露天转地下开采地表沉陷范围快速圈定及边坡稳定性分析：案例研究

李 林

（招远市阜山金矿有限公司，山东 烟台 265400）

当地表的露天开采无法安全高效地提取矿产时，便转移成地下开采。但将矿体及围岩转运后，就会导致地表沉陷等一系列环境问题和安全隐患。从露天开采到地下开采是一个复杂的地质力学过程。在开采顺序上，由于浅部到深部开采的过渡，边坡岩体受到两次扰动或影响。在空间关系上，两个受采矿影响的区域部分相互重叠形成了复合动力系统。这种复杂的状态可能影响边坡稳定性，进而诱发滑坡灾害。有时还会引起地表与地下裂缝导通回，导致地表污染物渗入地下水。此外，沉降和边坡变形还会导致地表构筑物失稳破坏[1，2]。因此有效的预测和管理开采活动引起的地表变形对采矿业来说应该是一个关键问题。

露天开采向地下开采过渡产生的扰动区域一般是由于浅层资源到深部资源的开采逐步扩大的。这种扰动是相当危险的，因为它可能威胁到高陡坡的稳定性。为了保证这些矿山的安全生产，目前有许多研究方法来研究地下开采对高陡边坡稳定性的影响。在边坡稳定性分析及相关领域，极限平衡法是被广泛的应用于工程边坡分析方法领域。极限平衡方法可以确定不同的开采深度造成的断裂面角度及崩落角。Brown和Ferguson将Hoek的分析方法推广到考虑倾斜地表和张裂缝中以及剪切面中地下水压力作用的情形。有时二维数值模型也被用来辅助分析挂壁的破坏并开发新的预测方法。

此外，由于计算机技术的发展，许多重要的理论得以实现。 但开采沉陷范围问题研究在面对矿区级别的三维数值模型时，往往需要的计算量巨大，计算时间长。这时候需要一种在计算精度及快速圈定范围之间平衡的方法，即粗略考虑矿区级别范围的沉陷区域，细致考虑关键区域的稳定。此外，如何采取有效的措施来加固这种危险状态的边坡，也是需要进行合理分析的。

1 工程背景

原露天采场坑底长度约550m，坑底宽为22m～36m。坑底平均高程为+70，东南边坡高差80m～160m，西北边坡高差80m～120m。边坡及地表建筑状态，可从图种A、B和C三个视角进行扫掠。其中A视角看出主井筒位于边坡北端近邻。而视角B则揭示，矿区建筑距离西北边坡较近，该边坡的台阶较缓。C则观察到高差最大的边坡，其角度极为倾斜，台阶日渐风化坍塌，下部有散体覆盖。

边坡发生破坏崩落的位置主要集中在东南边坡，间隔的小范围的块体滑落为最常见的一种破坏类型。这种破坏的主要诱因可能是由于结构面切割后的岩体在开挖后由于长期的松弛效应及风化作用，其岩块沿结构面发生滑移冒落。业主由于担心地下开采诱发边坡更为剧烈的失稳破坏，于是将部分废石填埋至坑底。

目前面临的问题有三个：①由于开采可能导致的地表沉陷问题对地表构筑物及边坡的影响范围估算。②由于不断增加的深度的崩落法开采通常诱发的沉陷范围会扩大，涉及的模型巨大。大尺度的数值模拟必然面临岩体参数准确性、计算精度及计算效率问题。③是如何保障受影响的边坡上重要构筑物安全问题。需要对受影响的边坡采取必要的安全措施，以增强安全系数。

2 矿区沉陷范围快速圈定

采用渐进崩落极限平衡理论及三维建模快速圈定沉陷区范围。在使用无底柱分段崩落法时，当开采矿体非常巨大且倾角较陡时，随着采矿水平的逐渐下降将会造成上盘岩体的渐进崩落。根据极限平衡理论的分析方法对A铁矿10号矿体的陷落角进行计算。基础岩体物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学性质参数

