软弱夹层对挂帮矿开采过程中边坡稳定性影响

韩超超 赵雨薇 王大国 何金城

（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010）

露天矿山边坡的稳定性是矿山生产安全的基础保障，除边坡自身的地质构造条件外，人为的外部扰动也是影响露天边坡稳定性的一个重要因素。挂帮矿作为一类残留在露天境界外且临近最终边坡的矿产资源，如何对其进行安全高效地回采一直是困扰国内外矿山企业的难题。谭玉叶等［1］利用相似材料实验方法，设计采用充填法回采大冶铁矿2#挂帮矿并监测开采过程中的边坡沉降，实验结果表明，充填法能有效控制边坡沉降，能实现挂帮矿安全回采。进一步考虑到挂帮矿回采的经济性、高效性，同时为缩短露天转地下过渡期时限，任凤玉、李海英［1，2］等提出采用诱导冒落法开采挂帮矿，该方法以无底柱分段崩落采矿法为基础，在特定位置布设诱导工程，在本分段矿房内实现矿石的自然冒落；矿山实践证明，该方法能有效地提高境界矿量回采率，大幅度提高矿石的回采效率。

目前，国内多位学者基于无底柱分段崩落采矿法，对挂帮矿开采过程中的边坡稳定性进行了大量研究工作［4-8］。主要分析最终边坡形态、挂帮矿赋存条件以及矿房结构参数布置等对边坡稳定性的影响，而含地质结构面条件下挂帮矿开采对边坡稳定性影响的研究相对较少。软弱夹层作为一种力学强度低、对边坡稳定性影响显著的地质结构面，历来是作为含弱层边坡稳定性分析的首要影响因素［9-11］。总结前人研究成果可知，弱层边坡在外部应力扰动下，弱层一般会首先发生变形破坏，进而直接影响弱层周边边坡岩体的应力分布，一定条件下将造成边坡岩体结构发生变形破坏，破坏的进一步演化则体现为边坡整体发生失稳坍塌事故，将给矿山企业带来不可估量的人员伤亡和财产损失。

本研究基于自建的岩石拉张破坏有限元模型，研究了弱层长度、埋深以及倾角影响下，挂帮矿开采对边坡破坏范围的影响，以期为类似工程地质矿山的挂帮矿开采设计提供可靠的理论支持。

1 拉张破坏有限元模型

1.1 本构模型

计算模型采用线弹性二维平面应力本构模型。

1.2 岩石拉张破坏准则

（1）当岩体内某一点的岩石极限抗拉强度小于该点的最大主拉应力值，则该节点发生拉张破坏。

（2）岩体内一点产生拉张破裂的方向垂直于该点第一主应力方向。

（3）如果岩体内存在多个节点的第一主应力值大于等于岩石的抗拉强度时，在第一主应力最大的节点处破裂。

1.3 程序设计流程

（1）施加各项边界条件；

（2）求解位移场；

（3）求解应力场；

（4）利用开裂准则来判断模型内是否存在满足开裂准则的节点，若存在，则确定开裂点以及开裂单元，在开裂单元不含开裂点的一边增加节点，劈裂单元并修改校正单元信息，重复以上步骤；若不存在，则程序计算结束。

2 计算模型及参数

2.1 模型建立

参考国内学者针对弱层边坡进行稳定性分析的案例［12-14］，本研究建立含弱层岩质高边坡简化模型如图1（a）所示。模型长1 000 m，基底岩层厚125 m，边坡高250 m，露天边坡最终边坡角45°；挂帮矿体厚50 m，埋藏深度30 m，倾角30°，挂帮矿自上而下按埋藏深度均分为2个分段且依次进行开采，①分段挂帮矿靠近坡面，首先进行回采；②分段挂帮矿在下，待①分段矿石开采结束后进行开采。图1（b）给出了边坡内弱层模型I的局部放大图（放大倍数为3倍），弱层出露边坡坡面厚5 m，出露点距坡顶面垂直距离H，弱层长度l，弱层倾角α。

2.2 矿岩物理力学参数

计算模型中包含围岩、矿体以及弱层等三类岩体，数值模拟中的主要力学参数见表1。

2.3 数值模拟工况设定

弱层边坡的稳定性直接受制于坡体内软弱夹层的赋存条件，根据工程实际中弱层边坡失稳破坏模式分析，选取弱层长度l、埋深H以及倾角α等三类弱层地质条件作为主要分析因素，探讨不同弱层地质条件对边坡稳定性以及破坏过程的影响。本研究共设定12种数值模拟工况，详见表2。

