大型露天挂帮矿回采数值模拟及边坡稳定性分析

2015-01-17吴建祥

现代矿业 2015年10期

关键词：矿房采场安全系数

吴建祥

(安徽大昌矿业集团有限公司)

大型露天挂帮矿回采数值模拟及边坡稳定性分析

吴建祥

(安徽大昌矿业集团有限公司)

以姑山铁矿挂帮矿开采为工程背景，使用FLAC3D数值软件，首先对回采及充填过程进行了模拟计算，分析了围岩及边坡的应力、位移和塑性区，结果表明：充填可有效减少回采对边坡稳定性的影响，控制围岩变形及塑性区发展，保证回采安全。其次使用点安全系数法对含排土场边坡的稳定性初步分析得出，表土边坡存在低安全系数区域，应保证随采随充，并建立实时监测点监测位移。

挂帮矿 FLAC3D边坡稳定性安全系数

姑山铁矿露天采场经过50多a开采，露天境界已开采到位。为回收东南部及东北部露天境界外的矿体，矿山实施了挂帮矿地下开采。挂帮矿开采能有效缓解矿山短期内转产的压力，提高矿体回采率。但由于工程地质与水文地质条件复杂，选择采矿方法影响极大，为有效保护边坡及地表排土场安全，有必要采用多种方法综合分析。本文在对边坡及挂帮矿空间测量及岩石力学实验的基础上，采用FLAC3D数值模拟分析挂帮矿体回采及充填过程对边坡及地表排土场影响，从而为生产及采矿设计提供参考。

1 地质概况

姑山铁矿床东翼延伸至青山河的下部，这种特殊的赋存状态决定了矿体的开采方式为露天+地下联合开采。姑山铁矿床属岩浆后期热液交代型铁矿床。矿体在平面上呈半环状，南部被岩体断开，在剖面上似穹窿状，西翼延伸较大，东翼延伸至青山河的下部，长轴方向为NE70°，长110 m，宽800 m，厚60 m左右。采场东侧为青山河，最近处相距50多m。矿山开采经历了群井疏干、坑井联合疏干、防渗帷幕止水等多种防水工程。露天边坡稳定不可忽视，如姑山露天采场东北角为第四系边坡，此前发生过坍塌，滑体南北向长约120 m，东西向宽约25 m，体积约8万m3。

2 工程概况

姑山铁矿挂帮矿周边环境较为复杂，该工程处于青山河西部、姑山铁矿露天采场东部边坡，工程上部为露天采场内排土工程，工程东部为青山河边坡治理及帷幕注浆工程，工程北部及东部为第四系帷幕注浆工程。同时为了保护青山河河堤、防止东部挂帮矿开采产生地表裂隙使地表水进入井下和露天采场，按照安徽省水利部门的相关要求，将青山河河堤以西100 m作为保安矿柱，不得回采。姑山铁矿挂帮矿生产系统与露天采场对应关系见图1。

图1 姑山铁矿挂帮矿位置关系示意

姑山铁矿露天采场挂帮矿开采范围为采场东部4#勘探线～青山河堤保护界线、-58～-130 m标高的矿体。开采范围内共有资源储量671.28万t，采用平硐开拓，分段凿岩阶段空场嗣后充填法开采。

3 数值模型建立及计算方案

3.1 计算模型

由于采场东帮边坡近似为一种长大线形体,可按照平面应变问题处理，取Ⅲ#勘探线地质剖面作为研究对象，建立单元模型(图2)。模型X方向长350 m，Y方向长10 m，坑底宽62 m，矿体上盘最终边坡角为36°，下盘最终边坡角为24°。由于上盘边坡角及高度均大于下盘边坡，故主要以上盘为主要研究区域。目前为浅部采矿，故计算只考虑自重应力影响。计算模型设置地表为自由边界外，底部为固定约束，模型周围为单向位移边界。

图2 计算模型

3.2 计算方案

针对嗣后充填对边坡的影响，提出2种方案：方案一为空场法开采后未充填，方案二为开采后立即充填。矿房分段高度为12 m，宽20 m。依次模拟开采扰动下及采矿及时充填后的边坡及围岩应力应变规律，计算采用Mohr-Coulomb破坏准则[1]。

