露天转地下开采采场及边坡稳定性影响分析

露天转地下开采采场及边坡稳定性影响分析

田津全

贵州汾璟源矿业工程咨询有限公司  贵州  贵阳 550001

摘要：露天转地下开采的矿山，地下开采会不同程度的影响地表边坡的稳定性，针对银厂沟磷矿露天转地下开采方案，采用数值模拟方式分析地下开采不同采矿方法对露天边坡稳定性的影响。分析结果标明：在边坡未受地下开采扰动时，最终边坡的安全系数为1.992；当地下采用房柱法开采时，边坡安全系数降至1.414；当地下采用充填法开采时，开采结束后边坡安全系数未发生改变；分析结果可为该矿下一步地下开采采矿方法的选用提供借鉴和参考。

关键词：数值模拟；边坡稳定性；采矿方法；强度折减法；安全率；

0 引言

银厂沟磷矿为露天转地下开采矿山，前期开采露天部分，由于露天部分资源量少，服务年限短，最终边坡下方还存在大量资源有待后期地下开采，地下开采导致边坡岩体变形和移动容易诱发边坡失稳，造成边坡滑坡、地面塌陷等问题，选用不同的采矿方法对边坡的稳定性影响差异较大，生产期间既要保证露天边坡的稳定性，也要保证地下采场的稳定性，结合该矿矿体赋存情况、工程地质条件，建立边坡数值模型，采用FLAC3D软件分析地下不同采矿方法开采时对露天边坡稳定性的影响以及采场自身的稳定性。

1 工程概况

银厂沟磷矿矿体赋存于寒武系下统戈仲伍（∈1gz），矿体岩层主要为砂屑状磷块岩、条纹、条带状白云质磷块岩，裂隙发育，性脆易碎，风化程度强、中、弱不等，钻孔RQD值81％，岩石质量好的，岩体较完整，但中、深部弱风化，岩石单轴抗压强度22.99～25.69MPa，力学强度较高，矿体稳定性较好。矿体直接顶板为白云岩、含磷白云岩，局部为泥岩，厚7.52～14.21m，其浅部和地表裂隙发育，深部风化弱，节理裂隙不发育，性脆易碎，钻孔RQD值52％，岩石质量中等，岩体中等完整，岩石单轴抗压强度14.40～29.37MPa，力学强度较高，稳固性较好。间接顶板为寒武系下统牛蹄塘组（∈1n）和明心寺组（∈1m），岩性为细砂岩、粉砂岩及泥岩，地表由于风化作用裂隙较发育，深部不发育，钻孔RQD值52%，岩石质量中等的，岩体完整性中等完整，岩石单轴抗压强度为6.84～11.28MPa，内摩擦角（自然状态）22.9～31.0°，力学强度较低，稳固性较差。底板为震旦系上统灯影组（Z2dy）,岩性主要为白云岩、硅质白云岩，其浅部和地表裂隙发育，深部风化弱，节理裂隙不发育，性脆易碎，钻孔RQD值为43％，岩石质量极劣，岩体完整性差，但岩石单轴抗压强度25.33～29.37MPa，力学强度较高，其稳固性较好。

由于该矿露天开采服务年限短，很有必要对下一步地下开采提前进行论证。

2 数值模型

2.1 基本假设

鉴于地下开采技术条件复杂多变，为便于建模和分析计算，需做出如下假设[1]：（1）矿岩体假设为理想弹塑性体，在屈服点以后，随着塑性流动，材料强度和体积无改变；（2）矿体和围岩为局部均质、各向同性的材料，塑性流动不改变材料各向同性；（3）开挖区域构造简单，不考虑构造应力；（4）不考虑应变硬化（或软化）；（5）不考虑地下水的影响。

2.2 三维模型构建

模型构建是FLAC3D运算的基础，也是分析结果精准度的关键影响因素，在对矿体开采模拟过程中，既要满足工程计算精度及可靠性的要求，又要考虑到计算机的计算速度，最终选取该矿重点开采区域作为研究对象来建立数值模型。首先采用AutoCAD软件建立平面模型，再采用Rhino软件和griddle插件建立数值模型并导入FLAC3D软件中，选取矿体倾向方向为X轴方向，走向方向为Y轴方向，垂高方向为Z轴方向，模型的区域范围长×宽×高＝450m×150m×236m，并对开挖区域附近的网格进行加密，边坡模型如图1所示。

