井工采区不同开采时序对边坡滑移破坏机制的影响

孙世国 张聿尧 王 佳

(北方工业大学，北京 100144)

0 引言

露井同期开采方式大幅提高了资源开采效率与经济效益,但与单一的井下开采或露天开采相比,露天和井工开采同时进行，2种开采扰动效应产生叠加[1]，井工开采容易引发采区上方围岩失稳破坏，露天边坡因受到井工采动影响诱发滑坡[2-3]。一旦发生滑坡将会对地面人员、设备和地下采场造成严重威胁。因此，研究单一井工开采方式下边坡滑移变形演化规律,可以为露井联采设计和安全防控提供理论基础和技术保障。以紫荆山金铜矿开采为例，研究不同开采时序对露天边坡岩体变形演化机制的影响。

1 工程概况

紫金山金铜矿位于福建省上杭县，属于武夷山脉，矿床分布为上部为金矿下部铜矿。采区分布区域如图1所示。

图1 采区工程地质分区示意图

图1中，A区坡面最大高度628 m，整体边坡角43°；B区边坡最终边坡高度748 m，整体边坡角42°，最终开采至露天终了剖面线后，形成最深处标高+100 m，垂直深度648m的高陡边坡体。根据规划设计开采方案，露天开采至+100 m水平后，进行井工开采；井采深度分为0，-10，-50，-100，-100～-200 m 5个中段[4]。根据紫金山金铜矿采场地质条件，确定A区最薄弱的A-A剖面作为研究对象。采场A-A剖面地层分布简化示意图如图2所示。

图2 采场A-A剖面地层分布简化示意图

2 数值模拟模型的建立

根据各阶段矿石储量情况，设计B1,B2,B3,B4,B5为备采矿房，C1,C2,C3,C4为采准矿房。利用数值模拟有限差分法对A-A剖面进行模拟，计算其应力应变分布规律及变化规律。模型x方向长度1 130 m，y方向的垂直高度为1 048 m，z方向延伸200 m，井工开挖的方向设定为由B2矿房至B4矿房方向；开挖倾向设定为从B3矿房开始至C3矿房结束。根据矿房的空间位置分布，设计为5步开挖，每步的开挖长度20 m，矿房平均宽度50 m。A-A剖面的三维模型边界设定为底部和两侧为固定约束，临空面为自由约束。紫金山金铜矿采场边坡的力学参数如表1所示。

表1 采场岩土体物理力学参数表

3 数值模拟结果分析

3.1 整体到界边坡应力场分布特点

通过数值模拟对整体边坡应力分布进行分析。当露天开采至+100 m时，两侧边坡都在坡脚处产生应力集中，右侧边坡由于高度较高其边坡稳定性也较差，最大剪应力也出现在右侧边坡，最大剪应力达到3.07 MPa。小于主要分布岩层Ⅰ的抗剪强度值4.62 MPa，不产生破坏。东西帮A-A剖面开挖至+100 m时，xy平面剪应力变化色谱图如图3所示。

