采空区处理对上部采场边坡稳定性影响的研究

赵蒙生 刁 虎 代永新 李如忠 熊齐欢(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

采空区处理对上部采场边坡稳定性影响的研究

赵蒙生1,2,3刁 虎1,2,3代永新1,2,3李如忠1,2,3熊齐欢1,2,3
(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

目前边坡稳定性研究较多，也取得了很多成果，但针对地下开采转露天开采的边坡稳定性影响、边坡安全控制关键因素研究甚少。针对采场底部空区采用废石充填、上部空区采用崩落隔离矿柱的空区处理工艺，分析采空区进行崩落隔离矿柱对边坡坡脚应力释放、采场边坡脚距空区水平距离影响。根据边坡应力、应变和塑性区发展趋势得出：随着采场边坡脚距空区水平距离的加大，空区底部剪应力呈线性减小趋势；采空区处理时坡脚距采空区水平距离为影响上部采场边坡稳定性的关键因素。结果为地下转露天开采的边坡加固提供了依据。

采空区 边坡 有限元分析 塑性区 稳定性

采空区处理是矿山地下转露天开采必须面对的重大安全问题，采空区处理积累了很多宝贵的经验[1-3]，包括开采沉陷等若干技术问题也有一定研究[4-5]。文献[6-7]关于覆岩离层相关的变形机理研究为处理采空区隔离矿柱提供一定的技术支持，同时很多学者对采空区一些相似模拟研究也取得了重要的结论[8-13]。通常采空区处理方法有封闭、崩落、加固和充填4种。有时采用2种方法联合处理，如采用加固法与充填法联合、崩落法与充填法联合等；有时由同一种方法衍生出一系列子方法，如充填法可分干式充填法、尾砂充填法、胶结充填法等；崩落法可分自然崩落法和强制崩落法，强制崩落法按爆破方式不同又分为深孔爆破崩落法和硐室爆破崩落法等。这些采空区处理方法中不可避免地会遇到采场边坡稳定性问题，边坡处理的安全性直接影响到整个矿山的生产。目前针对地下转露天开采的边坡稳定性影响、边坡安全控制关键因素的研究甚少。因此，基于采空区处理方案研究在采空区处理工艺过程中上部采场边坡的应力、应变、塑性区变化等，分析露天采场在采空区处理时边坡的关键参数，为保证露天边坡的稳定性提供参考。

1 工程概况

某矿金矿体露天采场最高台阶为1 036 m，境界内最高标高为1 024 m，相对最大高差为360 m，从坑底到坑顶，最大边坡角为22°。采坑东西宽1 800 m，南北长1 300 m，边长约6 km，总面积为1.5 km2。坡面角多在60°～70°，台阶宽10～50 m。现已开采到616 m水平，年采剥总量达1 500万m3，年产黄金达15 t。

井下已开采520，460 m中段的部分矿房，520 m中段已采矿房55个，采空区面积约54 232 m2，高约55 m，体积约2 67.8万m3；460m中段已采矿房36个，采空区面积约27 470 m2，高约57 m，体积约142.6万m3。

根据矿山生产现状及采空区的分布特征，采用露天采场低品位矿石充填460 m中段采空区，崩落隔离矿柱充填520 m采空区，在2个中段采空区充填满，具备了安全作业条件下，采用露天开采的方式回采井下的矿块矿柱和框架矿柱。充填分3个步骤完成：①露天采场低品位矿石充填460 m中段采空区；②崩落510～530 m水平矿柱及三角矿柱充填采

空区；③崩落隔离矿柱充填520 m中段采空区。③步骤的实施中，露天采场底部空区(高50 m)和隔离矿柱(高40 m)在坡脚垂直暴露，若岩体垮塌势必对上部露天采场的安全生产造成影响。