图1  边坡三维模型

2.3 计算方案

首先分析无地下开采扰动下最终边坡的稳定性，然后针对边坡下方分别采用房柱式采矿法和分条充填采矿法两种方法进行开挖模拟，分析不同采矿方法采场的稳定性以及边坡的稳定性，最终选取合适的采矿方法。

房柱式采矿方法设计如下：矿块走向长度60m×倾斜长度86m，矿块内矿房跨度8m，点柱形状为正方形，其宽度5m，间距8m×8m，矿块之间设置连续间柱，间距宽度5m，考虑到模型边界效应，沿模型开挖区域（Y轴方向）两侧留设45m边界影响区域。房柱式采矿方法采场模型如图2所示。

分条充填采矿法设计如下：沿盘区倾斜方向设置矿房、矿柱直至开采边界，矿房、矿柱走向长度为60m，矿房倾斜长度8m，矿柱倾斜长度5m，交替设置矿房、矿柱，先开采矿柱，采用高强度废石胶结充填体充填，待充填体达到设计规定的强度后再开采充填体之间的矿房，为方便计算分析，对开挖过程做一定简化，即先将矿柱全部开挖并充填完成后，再开挖全区矿房。分条充填采矿法采场模型如图3所示。

采场与边坡之间的矿体为境界矿柱，境界矿柱宽度统一设置为40m。

图2 房柱式采矿法采场布置图

图3 分条充填采矿法采场布置图

2.4 数值模型初始条件

（1）本构模型

模拟计算采用弹塑性模型，屈服准则采用摩尔—库伦准则，本构模型为摩尔—库伦模型，摩尔—库伦破坏准则考虑了正应力或平均应力的最大剪应力或单一剪应力的屈服理论，材料发生屈服破坏，其适用于大多数岩体力学工程计算。

  （1）

                     （2）

式中：为抗拉强度，为内摩擦角，为内聚力，为第一主应力，为第三主应力，、为破坏判定系数。当单元回归应力满足时，表示单元满足剪切破坏条件，当时，表示单元受拉破坏[2]。

（2）应力条件

本研究初始应力场采用自重应力。

（3）边界条件

本模型边界约束采用位移约束的边界条件。模型前后左右各侧面及下边界均取该面法向的位移约束，上边界面为自由边界。模拟开采的矿山由于条件的限制无法测定初始地应力，因而本研究只考虑岩体的自重应力，并忽略其构造应力的影响。

（4）岩体及充填体力学参数

结合矿山地质资料，废石胶结充填体参数引用相关研究报告[3]，本次模拟过程中矿岩力学参数见表1。

表1  矿岩与充填体物理力学参数表

3 模拟结果分析

3.1 未开采扰动下最终边坡的稳定性分析

本次研究采用强度折减法分析未开采扰动下最终边坡的稳定性，强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为：使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度，即定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。强度折减法的要点是利用公式（3）和（4）：

            （3）

    （4）

来调整岩土体的强度指标（式中，和分别为折减前后岩土体的黏聚力；和则为折减前后的内摩擦角；为强度折减系数），然后对边坡稳定性进行数值分析，通过不断地增加折减系数，反复计算，直至其达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。

由于建立的模型较大，采用FLAC3D自带模块计算耗时太长，针对软件内置的强度折减法存在的问题，陈育民等[4]对该方法进行了改进，开发了“二分法”强度折减法，大大缩短了计算所需时间。本次分析采用“二分法”强度折减法计算未开采扰动下最终边坡的稳定性，边坡破坏主要为剪切破坏，破坏面上必然伴随较大的剪切变形，可以认为在边坡处于极限状态时剪应变增量最大的地方相对于其他位置最容易发生破坏变形，剪应变增量最大的位置作为判定滑动面通过的标准是合理可行的[5]。计算结果见图4，由图4可知，边坡浅部存在少量潜在滑移区域，剪切应变增量较大的位置位于边坡上间接顶板底部与直接顶板接触带，该处速度矢量也较大，并出现明显分界，但分界面向边坡内部延伸长度较短。最终边坡在未受开采扰动下安全系数为1.992，该边坡工程安全等级属于Ⅲ级，露天开采终了边坡安全系数大于《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)中设计安全系数1.15的要求。