图3 东西帮A-A剖面开挖至+100 m，xy平面剪应力变化色谱图

3.2 边坡岩土滑移机制模拟分析

开挖0～-100 m中段坡脚的矿体时，边坡不同位点沿剖面水平方向的位移结果如图4所示。

图4 坡脚区开挖完成后+60 m水平位移变化曲线

从图4可以看出，随着开挖的推进，上部坡体沉降量增大，产生移动区域增大，边坡整体向坡脚区滑移，最大位移出现在采空区上侧，最大水平位移达到2.21 m。模拟结果显示：随着开挖推进，边坡水平方向位移变化较大。采空区上侧塑性区范围增大，且与上部边坡塑性区产生贯通，整体强度减弱，岩性遭到破坏，坡脚处岩体裂隙增加且出现应力集中，边坡整体稳定性减弱。当优先开采坡中区矿体时，边坡内部的剪应力主要出现在采空区右侧，最大剪应力值2.26 MPa。开挖完成后采空区上部塑性区范围扩大，与坡面裂隙带、弯曲下沉带贯通，采空区上部整体稳定性遭到破坏。分析开挖前后不同测线的位移变化，得出采空区与边坡的位移变化规律：采空区上部区域产生较大位移，采空区周围岩体受开采的影响，上部坡体向采空区方向产生位移，采空区上部+60 m水平线、+100 m水平线和坡面线都产生了较大竖向位移，影响范围依次减小。其中，+60 m处最大竖向位移达到3.5 m,最大水平位移达到1.5 m。分析位移可知，采空区上方岩体及坡体受开挖扰动，整体向采空区方向滑移。分析应力可知：采空区上部出现拉应力，采空区两侧出现压应力，采空区左右两侧都出现了应力集中，左侧应力集中更加明显，距离采空区越远影响越小。综上可知，当井采区位于坡中时，增大了下山区域的坡角，采空区两侧出现应力集中，不利于边坡稳定性。

分析模拟结果，开采坡外区域矿体时，最大剪应力出现在xz平面，最大值为5.22 MPa；z方向剪应力主要分布于采空区两侧，最大剪应力2.5 MPa。通过分析位移云图(见图5)，位移主要集中出现在采区上方，对整体边坡位移影响范围较小，最大竖向位移0.76 m；最大水平位移0.15 m，水平位移和竖向位移相比于坡脚和坡中采区有明显降低。

图5 坡外区矿体开挖后z方向位移变化色谱图(单位：m)

通过分析塑性区色谱图(见图6)可知，采区位于坡外时，相比于坡脚坡中采区塑性范围明显缩小，“三带”尚未贯通。综上，当开挖在坡外进行时，水平位移和竖向位移相较于坡脚坡中开采明显减小，塑性区未贯通，整体坡角较小，因此有利于边坡稳定性[5-10]。

图6 坡外区矿体开挖后xz平面塑性区色谱图

4 边坡稳定性评价

通过边坡临界滑移场技术确定临界滑动面[11]，利用极限平衡法计算采区位于坡脚、坡中、坡外3种开采位置的边坡稳定系数；极限平衡法采用Morgenstern-Price法、Janbu法、Bishop法、Odinary法分别计算，最终取平均值对3种开采位置的边坡稳定性进行定性分析并与数值模拟结果相互验证。3种开采位置的危险滑面及其安全系数如表2所示。

表2 采区位于坡脚、坡中、坡外区的边坡稳定性评价结果

从表2可知，当采区位于坡脚、坡中、坡外时，稳定性系数平均值分别为0.879，0.945，1.431；分析以上3种开采方式下的边坡稳定性系数可知，坡脚处开采边坡稳定性系数最低，对边坡稳定性最不利；坡外处开采对边坡稳定性影响最小，与数值模拟结果吻合。

5 结论

露井同期开采过程中，井采区位于边坡体不同空间位置对边坡稳定性产生不同的作用机制。其中，井采区位于边坡的坡脚区时，由于井采区的开采直接破坏了坡脚区边坡岩体，从而导致边坡整体失稳破坏；当井采区位于坡中区时，由于井采区的开采破坏了坡中区围岩及边坡岩体，并导致边坡上部坡体的坡角增大，下部坡角减小，因此有可能导致部分上部坡体的失稳破坏；当井采区位于坡外区时，由于采区的开采直接破坏了坡外区岩体，在其影响范围内减缓整体或部分上部坡体的坡角，从而有利于边坡整体稳定性。

综上，可以看出井采区与边坡岩体不同空间位置的对应关系，井采区的开采对边坡岩体的稳定性产生的影响和破坏机制完全不同。因此，在露井联合开采过程中需要结合开采实际情况，优化开采顺序关系，避免产生滑坡破坏，影响安全生产。