本次模拟釆用的充填体力学参数是实验室的测量值，矿体和围岩的力学参数是在实验室测量的基础上根据矿岩整体地质情况进行工程折减后得到的，参数见表1[2]。

表1 岩石力学参数

4 计算结果分析

4.1 应力分布规律分析

图3为-92 m水平开采及充填阶段的应力云图。可以看出，边坡开挖卸荷后没有出现明显的拉应力区，以压应力为主，若矿房附近边坡发生破坏，则为压-剪破坏模式；当-92 m水平矿房开采完成后，采空区顶板及两帮区域应力得到释放，但采空区对角区域出现了应力集中现象；若及时充填后围岩压力减少了约1 MPa，对角区也减少约0.5 MPa，说明充填体的回填有助于改善围岩应力状态。

图3-92 m水平开采及充填阶段的应力云图

4.2 位移变化规律分析

图4为-92 m水平开采及充填阶段的位移云图。可以看出，-92 m水平矿房开采后位移较小，除了充填矿房后底板位移略微得到限制，回采该水平矿体对矿房围岩及边坡的影响基本在3 mm范围以内，该矿房尺寸使得围岩自持能力较好。

图4-92 m水平开采及充填阶段的位移云图

4.3 塑性区破坏分析

图5为-92 m水平开采及充填阶段的塑性区云图。可以看出，在-92 m水平矿房对角区域即应力集中区域出现了塑性区，主要表现为剪切破坏。由于矿体回采，采空区与边坡间出现的剪切破坏会引起塑性区贯通，若矿房进一步回采，边坡有滑移的危险。而采空区充填后，剪切破坏未出现增大趋势，且塑性区未贯通。

图5-92 m水平开采及充填阶段的塑性区云图

4.4 表土边坡变形分析

第四系表土边坡强度及内聚力参数与下部岩质边坡相差较大，在未开采前便发生一定程度变形，如图6所示，最上层排土场横向、纵向位移最大，随着开采的进行，极易进一步扩大变形，应考虑及时加固，并保证随采随填，以防止土体发生滑坡。

图6 表土边坡位移云图

5 边坡稳定性分析

基于快速拉格朗日有限差分法的点安全系数计算公式，分析地下开采对边坡稳定性的影响。点安全系数公式一般形式为

(1)

式中，σ为垂直边坡滑移带的压应力，MPa；c为边坡滑移带的黏聚力，MPa；φ为边坡滑移带的内摩擦角，(°)；τ为边坡滑移带的剪应力，MPa。

本文所求的安全系数是在数值模拟结果基础上，采用郑文棠编制的强度储备法fish语言运算[3-4]。其算法依据点安全系数法，考虑滑动面上的应力分布及上覆岩土对抗滑稳定性的影响。若只按理论计算,只要整个滑动面上每个点(或局部)安全系数不小于1,则整个滑动面稳定。但实际计算中往往出现个别点破坏,根据潘氏原理,滑坡失稳时，只有出现贯通破坏区时，才可定义破坏面。

根据《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2005)，服务年限10 a以下的非工作帮边坡安全系数要达到1.1～1.2，10 a以上的非工作帮边坡安全系数要达到1.2～1.3，即使临时性的工作帮边坡安全系数也要达到1.0～1.2。图7为地下开采及充填对边坡稳定性影响的剖面点安全系数等值线。

图7 地下开采及充填对边坡稳定性影响的剖面点安全系数等值线

由图7(a)可知，安全系数均符合边坡稳定性标准，露天开采过程中边坡是稳定的，总体来看，坡顶安全系数高于坡底。但排土场(边坡上面的表土层)中出现安全系数偏低区域，应及时处理。随着地下开采的进行，地下采空区对边坡有一定的影响，边坡安全系数总体上逐渐降低，安全系数最小值为1.2，满足边坡稳定性的要求。图7(b)和图7(c)对比可知，充填后能增强采空区附近边坡稳定性，即充填可有效减少回采对边坡稳定性的影响。在挂帮矿开采过程中，随采随充才能保证边坡的稳定性。