图4  边坡剪切应变增量云图、速度矢量图及安全系数

3.2 房柱式采矿法开采结果分析

选取最大压（拉）应力、塑性区体积、竖向最大位移、安全率等作为评价采场安全性的指标。需说明的是：安全率是以计算Mohr应力圆心到破坏包洛线距离与应力圆半径之比为原理评价对象安全程度的指标，其计算公式为：

           （5）

式中：S为安全率，为内摩擦角，为内聚力，为第一主应力，为第三主应力。安全率S大于1，表示结构稳定，未破坏；安全率S等于1，表示岩体处于临界状态，安全率S小于1，表示产生屈服面，已破坏。

（1）采场顶板稳定性分析

（a）采场顶板最小主应力          （b）采场顶板最大主应力

（c）采场顶板竖向位移                （d）塑性区范围

图5  房柱法采场顶板分析

由图5（a）可知，采场顶板未产生拉应力，最小主应力为1.59Mpa；图5（b）可知，采场顶板最大主应力为6.29Mpa；图5（c）可知，采场顶板下沉量最大为9.3mm，上覆岩层越厚的地段下沉量越大，就一般条件下的地下工程开挖而言，根据矿山地下采场大跨度开挖不进行支护或临时支护条件下的实践经验，大跨度硐室岩体变形与稳定性特征具备如下基本特征[7]：20mm以下的位移对岩体稳定基本不构成影响；20～50mm量级的位移，岩体可以保持稳定性；50～100mm量级的位移，岩体存在潜在稳定问题；>100mm属于大变形/位移问题，岩体存在破坏现象，大规模破坏也可能产生。结合以上实际经验数据，采场顶板产生的位移量对岩体稳定性基本不构成影响；图5（d）可知，房柱开采产生的塑性区主要集中在矿柱、顶板以及中下部边坡处，FLAC

3D 的弹塑性模型中对每个屈服函数均赋予了两种状态：now 和 past，其中now表示该单元在本次计算时步中正处于屈服面上，而past表示该单元过去曾经处于屈服面上，而现在已经离开屈服面，处于弹性的范围。因此，针对实际工程问题分析塑性区域时，要了解模型中塑性状态为 now的单元，也就是关注正处于塑性流动状态的那些区域，只有 now状态的单元才对模型的破坏起作用[4]。借助塑性区体积生成程序，结果显示正在发生破坏的塑性状态shear_now单元的体积为26309.2m³。结合直接顶板的内聚力、内摩擦角参数，采用公式（5）计算出顶板安全率=1.19，采场顶板稳定性处于稳定状态。

（2）矿柱稳定性分析

（a）矿柱最小主应力                （b）矿柱最大主应力

图6   房柱法矿柱分析

由图6（a）可知，矿柱最小主应力为1.96Mpa；由图6（b）可知，矿柱最大主应力为8.28Mpa，矿柱应力较大地段主要分布在间柱内，上覆岩层越厚的地段下方矿柱产生的应力越大，结合矿柱的内聚力、内摩擦角参数，采用公式（5）计算出矿柱安全率=1.02，采场矿柱稳定性处于临界状态。

（3）受开采扰动的边坡稳定性分析

采用“二分法”强度折减法分析地下开采后边坡的稳定性，计算结果见图7，由图7可知，边坡潜在滑移区域已由边坡浅层区域转移至采场间柱内，间柱内的剪切应变增量最大，该处速度矢量也较大，剪切应变增量已贯穿整个间柱，间柱的稳定性较差，其稳定状态将影响整个边坡的稳定。最终边坡在受开采扰动情况下已转变为采动边坡，采动下的安全系数为1.414，参照《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180-2016），采动边坡工程稳定安全系数取1.3，采用房柱式采矿法基本能满足边坡的安全。

