露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采不同坡高影響下覆巖采動(dòng)響應(yīng)特征研究

羅 浪 李小雙 王運(yùn)敏

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

磷礦是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，自上世紀(jì)50年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)數(shù)十年持續(xù)高強(qiáng)度的開(kāi)采，絕大多數(shù)露天礦山已經(jīng)進(jìn)入深凹露天開(kāi)采階段，大部分礦山正在或者已經(jīng)轉(zhuǎn)入深凹地下開(kāi)采。露天礦進(jìn)入深凹開(kāi)采階段后，一方面采場(chǎng)水平不斷延深，采場(chǎng)作業(yè)尺寸逐漸縮小，工作寬度變窄，運(yùn)輸效率降低；另一方面露天邊坡越來(lái)越高，邊坡控制和管理的難度愈加困難，對(duì)安全生產(chǎn)的威脅日益加劇。因此，隨著露天坑的延伸擴(kuò)大，剝采比增幅顯著，并形成了深凹底坑和陡峭的露天終了邊坡，使得礦山開(kāi)采不僅技術(shù)難度加大，而且無(wú)經(jīng)濟(jì)效益可言。礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后，露天終了邊坡及坑底周圍巖體與地下開(kāi)采組成統(tǒng)一的復(fù)合開(kāi)采系統(tǒng)。露天終了邊坡及坑底周圍巖體在露天開(kāi)采時(shí)期受到開(kāi)挖卸荷的應(yīng)力擾動(dòng)，在局部地段產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在坡體內(nèi)形成潛在滑坡體。在此基礎(chǔ)上再轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采階段，地下礦體開(kāi)挖對(duì)其造成二次擾動(dòng)，并隨著開(kāi)挖空間的推進(jìn)，二次擾動(dòng)效果的動(dòng)態(tài)疊加，不斷地影響并改變其應(yīng)力與變形狀態(tài)。因此，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不是一個(gè)孤立的過(guò)程，需要把露天和地下作為一個(gè)整體，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃和完美銜接，實(shí)現(xiàn)總體安全高效開(kāi)采［1-2］。

本項(xiàng)目針對(duì)云南某緩傾斜含軟弱夾層中厚磷礦床露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采存在的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查取樣，室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)以及FLAC3D數(shù)值模擬［3］，對(duì)在邊坡影響下緩傾斜中厚磷礦體覆巖的采動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行研究分析，以確定露天終了邊坡的合理高度范圍。

1 工程概況

云南某緩傾斜含軟弱夾層中厚磷礦體的埋藏深度100～240 m，礦體厚度12～14 m，平均傾角16°，屬于典型的近淺埋緩傾斜中厚磷礦床。邊坡傾向與礦體和巖質(zhì)傾向反向，目前露天開(kāi)采高度約為40 m，坡度為45°，坡體內(nèi)無(wú)大的構(gòu)造結(jié)構(gòu)和軟弱面，組成邊坡的巖層均屬于中硬—堅(jiān)硬巖體，屬于典型的中高穩(wěn)定性反傾向巖質(zhì)邊坡。

2 模型與開(kāi)采方案建立

2.1 參數(shù)確定

按一定密度在磷礦體、采場(chǎng)圍巖及上覆巖體中取塊狀巖樣，依據(jù)國(guó)土資源部2015年頒布的《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》，將獲取的巖石樣品在實(shí)驗(yàn)室中加工成徑高尺寸為50 mm×25 mm和50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件［4］，通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)（島津AGI-250伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，每種巖石取4組，每組4個(gè)標(biāo)樣）計(jì)算得巖體抗拉強(qiáng)度，其破壞后的試件如圖1所示；通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)（TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，取巖石4組，每組4個(gè)標(biāo)樣）測(cè)得在不同圍壓下的軸向破壞強(qiáng)度，破壞后試件如圖2所示。計(jì)算得出邊坡、磷礦體及地下采場(chǎng)圍巖及上覆巖體的主要巖石力學(xué)性質(zhì)與變形特征參數(shù)（彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、泊松比）。然后根據(jù)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式［5-6］，對(duì)計(jì)算出的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減，得到最終所使用的巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 三維建模

