露天转地下开采对露采边坡稳定性影响分析

康永红，陈 峰，武尚荣，和德明

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山铝业有限公司， 云南 文山 663099)

应用研究·黑色矿山·

露天转地下开采对露采边坡稳定性影响分析

康永红1，陈 峰1，武尚荣1，和德明2

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司， 云南 昆明 650051； 2.云南文山铝业有限公司， 云南 文山 663099)

露采边坡和隔离矿柱稳定性分析是露天转地下矿山经常面临的问题，对于金属矿山地下开采安全生产极其重要。根据阳雀箐钒钛磁铁矿矿段隔离矿柱的厚度以及边坡工程地质条件，采用有限元数值软件对矿山3个阶段的矿体回采进行了模拟，结果表明：露采边坡在地下开采期间均处于稳定状态。验证了隔离矿柱已确定厚度的合理性，为该矿体安全高效回采提供了理论依据和技术指导。

地下开采； 露采； 稳定性； 隔离矿柱

1 前言

随着矿山露天开采深度的增加, 露天设计布置越来越不适应矿山生产要求，需要转入地下开采，露天矿境界内地下采空区顶板上方的隔离矿柱是露天边坡自重应力顺利传递的关键通道。通过留设隔离矿柱可以使露天与地下开采同时进行，保证在露天转地下开采过程中，开采矿量保持稳定和通风系统正常运行，但是隔离矿柱的留设也会给地下开采的安全带来隐患[1]。因此，必须对将要确定的隔离矿柱及露采边坡的稳定性进行预先分析。

2 工程地质概况

阳雀箐钒钛磁铁矿床产于海西早期基性—超基性岩体中。含矿岩体北起白草矿山南界，南至王家屋基，东起虽都古附近F25断裂，西到莎莎其果、阳雀箐沟一带。

由于受海西晚期玄武岩喷溢影响和吞蚀，含矿岩体在矿区出露者为吞蚀后残余部分，其周围和顶、底板均为玄武岩，含矿岩体呈一南北走向的带状俘虏岩体，如同“孤岛状”分布在玄武岩中。

这一不完整的含矿岩体，依据其岩石及组合特征与相邻矿区(红格、安宁村)对比，仍具有保留不全的分异和韵律特点，可划分出上部辉长岩相带和下部辉石岩相带，该矿床的钒钛磁铁矿体均赋存于两个不同岩相带中，矿体和夹石层互为厚度不等的夹层，重复交替，因岩相不同而构成上、下两个含矿层，由下而上依次编号为Ⅰ含矿层和Ⅱ含矿层，将其分别叙述如下。

Ⅰ含矿层的岩相为辉石岩相带，岩石种类较多，从上而下有含长辉石岩、辉石岩、含橄辉石岩、橄辉岩，局部有辉橄岩和橄榄岩，均为超基性岩，岩石基性程度高。

Ⅱ含矿层位于含矿岩体之中上部的辉长岩相带，底部与Ⅰ含矿层顶部为过渡接触关系，围岩顶板为晚二叠系玄武岩，与含矿岩体之顶部为超覆侵入不整合接触关系，在Ⅱ含矿层顶部构成岩体顶板围岩，其接触面向西倾斜，倾角陡缓不一，在22°～75°之间。Ⅱ含矿层中矿体和夹石层均倾向西，倾角为26°～52°。与顶板接触面为同倾向，倾角为30°～70°

含矿岩体的顶板主要由玄武岩组成，一部分已被风化剥蚀掉。顶板玄武岩一般处于岩体浅部的风化带中，为强—中等风化程度，呈黄褐—褐灰色，光泽暗淡，岩质松软，力学强度较低(抗压强度40～400kg/cm2，抗剪强度约20～200kg/cm2，内摩擦角20°～50°)。由于玄武岩的柱状节理及风化裂隙都很发育，岩石被切割破坏成大小不等的块体，钻孔中岩石很破碎，多呈碎块状及砂砾状，从而降低了岩石的坚固性与稳定性。

矿体底板岩石及边界围岩都主要为玄武岩，绝大部分为新鲜岩石，黑色，微细粒结构，块状、气孔状、杏仁状构造。岩质坚硬，力学强度较高(抗压强度800～1 600kg/cm2，抗剪强度约80～300kg/cm2，内摩擦角75°～85°)。裂隙不发育，岩石较完整，坚固性与稳定性较好(风化破碎者除外)。

本次计算所采用的矿岩体数据均在试验数据的基础上通过大量的试算和经验折减，计算模拟中所采用的计算参数见表1。

表1 岩体物理力学参数取值表

3 矿体回采对露采边坡的模拟分析

3.1 计算模型的建立

本次计算模拟采用三维有限元方法，模拟过程力求能反映开采的实际情况。为了满足计算精度和计算过程的运算速度，根据该矿矿体的实际形态，结合岩石力学相关理论，模型长×宽×高为2 000m×1 300m×900m，即沿矿体走向取2 000m，垂直矿体走向取1 300m，沿铅垂方向取900m，共计33 472个节点，284 353个网格单元；选用Mohr- Coulomb本构模型，单元网格划分及计算机地质体模型图分别见图1和2所示。

图1 三维有限元计算模型

图2 矿体与围岩相互位置剖面图

3.2 计算方案

本次计算模拟采用与现场施工完全一致的顺序进行回采。第一步：回采露天部分，形成现状边坡；第二步：开采一期工程标高1 750～1 780m之间矿体；第三步：回采1 750m以下二期工程。