3 数值模拟结果及分析

3.1 弱层长度对边坡破坏范围的影响

3.1.1 边坡最终破坏结果

图2～5分别为工况1～4条件下，①、②分段挂帮矿开采后边坡破坏结果。由图2～5分析可知，挂帮矿开采过程中，初始裂纹均出现于弱层尾部围岩中；当l=50 m、80 m时，坡内第2条裂纹起裂于坡面，l=100 m、120 m时，坡内第2条裂纹起裂于坡顶，坡面或坡顶裂纹的起裂位置决定了塌落岩体体积大小；随着软弱夹层长度增大，坡面裂纹的起裂位置逐渐向坡顶转移。

3.1.2 采空区体积与松散岩体体积变化规律

图6为工况1～4条件下，2个分段挂帮矿开采后塌落的松散岩体体积与采空区体积变化规律。由图6可知，2分段挂帮矿开采后，松散岩体体积、采空区体积随弱层长度增大均呈现为逐渐增大的趋势。l=50 m、80 m时，2分段挂帮矿开采所形成的采空区体积均大于塌落的松散岩体体积；l=100 m、120 m时2分段挂帮矿开采所形成的采空区体积均小于塌落的松散岩体体积。

3.2 弱层埋深对边坡破坏范围的影响

3.2.1 边坡最终破坏结果

图7～10分别为工况5～8条件下，①、②分段挂帮矿开采后边坡破坏结果。由图分析可知，受软弱夹层与采空区影响，坡内初始裂纹均产生于弱层尾部围岩且向采空区扩展。H=70～90 m时，2个分段挂帮矿开采后坡内第2条裂纹均起裂于坡顶；H=100 m时，①分段矿石开采后在坡内产生的第2条裂纹起裂于坡面，②分段矿石开采后在坡内产生的第2条裂纹起裂于坡顶。随着弱层埋深逐渐增大，①分段挂帮矿开采后坡内第2条裂纹的起裂点逐渐向坡面转移，②分段挂帮矿开采后坡内第2条裂纹的起裂点位置变化不明显。

3.2.2 采空区体积与松散岩体体积变化规律

图11为工况5～8条件下，2个分段挂帮矿开采后塌落的松散岩体体积与采空区体积变化规律。由图11可知，对于①分段挂帮矿的开采，当弱层埋深H=70～90 m时，采空区体积小于松散岩体体积，当H=100 m时，采空区体积大于松散岩体体积。对于②分段挂帮矿的开采，当弱层埋深H=70～100 m时，采空区体积小于松散岩体体积。

3.3 弱层倾角对边坡破坏范围的影响

3.3.1 边坡最终破坏结果

图12～15分别为工况9～12条件下，①、②分段挂帮矿开采后边坡破坏结果。由图分析可知，①分段挂帮矿开采后，弱层尾部围岩中出现了两条垂直弱层方向扩展的短裂纹，随着坡内应力集中的释放转移，在坡面或坡顶产生了向采空区不断扩展的长裂纹；随着弱层倾角增大，坡顶裂纹的起裂点由坡顶逐渐向坡面转移。②分段挂帮矿回采后，坡内初始裂纹出现于弱层尾部围岩且向采空区扩展，随后开裂点转移至坡顶并向采空区扩展为一长裂纹；随着弱层倾角增大，坡顶裂纹的起裂点逐渐向坡顶线靠拢。

3.3.2 采空区体积与松散岩体体积变化规律

图16为工况9～12条件下，2个分段挂帮矿开采后塌落的松散岩体体积与采空区体积变化规律。由图可知，随着弱层倾角增大，采空区体积与松散岩体体积整体呈逐渐减小趋势。对于①分段挂帮矿的开采，当弱层倾角α=0°～10°时，采空区体积小于松散岩体体积；当弱层倾角α=15°时，采空区体积略大于松散岩体体积。对于②分段挂帮矿的开采，随着弱层倾角增大，采空区体积小于松散岩体体积。

4 结论

（1）弱层埋深、倾角一定，弱层长度不定时：弱层长度小于80 m时，2个分段挂帮矿开采所形成的采空区可以完全容纳松散岩体，表明在此条件下，采用无底柱分段崩落法开采挂帮矿不会危及露天坑底的采矿作业安全。

（2）弱层长度、倾角一定，弱层埋深不定时：①分段挂帮矿开采后，采空区仅在弱层埋深大于等于100 m时才能完全容纳松散岩体；②分段挂帮矿开采后，采空区在4种拟定工况下均不能完全容纳松散岩体。

（3）弱层长度、埋深一定，弱层倾角不定时：①分段挂帮矿开采后，采空区仅在弱层倾角大于等于15°时才能完全容纳松散岩体，②分段挂帮矿开采后，采空区在4种拟定工况下均不能完全容纳松散岩体。