（a）Y=100剖面                      （a）Y=68剖面

图7 边坡剪切应变增量云图、速度矢量图及安全系数

3.3 分条充填采矿法开采结果分析

（1）采场顶板稳定性分析

（a）采场顶板最小主应力          （b）采场顶板最大主应力

（c）采场顶板竖向位移                （d）塑性区范围

图8  充填法采场顶板分析

由图8（a）可知，采场顶板分布着较多的拉应力，浅部区域相对集中，往深部区域拉应力分布较少，顶板拉应力最大值为0.12Mpa，远小于直接顶板抗拉强度1.6Mpa，顶底不会拉伸破坏，顶板最小主应力为1.60Mpa；图8（b）可知，采场顶板最大主应力为5.02Mpa；图8（c）可知，采场顶板下沉量最大为13.8mm，上覆岩层越厚的地段下沉量越大，结合相关实际经验数据，采场顶板的位移量对岩体稳定性基本不构成影响；图8（d）可知，充填开采产生的塑性区主要集中在矿柱、顶板以及中下部边坡处，借助塑性区体积生成程序，结果显示正在发生破坏的塑性状态shear_now单元的体积为2347.57m³。结合直接顶板的内聚力、内摩擦角参数，采用公式（5）计算出顶板安全率=1.42，采场顶板处于稳定状态。

（2）矿柱稳定性分析

（a）高强度胶结矿柱最小主应力     （b）高强度胶结矿柱最大主应力

（c）低强度胶结矿柱最小主应力     （d）低强度胶结矿柱最大主应力

图9   充填法矿柱分析

由图9（a）可知，高强度胶结充填体矿柱未产生拉应力，矿柱最小主应力为1.41Mpa；由图9（b）可知，高强度胶结充填体矿柱最大主应力为4.33Mpa；由图9（c）可知，低强度胶结充填体矿柱内分布着少量的拉应力，拉应力最大值为0.12Mpa，低强度胶结充填体抗拉强度0.22Mpa，矿柱不会拉伸破坏，矿柱最小主应力为1.41Mpa；由图9（d）可知，低强度胶结充填体矿柱最大主应力为4.51Mpa。结合高强度胶结充填体和低强度胶结充填体的内聚力、内摩擦角参数，采用公式（5）计算出高强度胶结充填体矿柱安全率=1.74，低强度胶结充填体矿柱安全率=1.51，采场矿柱处于稳定状态。

（3）受开采扰动的边坡稳定性分析

采用“二分法”强度折减法分析地下开采后边坡的稳定性，计算结果见图10，由图10可知，只在边坡浅部存在少量潜在滑移区域，剪切应变增量较大的位置位于边坡上间接顶板底部与直接顶板接触带，该处速度矢量也较大，并出现明显分界，但分界面向边坡内部延伸长度较短，边坡内部未存在较大的剪切应变增量区域。最终边坡在受开采扰动下安全系数为1.992，和最终边坡在未受开采扰动下安全系数一样，说明充填法开采并未降低该边坡的稳定性，参照《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180-2016），采动边坡工程稳定安全系数取1.3，采用分条充填采矿法能满足边坡的安全。

（a）Y=100剖面                      （a）Y=68剖面

图10 边坡剪切应变增量云图、速度矢量图及安全系数

3.4 不同采矿方法对比

表2  不同采矿方法指标对比

由表2可知，分条充填法无论是从边坡、采场的安全性还是资源回收率方面均优于房柱法。

4 结论

结合银厂沟磷矿实际情况，基于FLAC3D及相关软件进行模型构建和数据分析，对拟选的房柱法和分条充填法进行研究分析，结果显示采用分条充填法开采时边坡和采场的稳定性均高于房柱法，充填法开采没有对该矿边坡的稳定性造成影响，分析结果可为下一步地下开采采矿方法的选择提供理论支撑。

参考文献

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