3.3 露天矿体回采后边坡稳定性分析

从模拟结果应力、安全系数及塑性区分布图3、图4和图5可以看出，露天边坡形成后整体最大主应力为21.46MPa,，整个台阶回采过程没有出现拉应力；边坡的安全系数为2.3，远远大于临界状态；而在台阶开采后边坡只在局部出现零星的塑性区，不会构成安全隐患。说明在下部矿体没被扰动的情况下，边坡的形成对整体结构没有较大影响，此时的边坡整体是稳定的。

图3 露采边坡形成后边坡最大主应力分布图

图4 露采边坡形成后边坡安全系数分布图

图5 露采边坡形成后边坡塑性区分布图

3.4 一期回采结束后边坡整体稳定性分析

从模拟的安全系数及塑性区分布图6、图7和图8可以看出，在一期工程回采结束后，主应力为21.27MPa,变化不明显，回采过程也没有出现拉应力；在此过程中，随着下部矿体开采范围的扩大，安全系数也明显下降，边坡安全系数从露采期后的2.3降至1.38，但此时的安全系数仍远远大于临界状态，边坡整体仍然处于稳定状态，此步骤的开采也使局部塑性区有所加大，但范围仅局限在开采体附近、边坡底部及边坡的两端，整体没有出现塑性区连片的情况，所以此时的边坡仍然是稳定的。

图6 一期工程回采后边坡整体最大主应力分布图

图7 一期工程回采后边坡整体安全系数分布图

图8 一期工程回采后边坡整体塑性区分布图

3.5 1 750m以下二期工程回采结束后边坡整体稳定性分析

图9 1 750m以下二期工程回采后 边坡整体最大主应力分布图

从应力、安全系数及塑性区的模拟结果分布图9、图10和图11可以看出，在二期工程开采结束后，由于暴露面积和高度都有所加大，整体最大主应力由之前的21MPa增加到22MPa，但回采过程拉应力未出现；随着开采范围和深度的逐渐加大，此时边坡底部稳定系数降至1.11，已处于安全临界状态；此时边坡底部也出现了连片的塑性区域，这与安全系数的变化也相吻合，由此可以说明，随着二期工程的开采，边坡坑底局部出现了较大的塑性变形，隔离矿柱应力进入屈服状态。但由于露采转地采有25m厚的隔离矿柱，边坡稳定性相对较好，所以下部二期工程的开采可能会造成坑底区域出现塑性扰动变形区，边坡整体相对处于极限平衡的暂时稳定状态。

图10 1 750m以下二期工程回采后 边坡整体安全系数分布图

图11 1 750m以下二期工程回采后 边坡整体塑性区分布图

4 结论与建议

综合以上分析，可得到如下结论。

(1)露采边坡从露采到坑采二期过程中，边坡整体始终处于稳定状态。

(2)通过模拟结果得出：露采和地采之间的隔离矿柱厚度确定为30m具有一定的经济性和安全性，但到二期开采期间30m高的隔离矿柱将处于极限平衡状态，建议矿山要加强该处的监测。

(3)数值模拟分析结果表明，隔离矿柱发挥了最为关键的支撑和应力传递作用,分析确定和验证了露天转地下开采隔离矿柱的留设厚度，这样就可保证露天转地下开采工作的平稳过渡，为安全采矿提供了重要的指导和建设性的依据和建议。

[1] 李元辉,南世卿,等.露天转地下境界矿柱稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(2): 278-283.

[2] 史秀志,黄刚海，等.基于FLAC3D的复杂条件下露天转地下开采空区围岩变形及破坏特征[J].中南大学学报,2011,42(6):1710-1717.

[3] 陈文林,张永彬，等.露天转地下境界矿柱稳定性评价[J].地下空间,2004,24(2):260-264.

[4] 王 军.露天转地下开采围岩稳定性数值模拟分析[J].金属矿山,2010,(1): 48-50.

[5] 许传华,任青文.露天地下联合开采合理保留层厚度研究[J].金属矿山,2008,(7):12-14.

[6] Jacob N,Yuen S C K,Nurick G N,et al.Scaling aspects of quadrangular plates subjected to localised blast loads-experiments and predictions[J].International Journal of Impact Engineering,2004,30(8/9): 1179-1208.

[7] 杨宇江,李元辉，等.露天转地下开采境界矿柱安全厚度稳定性分析[J].东北大学学报(自然科学版),2011,32(7):1032-1040.

Stability analysis of open-pit slope during the transition from open pit to underground mining

The stability of open-pit slope and isolated pillar is the common problem during the transition from open pit to underground mining, and it is very important for the safe production of metallic mine. According to the thickness of isolated pillar and the slope engineering geological condition of Yangqueqing mine, the FEM program was adopted to simulate three stages orebody mining. The result showed that the open-pit slope was stable during underground mining, and the rationality of the isolated pillar thickness was verified. It provided the theoretical basis and technical guidance for orebody safe and effective mining.

underground mining; open-pit; stability; isolated pillar

TD854+.6

A

2017-01-06

康永红(1982-)，男，湖南衡阳人，工程师，主要从事采矿设计及岩石力学研究方面的工作。

国家自然科学基金项目(41362013)

1672-609X(2017)03-0028-04