井工采區(qū)不同開(kāi)采時(shí)序?qū)吰禄破茐臋C(jī)制的影響

孫世國(guó) 張聿堯 王 佳

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

0 引言

露井同期開(kāi)采方式大幅提高了資源開(kāi)采效率與經(jīng)濟(jì)效益,但與單一的井下開(kāi)采或露天開(kāi)采相比,露天和井工開(kāi)采同時(shí)進(jìn)行，2種開(kāi)采擾動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生疊加[1]，井工開(kāi)采容易引發(fā)采區(qū)上方圍巖失穩(wěn)破壞，露天邊坡因受到井工采動(dòng)影響誘發(fā)滑坡[2-3]。一旦發(fā)生滑坡將會(huì)對(duì)地面人員、設(shè)備和地下采場(chǎng)造成嚴(yán)重威脅。因此，研究單一井工開(kāi)采方式下邊坡滑移變形演化規(guī)律,可以為露井聯(lián)采設(shè)計(jì)和安全防控提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。以紫荊山金銅礦開(kāi)采為例，研究不同開(kāi)采時(shí)序?qū)β短爝吰聨r體變形演化機(jī)制的影響。

1 工程概況

紫金山金銅礦位于福建省上杭縣，屬于武夷山脈，礦床分布為上部為金礦下部銅礦。采區(qū)分布區(qū)域如圖1所示。

圖1 采區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)示意圖

圖1中，A區(qū)坡面最大高度628 m，整體邊坡角43°；B區(qū)邊坡最終邊坡高度748 m，整體邊坡角42°，最終開(kāi)采至露天終了剖面線后，形成最深處標(biāo)高+100 m，垂直深度648m的高陡邊坡體。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)開(kāi)采方案，露天開(kāi)采至+100 m水平后，進(jìn)行井工開(kāi)采；井采深度分為0，-10，-50，-100，-100～-200 m 5個(gè)中段[4]。根據(jù)紫金山金銅礦采場(chǎng)地質(zhì)條件，確定A區(qū)最薄弱的A-A剖面作為研究對(duì)象。采場(chǎng)A-A剖面地層分布簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

圖2 采場(chǎng)A-A剖面地層分布簡(jiǎn)化示意圖

2 數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)各階段礦石儲(chǔ)量情況，設(shè)計(jì)B1,B2,B3,B4,B5為備采礦房，C1,C2,C3,C4為采準(zhǔn)礦房。利用數(shù)值模擬有限差分法對(duì)A-A剖面進(jìn)行模擬，計(jì)算其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及變化規(guī)律。模型x方向長(zhǎng)度1 130 m，y方向的垂直高度為1 048 m，z方向延伸200 m，井工開(kāi)挖的方向設(shè)定為由B2礦房至B4礦房方向；開(kāi)挖傾向設(shè)定為從B3礦房開(kāi)始至C3礦房結(jié)束。根據(jù)礦房的空間位置分布，設(shè)計(jì)為5步開(kāi)挖，每步的開(kāi)挖長(zhǎng)度20 m，礦房平均寬度50 m。A-A剖面的三維模型邊界設(shè)定為底部和兩側(cè)為固定約束，臨空面為自由約束。紫金山金銅礦采場(chǎng)邊坡的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 采場(chǎng)巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 整體到界邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)整體邊坡應(yīng)力分布進(jìn)行分析。當(dāng)露天開(kāi)采至+100 m時(shí)，兩側(cè)邊坡都在坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，右側(cè)邊坡由于高度較高其邊坡穩(wěn)定性也較差，最大剪應(yīng)力也出現(xiàn)在右側(cè)邊坡，最大剪應(yīng)力達(dá)到3.07 MPa。小于主要分布巖層Ⅰ的抗剪強(qiáng)度值4.62 MPa，不產(chǎn)生破壞。東西幫A-A剖面開(kāi)挖至+100 m時(shí)，xy平面剪應(yīng)力變化色譜圖如圖3所示。