運(yùn)用AutoCAD制圖軟件畫(huà)好平面模型，然后導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，對(duì)模型進(jìn)行非均勻的網(wǎng)格劃分，對(duì)需要重點(diǎn)研究的巖層如磷礦層及其直接和間接頂?shù)装暹M(jìn)行網(wǎng)格加密，其他巖層網(wǎng)格單元尺寸可按照規(guī)則適當(dāng)加大，坡高50 m最終模型尺寸為350 m×60 m×150 m，模型共劃分123 058個(gè)節(jié)點(diǎn)、117 125個(gè)六面體單元；坡高80 m為350 m×60 m×180 m，模型共劃分128 882個(gè)節(jié)點(diǎn)、122 350個(gè)六面體單元［7］。

2.3 邊界條件

為了盡可能模擬工程實(shí)際情況，約束模型前后左右四面的水平向位移，底部約束三向位移，頂部自由，在計(jì)算的時(shí)候不考慮其他構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮自重應(yīng)力，因此在模型垂直方向施加反向應(yīng)力加速度。在自重應(yīng)力下的初始地應(yīng)力平衡結(jié)果見(jiàn)圖3，其應(yīng)力值整體上隨著坡面的起伏而起伏，基本符合實(shí)際情況。

2.4 開(kāi)采方案

根據(jù)控制單一變量思想，除坡高這一變量不同之外，其他條件相同。開(kāi)采方式采取房柱法開(kāi)采，境界礦柱厚度為30 m，礦房長(zhǎng)度10 m，礦柱寬5 m，為連續(xù)型礦柱。整個(gè)礦體開(kāi)挖長(zhǎng)度為145 m，礦房分10步從左至右依次開(kāi)挖，礦柱分5步從右至左隔一回采。同時(shí)對(duì)邊坡和開(kāi)采區(qū)域設(shè)置11個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖4所示。

3 FLAC3D數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

為了研究不同邊坡高度影響下的采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布特征，需要對(duì)模型在每個(gè)開(kāi)挖步下的應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算、監(jiān)測(cè)和記錄。2種模型礦房5步開(kāi)挖完后垂直應(yīng)力分布如圖5所示；礦房10步開(kāi)挖完后垂直應(yīng)力分布如圖6所示；礦柱回采完畢后垂直應(yīng)力分布如圖7所示。

通過(guò)以上應(yīng)力云圖可以看出，隨著地下開(kāi)挖的進(jìn)行，開(kāi)挖過(guò)后的礦房形成采空區(qū)，其上方頂板形成應(yīng)力卸壓區(qū)，頂?shù)装逦恢脩?yīng)力值降低，這是由于磷礦層開(kāi)挖后形成臨空面，圍巖應(yīng)力得到釋放導(dǎo)致。同時(shí)，采場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力向前方巖體轉(zhuǎn)移，在前方形成應(yīng)力增壓區(qū)。5步開(kāi)挖后采場(chǎng)頂板垂直最大應(yīng)力值50 m坡高為43 kPa，80 m坡高為47 kPa，增幅達(dá)到9.5%；10步開(kāi)挖完畢后50 m坡高垂直應(yīng)力增大到55 kPa，80 m坡高增大到64 kPa，80 m模型相對(duì)50 m模型增幅達(dá)16.3%。隨著開(kāi)挖的逐步推進(jìn)，50 m坡高和80 m坡高最大垂直應(yīng)力值也逐步增大，但總體坡高80 m較坡高50 m頂板應(yīng)力值更大，圍巖穩(wěn)定性更低，安全性下降。

3.2 塑性區(qū)分析

圖8～圖10為各階段開(kāi)挖下采場(chǎng)塑性區(qū)分布情況。由圖可知，礦房開(kāi)挖過(guò)后形成采空區(qū)，圍巖應(yīng)力得到釋放，頂板受到拉應(yīng)力作用，出現(xiàn)拉伸破壞屈服區(qū)，而礦柱受到剪切力作用出現(xiàn)剪切破壞屈服區(qū)。隨著開(kāi)挖的逐步進(jìn)行，塑性區(qū)面積也在逐步擴(kuò)大。相比較于坡高50 m，坡高80 m回采完畢后塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)育，已波及坡面，這將不利于采場(chǎng)穩(wěn)定，在外部擾動(dòng)影響下，加大了巖體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)回采完畢后的礦柱處于臨界破壞狀態(tài)，主要為剪切破壞，此時(shí)在外部因素的擾動(dòng)下，可能導(dǎo)致礦柱發(fā)生剪切破斷，從而引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)導(dǎo)致其他礦柱的損壞，進(jìn)而使得采場(chǎng)整體垮塌破壞。