2 边坡安全控制关键因素研究方案

随着露采底部标高的降低，460～580 m采空区给露天开采带来了严重的安全隐患，同时采空区处理时对露天边坡稳定性的影响也不容忽视。

2.1 工程地质剖面

结合矿山采空区治理方法，针对采场边坡安全控制关键因素研究，采用A-A～D-D剖面对采空区边坡稳定性进行分析。采场平面见图1，A-A工程地质剖面见图2。

图1 采场平面

图2 A-A工程地质剖面

2.2 动载荷对采空区临近边坡的影响

一般当地震烈度超过6度(包括6度)时，应考虑地震对边坡稳定性的影响，由于该矿所在的区域属6度地震区，在对该采空区临近边坡进行边坡稳定性分析中，须考虑震动效应。通常采用拟静力法，即只考虑惯性力F，则

F=kcmg,

(1)

式中,kc为综合地震系数；m为可能破坏体的质量，kg；g为重力加速度，m/s2。

综合地震系数kc计算公式为

kc=kHCzα,

(2)

式中,kH为水平向地震系数，与地震烈度有关；Cz为综合影响系数，一般取0.25；α为考虑滑体重心高度的系数，一般取1.0。

在边坡稳定性分析计算中，若考虑爆破震动效应，通常将动载荷折算成等效静载荷参与计算。在采用条块法进行边坡稳定性计算时，考虑爆破震动影响，每一条块都要增加爆破震动力Fi。

(3)

式中，mi为第i条块的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；p为震动系数，p=αs/g，as为水平向加速度；kd为动载荷系数。

由于采场底部边坡距露天爆破点较近,爆破震动对其影响不容忽视。参考该地区以往研究资料，取震动综合影响系数kc=0.05以反映爆破震动对边坡稳定性的影响。

2.3 研究方案及岩体强度取值

根据现场实际情况针对A-A剖面和其余剖面制定如图3的研究方案,岩体强度指标见表1。

图3 研究方案

表1 岩体强度指标取值

3 采空区处理对边坡稳定性分析

采用ANSYS有限元软件进行分析，根据Drucker-Prager屈服准则，即

(4)

式中，I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；a，k分别为与岩土材料内摩擦角φ和黏聚力c有关的常数，不同的a，k在π平面上代表不同的圆。

分析步骤如下：

第一步：对460 m中段空区进行充填处理分析。

第二步：对空区顶部采场剥离并进行放坡处理至顶柱状态分析(坡脚分别距空区水平距离20,40,60,80 m方案)。

第三步：剥离第一层采空区处理并考虑爆破震动状态分析。

3.1 A-A剖面稳定性分析

3.1.1 坡脚距空区(+616平台)水平距离20 m

460 m中段充填后的剪应力和塑性区变化云图见图4、图5。可以看出，充填后对上部采场边坡应力和塑性区基本上无影响，不会影响采场上部边坡的安全。

图4 剪应力云图

图5 等效塑性区应变云图

开采至顶柱时的剪应力和塑性区变化云图见图6、图7。可以看出，随着空区上部顶板厚度的减小，应力的重新分布，上部卸载空区矿柱的应力值相对减少，由空区底部剪应力值3.77 MPa减至3.1 MPa。由于空区上部存在顶板，空区未直接暴露于边坡坡脚，此时对采场边坡安全无重要影响。

图6 剪应力云图

图7 等效塑性区应变云图

第一层采空区(520～570 m)考虑爆破震动的剪应力和塑性区变化云图见图8、图9。可以看出，520～610 m(90 m高度)为垂直，空区上部顶板完全剥离，应力全部释放，坡脚底部剪力值最大，采场东帮由于现状边坡位于空区上部，在崩落520 m矿柱时边坡塑性区较大，塑性区发展趋势已经到达采场边坡体内部，下部滑坡会影响整个采场上部边坡的稳定性。

