掛幫礦開采對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響*

趙永崗，章發(fā)光，王云，楊晶，李俊鵬，王文才

(1.包鋼(集團(tuán))公司白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭 014080；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，各類資源消耗速度也在不斷加大，從而使得各露天礦開采也在不斷向深部發(fā)展.隨著露天礦開采深度的增加，剝采比越來越大，使得露天開采的經(jīng)濟(jì)效益逐步變差，因此越來越多的大型露天礦開始轉(zhuǎn)入地下開采或者對(duì)掛幫礦進(jìn)行回收.在露天礦轉(zhuǎn)入地下開采或掛幫礦回收時(shí)，如何確保露天礦邊坡穩(wěn)定也成為各大露天礦共同面臨的難題[1-4].

所謂掛幫礦是指露天礦開采境界內(nèi)的礦體在境外延伸的部分.露天開采的礦山一般均存在掛幫礦體，根據(jù)其賦存部位分為端部的或上、下盤的掛幫礦體.由于掛幫礦開采中會(huì)擾動(dòng)露天礦最終邊坡，這就會(huì)使得露天礦最終邊坡的穩(wěn)定程度有所降低，甚至可能引起大規(guī)模滑坡等次生災(zāi)害[5-7].

1 研究背景

某鐵礦是我國具有代表性的綜合性多金屬共生礦山，蘊(yùn)含鐵、鈧、鈮、稀土等多種金屬.多年來的開采，一些采場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入露天末期開采，急需尋找接續(xù)資源.因此，有必要研究其掛幫礦的開采及其對(duì)已有邊坡的的穩(wěn)定性影響，為將來最大限度的回收掛幫礦提供參考.

2 數(shù)值模型建立及穩(wěn)定性觀測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)該鐵礦的地質(zhì)資料，確定表1的巖石物理力學(xué)參數(shù)，據(jù)此建立的掛幫礦開采邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示.模型長、寬、高分別為300 m，y方向的長度為40 m，z方向的高度為176 m，模型對(duì)x軸和y軸方向進(jìn)行位移和應(yīng)力約束，z軸底部進(jìn)行約束，上部為自由面，模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型.為了更好的分析掛幫礦開采時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性得影響，在圖1模型各臺(tái)階中部布置位移觀測(cè)點(diǎn)，從上到下依次為1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，1-6觀測(cè)點(diǎn).

表1 巖石的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 掛幫礦開采邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算模型

3 掛幫礦開采邊坡穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)圖1的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)掛幫礦開采擾動(dòng)露天礦最終邊坡進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，其在開采擾動(dòng)作用下達(dá)到平衡后，得到圖2，3的位移云圖和應(yīng)力云圖.

圖2(a)為掛幫礦開采邊坡水平位移云圖.由此可以看出，受開采擾動(dòng)的影響，掛幫礦開采下邊坡臺(tái)階發(fā)生明顯的破壞移動(dòng)現(xiàn)象，從巷道所在臺(tái)階依次向上發(fā)展.最大水平位移區(qū)域位于掛幫礦開采的上一臺(tái)階，并逐步向邊坡上部臺(tái)階減緩；其總體移動(dòng)趨勢(shì)是由邊坡的內(nèi)部向邊坡面移動(dòng).

圖2(b)為掛幫礦開采邊坡垂直位移云圖.由此可以看出，同樣受開采擾動(dòng)和邊坡自重的影響，在掛幫礦開采下巷道上部臺(tái)階和邊坡內(nèi)部發(fā)生明顯的破壞移動(dòng)現(xiàn)象，并且在掛幫礦開采區(qū)域形成明顯的垂直位移區(qū)域，其不同垂直位移的范圍由開采區(qū)域逐步向邊坡四周外呈擴(kuò)展?fàn)?最大垂直位移區(qū)域位于掛幫礦開采的上部臺(tái)階，并隨著與開采巷道高度的高度增大其垂直位移逐漸減小.

