甲瑪多金屬礦露井聯(lián)采條件下露天邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

吳 丹，王志修，2，于世波，2

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

目前，我國(guó)露天礦山普遍面臨深凹開(kāi)采問(wèn)題，隨著開(kāi)采深度增加，礦山開(kāi)采成本不斷增加，安全生產(chǎn)問(wèn)題也逐漸凸顯，為降低生產(chǎn)成本及增強(qiáng)生產(chǎn)安全性，相關(guān)露天礦山企業(yè)采用露井聯(lián)采生產(chǎn)方式，以降低生產(chǎn)成本[1-4]。但在露井聯(lián)采過(guò)程中，采動(dòng)效應(yīng)會(huì)疊加增強(qiáng)，露天邊坡會(huì)受到數(shù)個(gè)應(yīng)力場(chǎng)作用，容易引起露天邊坡滑塌、地表塌陷、排土場(chǎng)滑坡等災(zāi)害事故，不僅影響礦山的生產(chǎn)安全，也增加了露天邊坡及排土場(chǎng)的維護(hù)費(fèi)用。為了確保礦區(qū)的安全生產(chǎn)，必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[5-11]，因此，需要研究露井聯(lián)采作用邊坡?lián)p害機(jī)理及其穩(wěn)定性控制技術(shù)。

本文以甲瑪多金屬礦采區(qū)露井聯(lián)采為工程背景，運(yùn)用3DMINE-FLAC3D耦合建立大型三維地質(zhì)模型，根據(jù)分析邊坡應(yīng)力云圖及邊坡位移云圖，在露井聯(lián)采條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為礦山安全開(kāi)采和降低成本提供科學(xué)指導(dǎo)[12]。

1 工程概況

甲瑪多金屬礦位于高原地區(qū)，目前該礦區(qū)采用聯(lián)合開(kāi)采。角巖型礦體采用露天開(kāi)采，露天采礦主要包括三個(gè)露天采場(chǎng)：銅鉛山、牛馬塘和角巖。其中，銅鉛山和牛馬塘采場(chǎng)已回采結(jié)束，角巖采場(chǎng)已開(kāi)始部分剝離及采礦工作?，F(xiàn)該礦山準(zhǔn)備進(jìn)行地下開(kāi)采，開(kāi)采區(qū)域位于露天坑下部，地下礦體采用中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行大規(guī)模回采。一步驟采場(chǎng)采用全尾砂膠結(jié)充填，灰砂比平均為1∶8。二步驟采場(chǎng)采用全尾砂充填，充填濃度72%，尾砂充填料中添加1.5%的水泥，以防止尾砂液化。二步驟采場(chǎng)底部6 m及上部接頂部分4 m采用膠結(jié)充填[13]。

2 復(fù)雜厚大礦體大規(guī)模開(kāi)采區(qū)域模型及回采方案

由于該礦山地下開(kāi)采和多露天采場(chǎng)聯(lián)合開(kāi)采，相互之間可能存在干擾和影響，為了分析彼此之間相互影響和干擾的程度，首先必須清楚地下大規(guī)模開(kāi)采區(qū)域與露天采場(chǎng)之間的位置關(guān)系。采用3DMINE三維軟件建立了該礦區(qū)大規(guī)模開(kāi)采區(qū)域和上覆露天采場(chǎng)的三維地質(zhì)模型，如圖1所示。

圖1 地下礦體開(kāi)采區(qū)域與露天采場(chǎng)位置關(guān)系圖Fig.1 Relationship between underground mining area and open-pit mining position

