甲玛多金属矿露井联采条件下露天边坡稳定性评价

吴 丹，王志修，2，于世波，2

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

目前，我国露天矿山普遍面临深凹开采问题，随着开采深度增加，矿山开采成本不断增加，安全生产问题也逐渐凸显，为降低生产成本及增强生产安全性，相关露天矿山企业采用露井联采生产方式，以降低生产成本[1-4]。但在露井联采过程中，采动效应会叠加增强，露天边坡会受到数个应力场作用，容易引起露天边坡滑塌、地表塌陷、排土场滑坡等灾害事故，不仅影响矿山的生产安全，也增加了露天边坡及排土场的维护费用。为了确保矿区的安全生产，必须对其稳定性进行分析评价[5-11]，因此，需要研究露井联采作用边坡损害机理及其稳定性控制技术。

本文以甲玛多金属矿采区露井联采为工程背景，运用3DMINE-FLAC3D耦合建立大型三维地质模型，根据分析边坡应力云图及边坡位移云图，在露井联采条件下对边坡稳定性进行评价分析，为矿山安全开采和降低成本提供科学指导[12]。

1 工程概况

甲玛多金属矿位于高原地区，目前该矿区采用联合开采。角岩型矿体采用露天开采，露天采矿主要包括三个露天采场：铜铅山、牛马塘和角岩。其中，铜铅山和牛马塘采场已回采结束，角岩采场已开始部分剥离及采矿工作。现该矿山准备进行地下开采，开采区域位于露天坑下部，地下矿体采用中深孔分段空场嗣后充填采矿法进行大规模回采。一步骤采场采用全尾砂胶结充填，灰砂比平均为1∶8。二步骤采场采用全尾砂充填，充填浓度72%，尾砂充填料中添加1.5%的水泥，以防止尾砂液化。二步骤采场底部6 m及上部接顶部分4 m采用胶结充填[13]。

2 复杂厚大矿体大规模开采区域模型及回采方案

由于该矿山地下开采和多露天采场联合开采，相互之间可能存在干扰和影响，为了分析彼此之间相互影响和干扰的程度，首先必须清楚地下大规模开采区域与露天采场之间的位置关系。采用3DMINE三维软件建立了该矿区大规模开采区域和上覆露天采场的三维地质模型，如图1所示。

图1 地下矿体开采区域与露天采场位置关系图Fig.1 Relationship between underground mining area and open-pit mining position

地下矿体回采区域包括一、二、三标段。一标段开采标高为4 460～4 490 m，平面上分六个盘区；二、三标段开采标高为 4420～4 490 m，分3个阶段，两个标段在平面上分四个盘区。水平方向上为间隔回采，竖向回采顺序为自下而上，即先开采一标段(4 460～4 490 m)、二标段(4 420～4 440 m)、三标段三盘区(4 420～4 440 m)，后转到4 440～4 465 m分段，最后开采4 465～4 490 m分段；每一个分段盘区全部回采、充填完成之后才开始上分段的回采、充填作业，直至全部回采、充填结束。

盘区内矿体采用“隔三采一”的回采方式，顺序为先采矿房，后采矿柱；矿房和矿柱分步回采宽度均为15 m。每步采场回采完成后，矿房采用尾砂胶结充填，矿柱采用尾砂或废石充填。

一标段间隔回采依次分为六盘区—四盘区—一盘区—五盘区—三盘区+二盘区；二标段间隔回采依次为三盘区—一盘区—四盘区—二盘区；三标段间隔回采依次为三盘区—二盘区—四盘区—一盘区。

1)一标段六盘区(4 460～4 490 m，以下2)至5)同)、二标段三盘区(4 420～4 440 m，以下2)至5)同)、三标段三盘区(4 420～4 440 m，以下2)至5)同)，同时回采同时充填；

2)一标段四盘区、二标段一盘区、三标段二盘区，同时回采同时充填；

3)一标段一盘区、二标段四盘区、三标段四盘区，同时回采同时充填；

4)一标段五盘区、二标段二盘区、三标段一盘区，同时回采同时充填；

5)一标段三盘区+二盘区，同时回采同时充填；

6)转到4 440～4 465 m分段中，二、三标段间隔回采顺序同4 420～4 440 m，同时回采同时充填；

7)转到4 465～4 490 m分段中，二、三标段间隔回采顺序同4 420～4 440 m，同时回采同时充填。至此全部结束。

3 工程地质模型及监测点构建

结合该矿区地质资料及开采现状，建立该矿开采区域的三维工程地质模型。模型共划分为448 809个单元，主要包括所选定的地下矿体开采区域以及牛马塘、角岩两个露天采场及开采区域对应的地表影响范围，模型上部边界为实际地表。为了清晰地分析地下矿体开采过程对露天矿边坡稳定性的影响，最大程度反映地下矿体开采过程对露天矿的动态响应，在两个露天采场的不同位置选取了监测点和典型剖面。图2是工程地质力学模型及具体监测点。模型采用摩尔-库伦屈服准则，主要物理力学参数见表1。

图2 工程地质力学模型及监测点布置图Fig.2 Engineering geological mechanical model and monitoring point layout

表1 工程岩体物理力学特性指标[12]Table 1 Physical and mechanical parameters of engineering rock mass