3.3 位移分析

模型在未進(jìn)行開(kāi)挖之前，位移分布基本跟巖層的分布一致，并出現(xiàn)一定程度下沉，基本符合客觀規(guī)律。圖11～圖12分別為2種坡高模型礦房開(kāi)挖完畢及礦柱回采完畢后的位移沉降云圖；圖13、圖14分別為2種模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各開(kāi)挖步下的頂板沉降曲線圖。

由圖11～圖14可以看出，隨著開(kāi)挖的逐步進(jìn)行，巖體內(nèi)的應(yīng)力也在不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在前10步開(kāi)挖中，頂板的最大沉降位置隨著開(kāi)采的向前推進(jìn)而向前移動(dòng)，無(wú)論是坡高50 m還是坡高80 m，規(guī)律都比較明顯，回采完畢后位移沉降最大值都發(fā)生在6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，且呈現(xiàn)出“拱”型。

坡高50 m開(kāi)挖完畢后最大位移沉降值為172 mm，回采完畢后最大位移沉降值為260.8mm，采場(chǎng)覆巖相對(duì)穩(wěn)定；坡高80 m開(kāi)挖完畢后最大位移沉降值為275 mm（相比坡高50 m增幅達(dá)59.8%），回采完畢后最大位移沉降值為397.0 mm（相比坡高50 m增幅達(dá)52.7%），此時(shí)采場(chǎng)覆巖達(dá)到比較充分的采動(dòng)階段，部分采場(chǎng)可能出現(xiàn)頂板冒落、片幫等現(xiàn)象［8］。

4 討論

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的研究主要集中在境界礦柱厚度的選取、開(kāi)采后坑底覆蓋層與隔離頂柱的穩(wěn)定性與適宜厚度、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等，對(duì)于地下采場(chǎng)在露天終了邊坡坡高及坡角影響下的覆巖采動(dòng)變形破壞特征研究較少［9］。由于礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受到礦山地質(zhì)賦存條件、采礦工藝、采礦方法等多方面影響，當(dāng)前露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采后礦山邊坡與地下采場(chǎng)圍巖及其上覆巖體的應(yīng)力分布特點(diǎn)、變形破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理的研究成果尚未形成系統(tǒng)的理論體系，露天終了邊坡與地下采場(chǎng)圍巖在開(kāi)采擾動(dòng)下的相互作用關(guān)系尚不明確，這也是下一步需要研究的內(nèi)容。

5 結(jié) 論

以云南滇池周邊典型的緩傾斜含軟夾層中厚磷礦床露天轉(zhuǎn)房柱法地下開(kāi)采為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查取樣和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，利用CAD、ANSYS和FLAC3D等軟件構(gòu)建在傾角為45°條件下露天終了邊坡為50 m和80 m的2種不同坡高的仿真分析模型，在房柱法開(kāi)采擾動(dòng)下對(duì)上覆巖層位移與應(yīng)力響應(yīng)特征進(jìn)行分析研究。研究表明：在露天終了邊坡為50 m時(shí)，地下開(kāi)采對(duì)覆巖影響相較80 m坡高小，此時(shí)圍巖相對(duì)穩(wěn)定，塑性區(qū)面積較小，整個(gè)巖體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。露天終了邊坡為80 m時(shí)，開(kāi)采對(duì)覆巖的擾動(dòng)較大，回采完畢后礦柱處于臨界破壞狀態(tài)，塑性區(qū)較50 m坡高進(jìn)一步發(fā)育并延伸至坡面，不利于礦山的安全穩(wěn)定。因此，綜合經(jīng)濟(jì)和安全性考慮，建議控制露天終了邊坡高度在50 m至80 m之間。