地下礦體回采區(qū)域包括一、二、三標(biāo)段。一標(biāo)段開(kāi)采標(biāo)高為4 460～4 490 m，平面上分六個(gè)盤(pán)區(qū)；二、三標(biāo)段開(kāi)采標(biāo)高為 4420～4 490 m，分3個(gè)階段，兩個(gè)標(biāo)段在平面上分四個(gè)盤(pán)區(qū)。水平方向上為間隔回采，豎向回采順序?yàn)樽韵露?，即先開(kāi)采一標(biāo)段(4 460～4 490 m)、二標(biāo)段(4 420～4 440 m)、三標(biāo)段三盤(pán)區(qū)(4 420～4 440 m)，后轉(zhuǎn)到4 440～4 465 m分段，最后開(kāi)采4 465～4 490 m分段；每一個(gè)分段盤(pán)區(qū)全部回采、充填完成之后才開(kāi)始上分段的回采、充填作業(yè)，直至全部回采、充填結(jié)束。

盤(pán)區(qū)內(nèi)礦體采用“隔三采一”的回采方式，順序?yàn)橄炔傻V房，后采礦柱；礦房和礦柱分步回采寬度均為15 m。每步采場(chǎng)回采完成后，礦房采用尾砂膠結(jié)充填，礦柱采用尾砂或廢石充填。

一標(biāo)段間隔回采依次分為六盤(pán)區(qū)—四盤(pán)區(qū)—一盤(pán)區(qū)—五盤(pán)區(qū)—三盤(pán)區(qū)+二盤(pán)區(qū)；二標(biāo)段間隔回采依次為三盤(pán)區(qū)—一盤(pán)區(qū)—四盤(pán)區(qū)—二盤(pán)區(qū)；三標(biāo)段間隔回采依次為三盤(pán)區(qū)—二盤(pán)區(qū)—四盤(pán)區(qū)—一盤(pán)區(qū)。

1)一標(biāo)段六盤(pán)區(qū)(4 460～4 490 m，以下2)至5)同)、二標(biāo)段三盤(pán)區(qū)(4 420～4 440 m，以下2)至5)同)、三標(biāo)段三盤(pán)區(qū)(4 420～4 440 m，以下2)至5)同)，同時(shí)回采同時(shí)充填；

2)一標(biāo)段四盤(pán)區(qū)、二標(biāo)段一盤(pán)區(qū)、三標(biāo)段二盤(pán)區(qū)，同時(shí)回采同時(shí)充填；

3)一標(biāo)段一盤(pán)區(qū)、二標(biāo)段四盤(pán)區(qū)、三標(biāo)段四盤(pán)區(qū)，同時(shí)回采同時(shí)充填；

4)一標(biāo)段五盤(pán)區(qū)、二標(biāo)段二盤(pán)區(qū)、三標(biāo)段一盤(pán)區(qū)，同時(shí)回采同時(shí)充填；

5)一標(biāo)段三盤(pán)區(qū)+二盤(pán)區(qū)，同時(shí)回采同時(shí)充填；

6)轉(zhuǎn)到4 440～4 465 m分段中，二、三標(biāo)段間隔回采順序同4 420～4 440 m，同時(shí)回采同時(shí)充填；

7)轉(zhuǎn)到4 465～4 490 m分段中，二、三標(biāo)段間隔回采順序同4 420～4 440 m，同時(shí)回采同時(shí)充填。至此全部結(jié)束。

3 工程地質(zhì)模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)建

結(jié)合該礦區(qū)地質(zhì)資料及開(kāi)采現(xiàn)狀，建立該礦開(kāi)采區(qū)域的三維工程地質(zhì)模型。模型共劃分為448 809個(gè)單元，主要包括所選定的地下礦體開(kāi)采區(qū)域以及牛馬塘、角巖兩個(gè)露天采場(chǎng)及開(kāi)采區(qū)域?qū)?yīng)的地表影響范圍，模型上部邊界為實(shí)際地表。為了清晰地分析地下礦體開(kāi)采過(guò)程對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響，最大程度反映地下礦體開(kāi)采過(guò)程對(duì)露天礦的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在兩個(gè)露天采場(chǎng)的不同位置選取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)和典型剖面。圖2是工程地質(zhì)力學(xué)模型及具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模型采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 工程地質(zhì)力學(xué)模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Engineering geological mechanical model and monitoring point layout

表1 工程巖體物理力學(xué)特性指標(biāo)[12]Table 1 Physical and mechanical parameters of engineering rock mass

