露井联采下的边坡滑移规律分析

孙世国 贾欣欣 刘文波 肖 剑

(1.北方工业大学，北京 100144;2.中冶交通建设集团有限责任公司，河北 三河 065200)

0 引言

为提高矿产资源采出率，实现资源的最优化配置开采，运用露井联采模式代替单一方式的露天和井工开采是必然趋势。露天矿边坡的岩体移动变形具有复杂性和不可逆性，其动态演变过程也受到诸多因素的影响，变形破坏机制也因露天矿边坡类型的不同而存在较大差异[1]。与单一开采方式不同的是，位于2种采动影响域之内的边坡受地下与露天复合开采的双重影响[2-3]，原应力场被打破，进行应力重分布，并导致地下开采区的上覆岩体产生潜在滑移面，从而使岩体发生滑动，位移发生相互叠加作用，因此边坡体的移动变形受到露天矿采动影响和地下采区滑移力的复合作用，构成复合叠加效应，使得边坡岩体的移动机理和变形机制表现得更加复杂[4]。

笔者以紫金山金铜矿为例，应用数值模拟法模拟露井联采下,地下采区按充填开采方法时上覆岩体的移动变形破坏，研究地下动态开采过程中上覆岩层移动规律与边坡岩体滑移破坏方式。

1 工程实例概况

紫金山金铜矿地处福建省龙岩市上杭县城，东临龙岩市区，西接广东省梅州市，北靠江西瑞金市，东北至福建永安市，是一座特大型金铜矿。

该矿于1993年开始建矿投产，1999年启用露天开采。矿山金的赋存量为305 t，铜矿体的赋存量超过300万t，矿产资源十分丰富。紫金山金铜矿所处地层主要出露震旦系、上泥盆统-石炭系、白垩系。沟壑纵横的地形使紫金山金铜矿北东和北西2个方向的构造运动尤为活跃，北东整体形状表现为“S”形分布，南西向倾斜，由震旦系组成其核部，两翼主要为上泥盆统和石炭系；北西断裂的整体倾斜方向为南西或北东，构造走向300°～329°，倾角40°～80°，是本区重要的控岩控矿构造。依据工程地质的分区原则，考虑采场的地形地貌、露天及地下开采位置，结合采场边坡岩体岩性、力学性能及结构面发育程度等，可将紫金山金铜矿采场边坡划分为A，B，C，D 4个工程地质区，如图1所示。

图1 紫金山金铜矿工程地质分区

4个矿区均位于韩江水系流域范围内，故水系较为发育，且属于亚热带季风气候区。在矿山标高低于+100 m时采用井工开采，大部分矿体分布在标高+30～-200 m，开采分为4个阶段，主要在标高为0，-50，-100，-150 m的中段进行。

2 露井联采中上覆边坡岩体移动规律

2.1 计算模型与岩体力学参数选取

为了较为准确地模拟计算三维岩体不连续问题,根据现有紫金山金铜矿的相关工程资料，采用3DEC软件建立露天采场计算模型。考虑露井联采过程中采动效应的影响，在数值模拟时对相关岩体的物理力学参数进行了一定修正，最终确定了采场边坡的岩体力学参数。模型与计算参数分别如图2和表1所示。

图2 紫金山金铜矿三维离散元计算模型

表1 采区边坡岩体力学参数

该模拟主要针对地下开采按采空区充填方式的露井联采进行计算分析，即开挖过后采空区采用尾矿充填，在铜矿赋存区域5-5主控剖面进行边坡相关计算(见图2)。研究边坡岩体滑移机理，分析滑移破坏形式，并据此评价边坡的稳定性。5-5主控剖面位于B区，其工程地质剖面图和地下矿体地质分布图如图3和图4所示。

图3 5-5主控剖面工程地质剖面图

图4 5-5主控剖面方向地下矿体地质分布图

2.2 采空区充填时边坡岩体移动机理分析

对西部采区用预留底柱开采方式进行开挖，后采用充填处理，开采分+30～0，-50，-100，-150 m 4个阶段进行，开采填充示意图如图5所示。

图5 5-5主控剖面开采填充示意图

通常情况，地壳内岩体的任何一点受围岩各方向应力作用，时刻处于受力状态；如果不受外界外力的影响或扰动，位于自然应力状态下岩体中不同空间单元上的应力σ0将基本保持不变[5]。地下岩体工程开采会改变周边地壳中的原岩应力场分布,对于露井联采中处在相互影响域内的岩体，其内部某一点的应力状态由两部分组成：①由露天卸荷引起的应力变化σ1;②由地下开采引起的应力变化σ2,最终该点应力状态表现为两者相加[6-7]。然而受地质条件、开采方式、空间位置与开采尺寸大小等诸多因素的影响，其开采效应的影响域大小有所不同，故应力变化量也不相等，应力重分布下采动影响域内应力场与原岩应力场大相径庭。露井联采开采过程中，位移变化和应力变化相似，也是一个叠加过程，在此不多叙述。

