與開挖過程的穩(wěn)定性變化規(guī)律相反。由于排棄物的完整性和強(qiáng)度明顯低于原始巖體，同等深度的內(nèi)排回填后邊坡穩(wěn)定性要低于開挖邊坡的穩(wěn)定性。在排土場(chǎng)高度增加的過程中，底部排棄物料的強(qiáng)度不斷提高，使得在內(nèi)排高度不斷增加的過程中，穩(wěn)定系數(shù)增長(zhǎng)的斜率比同等階段開挖降段時(shí)穩(wěn)定系數(shù)下降的斜率要大。

3.2 采排過程中應(yīng)力和穩(wěn)定系數(shù)的時(shí)效規(guī)律

露天礦的開挖降段和內(nèi)排回填是一個(gè)動(dòng)態(tài)的工程演替過程，這個(gè)過程的實(shí)施需要一定的時(shí)間，本文所研究的露天礦的具體幾何尺寸和設(shè)備生產(chǎn)能力見表2。按照根據(jù)每個(gè)降段過程、排土過程的工程量計(jì)算所需的工程時(shí)間見表3。

根據(jù)表3中計(jì)算得到采排工程的時(shí)間進(jìn)度情況，結(jié)合不同降段深度所對(duì)應(yīng)的水平、自重應(yīng)力大小和穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以得到自重和水平應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及時(shí)效穩(wěn)定性的變化規(guī)律，如圖14所示。

從圖14可知，開挖降段過程中，自重應(yīng)力和水平應(yīng)力隨工程時(shí)間的增長(zhǎng)均呈線性下降，不同于按照降段深度擬合的規(guī)律。端幫穩(wěn)定系數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈二次函數(shù)規(guī)律下降，與穩(wěn)定系數(shù)和降段深度擬合的負(fù)指數(shù)下降規(guī)律也有一定的差異;而排土過程中，穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律與之前的規(guī)律較為接近。綜合以上分析可知，端幫內(nèi)部應(yīng)力大小和穩(wěn)定性應(yīng)該綜合工程順序和時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保其時(shí)效穩(wěn)定性與工程環(huán)節(jié)及時(shí)間因素充分結(jié)合，提高時(shí)效評(píng)價(jià)的可靠度。

表2 露天礦幾何參數(shù)和生產(chǎn)能力
Table 2 Mining geometry parameter and production capacity of open pit mine

表3 采、排工程的時(shí)間進(jìn)度情況
Table 3 Time schedule of excavation and inner dumping

降段過程/m50100150200250300工程方量/Mm3226.41151.715111.58075.51943.45214.557降段工程時(shí)間/月18.8712.649.306.293.621.21內(nèi)排工程時(shí)間/月22.6415.1811.167.554.351.46

圖14 采、排過程中端幫應(yīng)力和穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.14 Stress and stability factor change rule in the process of excavation and inner dumping

4 結(jié) 論

(1)分析了適用于擴(kuò)建和新建露天礦的2種節(jié)地減損開采技術(shù)方案；建立了降段或靠幫開采造成的不平衡應(yīng)力分異模型及其誘發(fā)的邊坡牽引式漸進(jìn)破壞模型。

(2)采用數(shù)值模擬分析了節(jié)地減損開采過程中水平應(yīng)力、自重應(yīng)力和穩(wěn)定性的變化規(guī)律。自重應(yīng)力和水平應(yīng)力均呈現(xiàn)以采場(chǎng)中心線為軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)；在采場(chǎng)范圍內(nèi)，自重應(yīng)力呈拱形結(jié)構(gòu)，水平應(yīng)力呈“楔形”結(jié)構(gòu)。

(3)從0～300 m的降段過程中，自重和水平應(yīng)力的峰值呈二次函數(shù)下降，并分別降低了1.6 MPa和5.6 MPa。端幫從37°～45°的靠幫開采過程中，自重和水平應(yīng)力的峰值呈二次函數(shù)規(guī)律增大。并分別提高了0.5 MPa和9.4 MPa。

(4)在開挖降段過程中，端幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從2.23下降到0.83；其下降規(guī)律表現(xiàn)為隨開挖降段深度呈負(fù)指數(shù)降低，隨開挖時(shí)間呈線性規(guī)律下降。內(nèi)排回填過程中，端幫穩(wěn)定系數(shù)從0.83提高到1.87，穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)排回填高度、時(shí)間均呈現(xiàn)指數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律。