圖2 掛幫礦開采的位移云圖(a)水平位移云圖；(b)垂直位移云圖

圖3(a)為掛幫礦開采邊坡水平應(yīng)力云圖.由此可以看出，在掛幫礦開采下，掛幫礦開采巷道的頂板和平硐入口處發(fā)生了明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，致使在采空區(qū)處形成了不同方向的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈層狀分布；由于掛幫礦的開采，致使采空區(qū)頂部的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較突出，從而形成了較復(fù)雜的次生應(yīng)力場(chǎng)，引起采空區(qū)周圍的巖體發(fā)生變形和破壞現(xiàn)象，并且破壞現(xiàn)象逐步向邊坡內(nèi)部發(fā)展.

圖3(b)為掛幫礦開采邊坡垂直應(yīng)力云圖.由此可以看出，受掛幫礦開采擾動(dòng)影響，邊坡內(nèi)部覆巖能量得到釋放，致使采空區(qū)上部覆巖發(fā)生沉降，并使得覆巖應(yīng)力從采空區(qū)逐步向邊坡上部發(fā)展，且在采空區(qū)的頂部其應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯；在應(yīng)力集中足夠大的情況下，可能會(huì)使得邊坡內(nèi)部的覆巖向露天礦采場(chǎng)發(fā)生滑移，從而影響邊坡的穩(wěn)定性.

圖3 掛幫礦開采的應(yīng)力云圖(a)水平應(yīng)力云圖；(b)垂直應(yīng)力云圖

圖4為邊坡位移曲線圖.由此可以看出，整個(gè)位移曲線圖可以分為兩部分，一部分為邊坡各臺(tái)階穩(wěn)定狀態(tài)曲線，另一部分為邊坡各臺(tái)階在掛幫礦開采下的位移變化曲線.從邊坡各臺(tái)階位移變化曲線可以看出，邊坡各臺(tái)階隨著開采的進(jìn)行(即運(yùn)算步數(shù)增加)，位移先呈直線增加，然后增加速度逐步放緩直至趨于定值.這也說明，在掛幫礦開采下，位于采空區(qū)頂部(即1～6觀測(cè)點(diǎn))的邊坡巖體最先發(fā)生位移，當(dāng)采空區(qū)垮落的覆巖逐步對(duì)邊坡臺(tái)階形成支撐時(shí)位移逐步減緩，直到位移終止.

圖4 邊坡位移曲線圖

采空區(qū)上部臺(tái)階位移規(guī)律相似，即隨著開采的進(jìn)行，采空區(qū)上部臺(tái)階由下至上依次發(fā)生位移，即位于上部的臺(tái)階有延遲位移現(xiàn)象，且由于垮落巖體對(duì)采空區(qū)的支撐，后續(xù)垮落臺(tái)階的位移明顯比其下部臺(tái)階的位移小.隨著開采的結(jié)束(即運(yùn)算步數(shù)終止)，邊坡最大位移為采空區(qū)頂部，最大位移值為5.0 cm左右，最小位移臺(tái)階為邊坡最上部臺(tái)階，位移值為1.5 cm左右.可見，采空區(qū)已經(jīng)引起了邊坡內(nèi)部及表面的滑移，但邊坡表面滑移要小于其采空區(qū)頂部的滑移.

4 結(jié)論

(1)受掛幫礦開采擾動(dòng)影響，邊坡從采空區(qū)所在臺(tái)階依次向上發(fā)生滑移現(xiàn)象.最大水平移動(dòng)區(qū)域位于掛幫礦開采采空區(qū)的上一臺(tái)階，逐步向邊坡內(nèi)部和上部臺(tái)階減緩，總體移動(dòng)趨勢(shì)是由邊坡上部臺(tái)階和內(nèi)部向露天礦邊坡移動(dòng).

(2)受開采擾動(dòng)影響，采空區(qū)上部頂板和平硐入口處發(fā)生了明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，致使采空區(qū)頂部形成了不同方向的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈層狀分布，在應(yīng)力集中足夠大的情況下，可能會(huì)使得邊坡內(nèi)部的覆巖向露天礦采場(chǎng)發(fā)生滑移，從而影響邊坡的穩(wěn)定性.

(3)采空區(qū)上部臺(tái)階位移規(guī)律相似，即隨著開采的進(jìn)行，采空區(qū)上部臺(tái)階由下至上依次發(fā)生位移，且由于垮落巖體對(duì)采空區(qū)的支撐，后續(xù)垮落臺(tái)階的位移明顯比其下部臺(tái)階的位移小.