开采第4阶段5-5剖面竖直应力场及位移图如图6、图7所示。

图6 开采第4阶段5-5剖面竖直应力场(单位：Pa)

图7 开采第4阶段5-5剖面位移图(单位：Pa)

图6中正负号分别表示每点岩土体所受的拉应力和压应力，图7中负号表示边坡岩体位移发生在z轴负半轴即岩体向下移动。当由+30 m开采至-150 m时,从对采空区充填尾矿方法下的竖直应力场图和位移场演化特点可以看出，采空区充填后再进行地下开采时，对露天边坡的影响显著降低，在开采第2阶段，即+30～-50 m时，少部分边坡岩体开始发生失稳变形,整体表现稳定；在开采第3阶段，即+30～-100 m时，边坡岩体处于一个较稳定状态；在开采第4阶段，即+30～-150 m时，最大压应力、最大拉应力值分别为1×107Pa和1×106Pa,露天边坡岩体出现大范围的失稳变形，发生局部破坏。

2.3 采区充填时边坡岩体稳定性分析

一般情况下，露天开采会使边坡岩体沿一定滑动面滑动产生滑移破坏，地下开采会使上覆岩体下滑到一定界线发生塌陷现象[8]，因此根据采空区上覆岩体移动的影响范围，可以确定露井联采下边坡的破坏方式，即滑移型破坏、塌陷型破坏、滑移-塌陷复合型破坏3种移动破坏方式[9-10]。

为进行边坡岩体稳定性分析，选取5-5剖面边坡岩体坡顶至坡脚的11个监测点，如图8所示。以每一步各监测点测得的竖向位移为基准，画出边坡岩体在地下开采过程中沿x坐标方向：2 785 840～2 789 040 m的沉降曲线变化图，如图9所示。

图8 坡底至坡顶边坡体取点位置示意图

图9 开采第4阶段5-5剖面沉降变化曲线

由采区充填尾矿后的边坡体坡顶各点位移值变化可以看出，开采至-150 m的坡顶区域内边坡岩体最大沉降值是-0.34 m，即当采空区采用充填开采时，地下开采对边坡岩体的下沉滑移作用表现较小，边坡体主要受到露天开挖作用的影响。采空区上覆岩体的滑移面大部分处在下沉盆地内且几乎发生垂直下沉，边坡岩体属于塌陷型破坏，此时地下开采对露天开采边坡岩体的稳定性影响最大。

把由+30 m充填开采至-150 m阶段时，边坡岩体的地表沉降位移值和水平位移值数据导入MATLAB，得到露井联采下地表三维沉降位移图和水平位移图，如图10和图11所示。

图10 充填开采至-150 m时地表三维沉降位移图(单位：m)

图11 充填开采至-150 m时地表三维水平位移图(单位：m )

图10中负号表示地表沿z轴负半轴移动即向下发生沉降，图11中正负分别代表地表沿x轴正负方向发生移动。分析表明，随着不同阶段开采工作面的推进，上覆边坡岩体移动变形具有三维性质，地表下沉范围不断扩大，坡顶下沉值逐渐增加，沿z竖直方向，地表下沉值逐渐由0 m最终到接近-0.35 m，形成下沉盆地。紫金山金铜矿采用填充开采对地表变形影响较小，最大下沉区域范围为D区，地表沉降位移和水平位移均达到最大值，其余A，B，C区的下沉区域相对较小。

3 结论

笔者以紫金山金铜矿为工程实践，应用三维离散元数值模拟对露井联采过程中边坡滑移规律进行分析，并对边坡稳定性作出一定评价，得到以下主要结论：

(1)根据紫金山金铜矿相关的工程地质资料与修正后的岩石物理力学参数，运用3DEC软件建立三维离散节理模型，确定了边坡动态变形中的位移矢量图及应力动态分布特性，并对边坡滑移机理与破坏方式进行分析。结果表明：边坡岩体变形幅度与地下开采深度成正比，开采深度越深，岩体变形越大、越容易发生塌陷破坏。

(2)露井联采下对采空区采用充填处理时会使部分上覆边坡岩体产生叠加采动效应，边坡岩体打破原平衡状态，进行应力重分布和位移叠加。

(3)根据建立的紫金山金铜矿三维离散节理模型、露井联采的三维沉降模型和水平位移模型，系统分析了露井联采过程中采空区充填开采方式下，边坡体的移动特点。结果表明：上覆边坡岩体移动稳定后，采空区上方地表形成沉陷区域，称为下沉盆地。