4 模拟结果分析

4.1 地下矿体回采对露天矿边坡稳定性的影响

通过图3模拟结果可以看出，在不同回采阶段应力表现不尽相同，在4 420～4 440 m 阶段开采充填后，回采造成区域应力场的改变较小，只是在采矿区域附近的盘区柱和周边出现应力集中区域，对整个地下矿体回采和露天采场区域应力场的影响甚微；在4 440～4 465 m开采充填后，在采矿区域附近盘区柱和周边的应力集中程度进一步提高，且对于整个区域应力场的改变比较明显；在4 465～4 490 m开采充填后，矿柱及回采范围周边的应力集中区域逐渐扩大，应力集中程度大幅度提高，且对于整个区域应力场的改变明显，顶板的卸压区域已经沟通到顶板以上200 m高度。在三个回采阶段的盘区内部，充填区域成为应力释放的空间，其支撑作用相对有限，对于覆岩的支撑，主要靠盘区柱及盘区周边的围岩实现。

图3 典型剖面不同阶段回采竖直方向应力图Fig.3 Vertical stress diagram of different stages of typical sections

通过图4可以看出，地下矿体回采完毕后，开采区域的顶板区域中出现一定高度的卸压，导致顶板出现一定程度的覆岩移动，这是由于最小主应力转移重分布范围相对较大，对于整个区域应力场的改变较大；最大主应力转移相当有限。同时可以看出，充填区域受到胶结充填体和非胶结充填体的作用，成为应力释放的空间，其支撑作用相对有限，主要靠盘区柱及盘区周边围岩实现对于覆岩的支撑，因此，盘区柱及周边均产生一定程度的应力集中。地下矿体回采充填对于顶板及露天采场的影响较小，对区域应力场的作用基本不构成影响。

图4 回采结束典型剖面主应力分布图Fig.4 Typical section principal stress distribution diagram at the end of mining

4.2 露天边坡变形分析

由于地下矿体开采范围广、开采深度较大，虽然采用充填采矿方法，但是矿体在不同阶段回采过程中引起顶板覆岩移动和露天矿边坡稳定性的影响存在一定差异。开采回填第1步后即一标4 460～4 490 m、二、三标4 420～4 440 m，覆岩产生一定程度的下沉，但总的下沉量不大，整体的覆岩移动范围仅是在开采区域周边范围；开采回填第2步，即二、三标4 440～4 465 m阶段，开采引起的覆岩沉降变形进一步向上发展，但整体变形不大，图5(a)仅为第2步回采充填后竖向变形分布图；开采回填第3步即二、三标4 465～4 490 m阶段，变形量较大的区域集中二、三标的直接顶板区域，在直接顶板上最大变形量大约在10 cm，但呈现出连续变形趋势。

图5 典型剖面不同阶段回采竖直变形分布图Fig.5 Vertical deformation distribution map of different stages of typical sections

通过图6可以看出，地下大规模回采对角岩露天采场具有一定的影响，在一标4 460～4 490 m的1～6盘区和二、三标4 420～4 440 m的1～4盘区开采时，地下回采过程中牛马塘露天采场和角岩露天采场产生的竖向变形，最大变形量在牛马塘露天坑2号监测点位移为26 mm。说明该区域是受地下开采影响最大的区域，在地下开采时，必须加强该区域的边坡监测。由于地下矿体回采导致的地表变形的整体变形量均不大，在开采充填完毕后均处于稳定状态。

图6 露天坑变形量—计算时步关系曲线图Fig.6 Open-pit deformation-calculation time step curve

4.3 不同工况下露天边坡安全系数分析

选取地下开采对角岩西端帮影响较大的典型计算剖面，分别应用Slide6和Phase2软件，采用简化Bishop法和强度折减法进行分析。主要考虑不受地下开采影响的普通工况和受地下开采影响的两种情况(考虑角岩已经开采完毕的极限条件)。

通过表2及图7、8可以看出，简化Bishop法在地下有无开采时计算的结果一致，说明此种算法条件下的角岩露天矿西端帮的边坡失稳破坏由自身的边坡特性决定；强度折减法计算结果显示，在角岩露天矿闭坑后，大规模开采区域的地下开采完毕后较未开采时的边坡稳定安全系数升高(地震工况下安全系数升高有限)，说明地下开采的区域和范围在合理布置的基础上从某些方面来说对于露天边坡的稳定是有益的。

表2 角岩西端帮边坡安全系数计算结果汇总表Table 2 Summary of calculation results of safety factor of west slope of Jiaoyan

图7 极限平衡分析法各种工况计算结果图Fig.7 Calculation results of limit equilibrium analysis under different working conditions

图8 强度折减法各种工况计算结果图Fig.8 Calculation results of various working conditions by strength reduction method

5 结论

以甲玛多金属矿露井联采为研究对象，通过建立大范围区域规划的地下开采范围、露天采坑三维地质力学模型，研究采矿区域范围覆岩移动特性及地表露天边坡的变形响应。通过分析可知：

1)地下矿回采过程中，在完成一标4 460～4 490 m和二、三标4 420～4 465 m回采充填后，开采区域对整个区域应力场的重分布影响甚微；在4 465～4 490 m回采后，区域应力场受到较大影响，顶板卸压程度加大，顶板变形量较大。

2)矿体回采过程中，矿柱及回采范围周边的应力集中区域逐渐扩大，在三个回采阶段的盘区内部，受到充填的作用，成为应力释放的空间，其支撑作用相对有限，主要靠盘区柱及盘区周边的围岩实现对于覆岩的支撑。

3)地下大规模开采基本未对牛马塘露天采场产生较大影响，但对角岩露天坑产生一定程度的影响，通过合理安排地下矿体及角岩露天采场开采顺序，并加强该区域的边坡监测控制，对矿体进行安全高效的开采工作。