其中：γ：采动前岩体的容重，γc：崩落材料的容重，：岩体的有效黏结力，：岩体的内摩擦角，：崩落材料和未采动岩体之间的摩擦角，：矿体倾角，：上部地表的坡面角（亦可为负）。

根据上盘渐进崩落使用的极限平衡法只能较为精确的计算上盘崩落的范围，却无法计算下盘地表区域扰动范围。地表移动范围的圈定是一个复杂问题，应该结合多种方法，以减少预测的风险。参照设计手册工程类比多个矿山，下盘使用工程类比法确定的移动角每条崩落线与地表形成交点。将地表交线连接，圈定出三维的地表沉陷带。

3 边坡稳定性分析及防控建议

3.1 危险区域分析及防控措施

在对边坡稳定性分析时，建模及计算中做出如下简化和假设：

（1）假设边坡岩体为连续的、均质的、各向同性的介质。

（2）研究范围内的岩性比较简单，虽然局部存在岩脉和夹石类，但要精确描述其产状是比较困难的，因而只简化为岩体和矿体两类。

根据室内试验岩石力学参数试验成果，采用Hoek-Brown折减后确定的岩体工程力学参数。岩体和充填体力学参数如表2。

表2 矿区岩体力学参数

由于计算研究范围涉及的岩体为花岗岩及铁矿石，采用摩尔-库伦破坏准则。其力学模型为：

式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力；c，φ分别是粘聚力和内摩擦角。当f ＞0时，材料将发生剪切破坏。在拉应力状态下，如果拉应力超过材料的抗拉强度，材料将发生拉破坏。

根据露天转地下开采的实际情况，地下开采不留设露天隔离矿柱，各回采步骤所模拟的回采矿体范围见表3。

表3 各回采步骤所模拟的回采矿体高程范围

3.2 回采过程数值模拟分析及覆盖层作用机理研究

3.2.1 无开采扰动下边坡稳定性分析

（1）应力场分析：该边坡应力状态以压应力为主，即边坡若发生破坏，以“压－剪”的破坏模式为主。

（2）边坡稳定性分析。

图1 强度折减法的边坡状态图

安全系数通过强度折减法的计算得出，对给定的抗剪强度参数c和tanφ按照二分法折减，直到折减满足精度要求，从而求解安全系数FS=1.94。

3.2.2 两种方案应力、应变、及塑性区对比分析

图2为开挖至+10m水平后的应力、应变及塑性区图。从图2(a)、(b)所示应力云图上可知，方案二边坡拉应力约为0.15MPa，方案一边坡拉应力最大值在0.25MPa～0.4MPa，由于更接近边坡体抗拉强度，因此方案一更易发生失稳破坏。因此可看成一定厚度的覆盖岩层对于边坡体有一定支撑作用。从图2(c)、(d)、(e)、(f)所示的位移云图可知，方案二比方案一在上盘边坡的坡脚处位移量更小，覆盖层对边坡位移发展有一定约束作用。

图2 +10m中段开采后云图

4 结论

本文以A铁矿露天转地下开采为研究背景，在现场工程地质调查和岩石力学实验的基础上，开展理论分析和数值模拟研究。得出以下结论：

（1）综合总矿区的极限平衡计算及重点剖面的数值计算，可快速解决大尺度范围地表沉陷系列问题分析。通过采用工程类比法与极限平衡法综合分析出，主矿体深部开采过程中的岩体移动角与移动范围。确定了每一开采阶段过后形成的沉陷区域，并由此判断建筑物是否在受影响范围。使用数值模拟回采过程可知随着地下开采深度增加，边坡稳定性逐步降低的程度。

（2）覆盖层对露天转地下开采后的边坡稳定性的作用。经过数值模拟不同深度开采过程后发现，保持覆盖层高度稳定，可确保边坡安全系数在较高的水平。