图8 剪应力云图

图9 等效塑性区应变云图

同样A-A剖面距采空区40，60 m放坡时，边坡塑性区较大，下部滑坡会影响整个边坡的稳定性。

3.1.2 坡脚距空区(+616平台)水平距离80 m

由于采场上部边坡未进行剥离，先对460 m中段空区充填，边坡基本没有变化，见图10、图11。

图10 剪应力云图

图11 等效塑性区应变云图

开采至顶柱时的剪应力和塑性区变化云图见图12、图13。可以看出，由于空区上部顶板的存在对采场边坡的稳定性无重要影响。与图6、图7相比，坡脚距空区水平距离加大，矿柱的应力值由0.7 MPa减至0.5 MPa。坡脚距空区水平距离加大，很大程度改变了边坡应力传递的路径。

第一层采空区(520～570 m)考虑爆破震动的剪应力和塑性区变化云图见图14、图15。可以看出，520～610 m(90 m高度)为垂直，底部剪力值最大。随着采空区上部边坡坡脚距空区水平距离加大，底部最大剪力值相对减小，由3.49 MPa减至2.87 MPa。在采场东帮，由于现状边坡位于采空区上部，由上图可以看出在崩落570 m矿柱时边坡塑性区也较大，但塑性区发展趋势在520～610 m，对上部边坡影响较小，1～2个台阶有可能产生局部垮塌。图9中塑性区趋势向边坡体内部延伸，而图15塑性区发展趋势仅在边坡体表面位置，说明坡脚距空区水平距离大于80 m时空区处理对边坡的稳定性影响较小。但随着采空区下一步处理工艺的实施，应进一步剥离上部边坡。

图12 剪应力云图

图13 等效塑性区应变云图

图14 剪应力云图

图15 等效塑性区应变云图

3.2 其余剖面临近边坡稳定性分析

B-B、C-C、D-D剖面稳定性分析同3.1章节A-A剖面研究思路一致，仅C-C剖面西部(采场西帮)处采场边坡位于采空区上部，需要进行提前削坡处理。B-B、D-D剖面位置两侧地势平缓，上部边坡尽量远离采空区即可。

3.3 剪应力变化分析

各剖面在不同坡脚距空区水平距离情况下空区底部剪应力变化见图16。

图16 空区底部剪应力变化

从图16可以看出,各剖面剪应力随着坡脚距空区水平距离加大,空区底部剪应力呈线性减小趋势,4个剖面的剪应力变化率略有不同，可能和各剖面高度和岩体性质不同有关。

4 结 论

(1)根据采场坡脚距空区不同水平距离，分别分析了采场各部位边坡的应力应变状态，得出了坡脚距空区的距离是影响上部边坡稳定的关键因素。

(2)从整个采场的4个工程地质剖面有限元分析结果可以看出：520 m空区处理时，空区底部剪力值最大，随着采空区上部放坡距离加大，底部最大剪力值相对减小，剪应力值和空区距坡脚的水平距离呈线性减小关系。

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Research on the Influence of Golf Treatment to Slope Stability of the Upper Stope

Zhao Mengsheng1,2,3Diao Hu1,2,3Dai Yongxin1,2,3Li Ruzhong1,2,3Xiong Qihuan1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Ming Research Co., Ltd.;2.State Laboratory of Safety and Health for Metal Mines; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Recycle Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

At present, the research results of slope stability is fruitful, but the research results about the slope stability and the key factors of slope safety control of the mine which is changing from underground mining to open-pit mining are relatively few. According to the goaf treatment processes that the stope bottom goof is filled by waste rocks and the upper goaf is processed with caving isolated pillars, the influences of isolation pillars caving to slope foot stress release and the horizontal distance of the stope slope foot to goaf are analyzed. According to the development tendency of slope stress, strain and the plastic zone development, it show that, with the increase of the horizontal distance of the stope slope foot to goaf, the shear stress of the goaf bottom has the linear decrease trend;the horizontal distance of the stope slope foot to goaf is the key factor that influence the upper stope slope stability. The above results in this paper can provide some reference for slope strengthening during the process of changing from underground mining to open-pit mining.

Goaf, Slope, Finite element analysis, Plastic zone, Stability

2014-12-03)

赵蒙生(1982—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。