圖3 東西幫A-A剖面開(kāi)挖至+100 m，xy平面剪應(yīng)力變化色譜圖

3.2 邊坡巖土滑移機(jī)制模擬分析

開(kāi)挖0～-100 m中段坡腳的礦體時(shí)，邊坡不同位點(diǎn)沿剖面水平方向的位移結(jié)果如圖4所示。

圖4 坡腳區(qū)開(kāi)挖完成后+60 m水平位移變化曲線

從圖4可以看出，隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，上部坡體沉降量增大，產(chǎn)生移動(dòng)區(qū)域增大，邊坡整體向坡腳區(qū)滑移，最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)上側(cè)，最大水平位移達(dá)到2.21 m。模擬結(jié)果顯示：隨著開(kāi)挖推進(jìn)，邊坡水平方向位移變化較大。采空區(qū)上側(cè)塑性區(qū)范圍增大，且與上部邊坡塑性區(qū)產(chǎn)生貫通，整體強(qiáng)度減弱，巖性遭到破壞，坡腳處巖體裂隙增加且出現(xiàn)應(yīng)力集中，邊坡整體穩(wěn)定性減弱。當(dāng)優(yōu)先開(kāi)采坡中區(qū)礦體時(shí)，邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在采空區(qū)右側(cè)，最大剪應(yīng)力值2.26 MPa。開(kāi)挖完成后采空區(qū)上部塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，與坡面裂隙帶、彎曲下沉帶貫通，采空區(qū)上部整體穩(wěn)定性遭到破壞。分析開(kāi)挖前后不同測(cè)線的位移變化，得出采空區(qū)與邊坡的位移變化規(guī)律：采空區(qū)上部區(qū)域產(chǎn)生較大位移，采空區(qū)周?chē)鷰r體受開(kāi)采的影響，上部坡體向采空區(qū)方向產(chǎn)生位移，采空區(qū)上部+60 m水平線、+100 m水平線和坡面線都產(chǎn)生了較大豎向位移，影響范圍依次減小。其中，+60 m處最大豎向位移達(dá)到3.5 m,最大水平位移達(dá)到1.5 m。分析位移可知，采空區(qū)上方巖體及坡體受開(kāi)挖擾動(dòng)，整體向采空區(qū)方向滑移。分析應(yīng)力可知：采空區(qū)上部出現(xiàn)拉應(yīng)力，采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力，采空區(qū)左右兩側(cè)都出現(xiàn)了應(yīng)力集中，左側(cè)應(yīng)力集中更加明顯，距離采空區(qū)越遠(yuǎn)影響越小。綜上可知，當(dāng)井采區(qū)位于坡中時(shí)，增大了下山區(qū)域的坡角，采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，不利于邊坡穩(wěn)定性。

分析模擬結(jié)果，開(kāi)采坡外區(qū)域礦體時(shí)，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在xz平面，最大值為5.22 MPa；z方向剪應(yīng)力主要分布于采空區(qū)兩側(cè)，最大剪應(yīng)力2.5 MPa。通過(guò)分析位移云圖(見(jiàn)圖5)，位移主要集中出現(xiàn)在采區(qū)上方，對(duì)整體邊坡位移影響范圍較小，最大豎向位移0.76 m；最大水平位移0.15 m，水平位移和豎向位移相比于坡腳和坡中采區(qū)有明顯降低。

圖5 坡外區(qū)礦體開(kāi)挖后z方向位移變化色譜圖(單位：m)

通過(guò)分析塑性區(qū)色譜圖(見(jiàn)圖6)可知，采區(qū)位于坡外時(shí)，相比于坡腳坡中采區(qū)塑性范圍明顯縮小，“三帶”尚未貫通。綜上，當(dāng)開(kāi)挖在坡外進(jìn)行時(shí)，水平位移和豎向位移相較于坡腳坡中開(kāi)采明顯減小，塑性區(qū)未貫通，整體坡角較小，因此有利于邊坡穩(wěn)定性[5-10]。

圖6 坡外區(qū)礦體開(kāi)挖后xz平面塑性區(qū)色譜圖

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)邊坡臨界滑移場(chǎng)技術(shù)確定臨界滑動(dòng)面[11]，利用極限平衡法計(jì)算采區(qū)位于坡腳、坡中、坡外3種開(kāi)采位置的邊坡穩(wěn)定系數(shù)；極限平衡法采用Morgenstern-Price法、Janbu法、Bishop法、Odinary法分別計(jì)算，最終取平均值對(duì)3種開(kāi)采位置的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析并與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證。3種開(kāi)采位置的危險(xiǎn)滑面及其安全系數(shù)如表2所示。

表2 采區(qū)位于坡腳、坡中、坡外區(qū)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

從表2可知，當(dāng)采區(qū)位于坡腳、坡中、坡外時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)平均值分別為0.879，0.945，1.431；分析以上3種開(kāi)采方式下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可知，坡腳處開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最低，對(duì)邊坡穩(wěn)定性最不利；坡外處開(kāi)采對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最小，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

露井同期開(kāi)采過(guò)程中，井采區(qū)位于邊坡體不同空間位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的作用機(jī)制。其中，井采區(qū)位于邊坡的坡腳區(qū)時(shí)，由于井采區(qū)的開(kāi)采直接破壞了坡腳區(qū)邊坡巖體，從而導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞；當(dāng)井采區(qū)位于坡中區(qū)時(shí)，由于井采區(qū)的開(kāi)采破壞了坡中區(qū)圍巖及邊坡巖體，并導(dǎo)致邊坡上部坡體的坡角增大，下部坡角減小，因此有可能導(dǎo)致部分上部坡體的失穩(wěn)破壞；當(dāng)井采區(qū)位于坡外區(qū)時(shí)，由于采區(qū)的開(kāi)采直接破壞了坡外區(qū)巖體，在其影響范圍內(nèi)減緩整體或部分上部坡體的坡角，從而有利于邊坡整體穩(wěn)定性。

綜上，可以看出井采區(qū)與邊坡巖體不同空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，井采區(qū)的開(kāi)采對(duì)邊坡巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響和破壞機(jī)制完全不同。因此，在露井聯(lián)合開(kāi)采過(guò)程中需要結(jié)合開(kāi)采實(shí)際情況，優(yōu)化開(kāi)采順序關(guān)系，避免產(chǎn)生滑坡破壞，影響安全生產(chǎn)。