4 模擬結(jié)果分析

4.1 地下礦體回采對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響

通過(guò)圖3模擬結(jié)果可以看出，在不同回采階段應(yīng)力表現(xiàn)不盡相同，在4 420～4 440 m 階段開(kāi)采充填后，回采造成區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改變較小，只是在采礦區(qū)域附近的盤(pán)區(qū)柱和周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)整個(gè)地下礦體回采和露天采場(chǎng)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響甚微；在4 440～4 465 m開(kāi)采充填后，在采礦區(qū)域附近盤(pán)區(qū)柱和周邊的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步提高，且對(duì)于整個(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改變比較明顯；在4 465～4 490 m開(kāi)采充填后，礦柱及回采范圍周邊的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力集中程度大幅度提高，且對(duì)于整個(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改變明顯，頂板的卸壓區(qū)域已經(jīng)溝通到頂板以上200 m高度。在三個(gè)回采階段的盤(pán)區(qū)內(nèi)部，充填區(qū)域成為應(yīng)力釋放的空間，其支撐作用相對(duì)有限，對(duì)于覆巖的支撐，主要靠盤(pán)區(qū)柱及盤(pán)區(qū)周邊的圍巖實(shí)現(xiàn)。

圖3 典型剖面不同階段回采豎直方向應(yīng)力圖Fig.3 Vertical stress diagram of different stages of typical sections

通過(guò)圖4可以看出，地下礦體回采完畢后，開(kāi)采區(qū)域的頂板區(qū)域中出現(xiàn)一定高度的卸壓，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)一定程度的覆巖移動(dòng)，這是由于最小主應(yīng)力轉(zhuǎn)移重分布范圍相對(duì)較大，對(duì)于整個(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改變較大；最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移相當(dāng)有限。同時(shí)可以看出，充填區(qū)域受到膠結(jié)充填體和非膠結(jié)充填體的作用，成為應(yīng)力釋放的空間，其支撐作用相對(duì)有限，主要靠盤(pán)區(qū)柱及盤(pán)區(qū)周邊圍巖實(shí)現(xiàn)對(duì)于覆巖的支撐，因此，盤(pán)區(qū)柱及周邊均產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中。地下礦體回采充填對(duì)于頂板及露天采場(chǎng)的影響較小，對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用基本不構(gòu)成影響。

圖4 回采結(jié)束典型剖面主應(yīng)力分布圖Fig.4 Typical section principal stress distribution diagram at the end of mining

4.2 露天邊坡變形分析

由于地下礦體開(kāi)采范圍廣、開(kāi)采深度較大，雖然采用充填采礦方法，但是礦體在不同階段回采過(guò)程中引起頂板覆巖移動(dòng)和露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響存在一定差異。開(kāi)采回填第1步后即一標(biāo)4 460～4 490 m、二、三標(biāo)4 420～4 440 m，覆巖產(chǎn)生一定程度的下沉，但總的下沉量不大，整體的覆巖移動(dòng)范圍僅是在開(kāi)采區(qū)域周邊范圍；開(kāi)采回填第2步，即二、三標(biāo)4 440～4 465 m階段，開(kāi)采引起的覆巖沉降變形進(jìn)一步向上發(fā)展，但整體變形不大，圖5(a)僅為第2步回采充填后豎向變形分布圖；開(kāi)采回填第3步即二、三標(biāo)4 465～4 490 m階段，變形量較大的區(qū)域集中二、三標(biāo)的直接頂板區(qū)域，在直接頂板上最大變形量大約在10 cm，但呈現(xiàn)出連續(xù)變形趨勢(shì)。

圖5 典型剖面不同階段回采豎直變形分布圖Fig.5 Vertical deformation distribution map of different stages of typical sections

