露天边坡残矿回采分析

董成龙，周 杰

（新疆地质矿产勘查开发局第十一地质大队，新疆 昌吉 831100）

在露天边坡采矿回采施工过程中，围岩和边坡应力会发生变化，出现位移、塑性破坏等情况。需要采取填充措施，保持边坡稳定性，对围岩变形和塑性区发展进行控制，从而确保边坡残矿回采施工的安全性。其中，边坡稳定性分析是一个重要环节，需要确保分析计算的准确性，从而科学制定回采及填充施工方案。

1 工程地质条件

某矿区露天采场开采时间为50年，为回收东北、东南部残余矿体，该矿区制定了挂帮矿开采施工方案，目的是缓解矿山转产压力，同时提高矿体回收率。但是在实际施工中，由于工程地质条件较为复杂，施工方案设计难度高，需要对露天边坡稳定性进行分析，并采取合适的边坡加固方案。该矿区属于岩浆后期热液浇带型矿床，平面呈半环状，西翼延伸较大，南部岩体断开，剖面呈穹隆状。在采场东侧有一水体，与矿区最近处相距50m左右，目前矿区已经采取群井疏干、联合疏干和防渗帷幕等防水措施。但受此影响，露天边坡稳定性不足，在采场东北角曾发生过坍塌事故。由于工程周围地质条件较为复杂，为露天边坡残矿回采增加了难度。其中，工程上部设置有露天采场排土功能，东部为边坡治理功能和帷幕注浆防水工程，北部为第四系帷幕注浆工程。该工程露天边坡残矿回采范围实际为东部4号勘探线到水体河堤保护线，标高为-58m～-130m，资源储量为671万t左右。

2 露天边坡残矿回采模型

（1）模型构建。在该工程的开采方案设计过程中，拟采用平硐开拓方式及嗣后填充方案。采场东部的边坡近似为长线型体，在模型构建过程中，可以按照平面应变进行处理。将工程东部3号勘探线剖面作为建模对象，其长度为350m，坑底宽度为62m，Y向长度为10m。矿体上盘的边坡角为36°，下盘边坡角为24°，上盘边坡角大于下盘，且高度也大于下盘边坡，可以选择上盘区域作为主要研究对象。该工程现阶段施工属于浅部采矿，仅考虑自重应力的影响。在模型构建过程中，将地表作为模型自由边界，底部作为固定约束，周围是单向位移边界。

（2）计算方法。在分析嗣后填充方案对于边坡稳定性影响的过程中，主要考虑两种施工情况，一是空场开采后没有立刻填充，二是空场开采后立刻进行填充。工程矿房分段高度和宽度分别为12m、20m，在上述构建的模型下，需要模拟开采扰动以及填充施工对于围岩、边坡产生的影响，分析其应力变化规律，采用Mohr-Coulomb破坏准则进行计算。在模拟过程中，填充体力学参数根据实验室测量值确定，围岩和矿体力学参数综合矿岩地质数据以及实验室测量数据确定。其中，矿体密度为3.50t/m3，体积模量20.6GPa，抗拉强度4.29MPa，内摩擦角50.2°，泊松比0.25。围岩密度为2.62t/m3，体积模量10.2GPa，抗拉强度1.64MPa，内摩擦角45.8°，泊松比0.32。填充体密度为2.13t/m3，体积模量0.1GPa，抗拉强度0.39MPa，内摩擦角43.0°，泊松比0.15。可以根据模型参数对边坡、围岩的应力分布情况以及位移变化等进行计算，从而为工程施工设计提供依据。

3 模型计算结果及边坡稳定性分析

（1）应力分布规律。从上述模型计算结果来看，工程标高-92m水平开采段在边坡开挖卸载后，未出现明显拉应力区，主要表现为压应力。矿房附近的边坡破坏形式为压-剪破坏。在水平矿房开采作业结束后，采空区顶板、帮区的应力得到释放，应力集中区域出现在采空区的对角线上。如果采用采空后立刻回填的施工方案，对角线应力约下降0.5MPa，围岩压力约下降1MPa，这说明采取采空后立即回填的方式，有利于改善工程围岩的应力分布状态。