通過(guò)圖6可以看出，地下大規(guī)?；夭蓪?duì)角巖露天采場(chǎng)具有一定的影響，在一標(biāo)4 460～4 490 m的1～6盤(pán)區(qū)和二、三標(biāo)4 420～4 440 m的1～4盤(pán)區(qū)開(kāi)采時(shí)，地下回采過(guò)程中牛馬塘露天采場(chǎng)和角巖露天采場(chǎng)產(chǎn)生的豎向變形，最大變形量在牛馬塘露天坑2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移為26 mm。說(shuō)明該區(qū)域是受地下開(kāi)采影響最大的區(qū)域，在地下開(kāi)采時(shí)，必須加強(qiáng)該區(qū)域的邊坡監(jiān)測(cè)。由于地下礦體回采導(dǎo)致的地表變形的整體變形量均不大，在開(kāi)采充填完畢后均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 露天坑變形量—計(jì)算時(shí)步關(guān)系曲線圖Fig.6 Open-pit deformation-calculation time step curve

4.3 不同工況下露天邊坡安全系數(shù)分析

選取地下開(kāi)采對(duì)角巖西端幫影響較大的典型計(jì)算剖面，分別應(yīng)用Slide6和Phase2軟件，采用簡(jiǎn)化Bishop法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。主要考慮不受地下開(kāi)采影響的普通工況和受地下開(kāi)采影響的兩種情況(考慮角巖已經(jīng)開(kāi)采完畢的極限條件)。

通過(guò)表2及圖7、8可以看出，簡(jiǎn)化Bishop法在地下有無(wú)開(kāi)采時(shí)計(jì)算的結(jié)果一致，說(shuō)明此種算法條件下的角巖露天礦西端幫的邊坡失穩(wěn)破壞由自身的邊坡特性決定；強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果顯示，在角巖露天礦閉坑后，大規(guī)模開(kāi)采區(qū)域的地下開(kāi)采完畢后較未開(kāi)采時(shí)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)升高(地震工況下安全系數(shù)升高有限)，說(shuō)明地下開(kāi)采的區(qū)域和范圍在合理布置的基礎(chǔ)上從某些方面來(lái)說(shuō)對(duì)于露天邊坡的穩(wěn)定是有益的。

表2 角巖西端幫邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表Table 2 Summary of calculation results of safety factor of west slope of Jiaoyan

圖7 極限平衡分析法各種工況計(jì)算結(jié)果圖Fig.7 Calculation results of limit equilibrium analysis under different working conditions

圖8 強(qiáng)度折減法各種工況計(jì)算結(jié)果圖Fig.8 Calculation results of various working conditions by strength reduction method

5 結(jié)論

以甲瑪多金屬礦露井聯(lián)采為研究對(duì)象，通過(guò)建立大范圍區(qū)域規(guī)劃的地下開(kāi)采范圍、露天采坑三維地質(zhì)力學(xué)模型，研究采礦區(qū)域范圍覆巖移動(dòng)特性及地表露天邊坡的變形響應(yīng)。通過(guò)分析可知：

1)地下礦回采過(guò)程中，在完成一標(biāo)4 460～4 490 m和二、三標(biāo)4 420～4 465 m回采充填后，開(kāi)采區(qū)域?qū)φ麄€(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的重分布影響甚微；在4 465～4 490 m回采后，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)受到較大影響，頂板卸壓程度加大，頂板變形量較大。

2)礦體回采過(guò)程中，礦柱及回采范圍周邊的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)大，在三個(gè)回采階段的盤(pán)區(qū)內(nèi)部，受到充填的作用，成為應(yīng)力釋放的空間，其支撐作用相對(duì)有限，主要靠盤(pán)區(qū)柱及盤(pán)區(qū)周邊的圍巖實(shí)現(xiàn)對(duì)于覆巖的支撐。

3)地下大規(guī)模開(kāi)采基本未對(duì)牛馬塘露天采場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，但對(duì)角巖露天坑產(chǎn)生一定程度的影響，通過(guò)合理安排地下礦體及角巖露天采場(chǎng)開(kāi)采順序，并加強(qiáng)該區(qū)域的邊坡監(jiān)測(cè)控制，對(duì)礦體進(jìn)行安全高效的開(kāi)采工作。