（2）位移变化及破坏形式。从位移变化计算结果来看，工程标高-92m水平开采段在矿房开采结束后，出现的位移较小，经过回填处理，矿房底板位移能够得到控制。根据分析计算结果，该水平矿体开采及回填，对矿房周围的边坡和围岩影响在3mm以内，围岩可以保持较好的自持能力。从塑性破坏分析结果来看，该水平矿体塑性区主要出现在矿房的对角线区域，即应力集中部分。具体破坏形式为剪切破坏，在回采过程中，边坡和采空区的剪切破坏可能导致塑性区贯通。

如果继续进行回采，则容易出现边坡滑移问题。通过采取采空后回填的办法，可以阻止剪切破坏发展趋势，防止塑性区贯通。

（3）表土边坡变形分析。在该工程中，由于第四系表土边坡的强度参数、内聚力参数与下部岩质边坡的参数差异较大，未进行开采施工前，已经出现了一定程度的变形。其中，横向最大位移和纵向最大位移均出现在最上层的排土产区域。在回采过程中，表土边坡变形具有扩大趋势，需要采取相应的边坡加固措施，并采用随采随填的施工方法，否则容易引起土体滑坡问题。

（4）边坡稳定性评价。在边坡稳定性评价过程中，可以采用拉格朗日有限差分法中的安全系数计算公式，对该工程露天边坡回采的边坡稳定性影响进行判断。其公式为Kp=（σtanφ+c）/τ，其中σ表示垂直边坡滑移带压应力，单位为MPa。C表示边坡滑移带黏聚力，单位为MPa。φ表示边坡滑移带内摩擦角，单位为°。τ代表边坡滑移带剪应力，单位为MPa。利用该公式求出的安全系数，可以在上述模型分析计算结果的基础上，采用强度储备法进行运算。从理论计算情况来看，滑动面上的每个部分安全系数如果都大于等于1，则说明滑动面具有较好的稳定性。但是在实际计算过程中，由于局部发生破坏，可以根据潘氏原理，将滑坡失稳时出现贯通的破坏区定义为破坏面。结合相关露天边坡设计规范，工作年限在10年以下的边坡安全系数应在1.1～1.2之间，工作年限超过10年的边坡安全系数应在1.2～1.3之间，临时性边坡安全系数应在1.0～1.2之间。

在本次计算过程中，通过确定边坡稳定性剖面安全系数等值线，可以得出该工程安全系数满足边坡稳定性要求，因此在露天边坡开采过程中，边坡状态较为稳定。其中，坡顶的边坡安全系数要高于坡底，安全系数偏低的区域主要为排土场附近，需要针对该施工区域采取边坡加固措施。通过采取随采随填的施工防范，能够消除回采施工对于边坡稳定性产生的影响，确保边坡稳定性能够满足相关技术规范的要求。

根据上述分析结果，该工程露天边坡整体稳定性较好，但需要在矿房回采后及时采取充填措施，否则采空区的塑性区会与地表贯通，增加出现边坡滑移的几率。在充填及时的情况下，则能够改善围岩应力的分布状况，避免出现应力分布过于集中的情况，从而抑制塑性区的发展。在该工程施工过程中，具体可采用挂帮矿开采技术方法，通过随采随充填，提高边坡稳定性，同时也可以避免卵砾层受到破坏。此外，在工程露天边坡稳定性分析过程中，还需要考虑地下径流影响以及爆破振动影响。由于该工程排水防渗工程较为完善，在本次分析过程中未考虑地下径流影响因素。在爆破振动监测方面，则通过布置现场监测点，对位移变化进行监测，防止对边坡稳定性造成不利影响。

4 结语

综上所述，露天边坡残矿回采要充分考虑工程地质条件的影响，对于工程地质条件较为复杂的工程，必须通过做好边坡稳定性分析工作，确保施工设计方案的合理性。在本次研究中提出了一种模型计算分析方法，可以较为准确的评价边坡稳定性，对其位移及变形趋势进行预测，从而采取制定有效的施工及加固方案，确保工程施工的顺利进行。