露天转地下开采引起露天采场边坡垮塌数值模拟研究①

姜安民， 董彦辰， 江学良， 熊奇伟， 王飞飞

（1.湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411100； 2.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004； 3.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 4.长沙矿山研究院有限责任公司 金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）

随着矿产资源需求量增加，深部矿体资源开采逐渐被重视，很多原先采用露天开采的矿山逐渐转为地下开采［1］，由此产生一系列露天采场边坡稳定性问题［2-3］，如地表塌陷［4］、边坡滑坡垮塌［5］等。 已有多位学者开展了露天转地下后露天采场稳定性的研究工作［6-11］。 通过分析已有研究内容可知，露天转地下开采会对露天采场边坡稳定性产生不利影响。 不同矿山地质条件差异较大，因此急需对背景矿山开展地下开采对露天采场边坡稳定性的影响研究。 本文以某金属矿山露天转地下开采引起露天采场边坡滑塌为研究背景，采用三维数值模拟研究方法研究了矿体开采过程中围岩塑性区发展过程，并分析了围岩塑性区分布的变化规律。 研究结果可为矿山滑坡治理提供参考。

1 矿山概况

某金属矿山矿区内主要地层岩性有白云岩、砂岩、矿体及黑破岩。 矿区有断层构造多条，对矿体开采产生影响的主要有2 个断层，影响较大的1 个断层北西走向，长度与宽度规模较大，断层带岩性分布不规则，岩石风化破碎严重，且含有较多泥质，易透水。 断层在露天采场的北部边坡区域出露，断层带穿过的边坡目前均产生不同程度的变形垮塌现象。

井下矿体开采以11 线为界划分为东西2 个采区。设计开采中段高度60 m，依据矿体实际情况，设计了5个开采中段。 矿山西部矿体采用底柱分段崩落法开采，东部矿体采用充填法开采。

矿山西部井下采用底柱分段崩落法开采矿体，导致西部采空区上覆岩层随着时间推移不断崩落垮塌。在开采扰动、岩体节理面、岩层孔隙水渗流等因素耦合作用下，采空区上覆岩层既有裂隙不断损伤劣化扩展，多次循环演化，新的岩层裂隙不断形成与扩展至近地表岩层，最终导致地表出现裂缝、西部露天采场边坡发生滑坡。 露天采场边坡底部出现孔洞，地表岩土不断灌入井下。

2 数值模拟研究

2.1 三维力学分析模型

采用犀牛软件与FLAC3D联合完成整体矿山三维模型建立，包含矿山地表地形、矿体赋存形态及岩层的FLAC3D三维数值力学分析模型。

为了更精确地模拟井下矿体开采过程，建立的三维模型在兼顾计算精度的同时，仍要考虑计算机计算能力，过精密的网格将耗费大量计算时间。 综合考虑，选取合适的模型尺寸为：长1 152.43 m、宽886.88 m、高395.65～1 065.10 m。

2.2 模型计算参数

从现场采集了岩石样品，开展了室内岩石力学试验，得到白云岩、砂岩、矿体及黑破岩的岩石力学参数，然后采用各种工程折减后获得矿岩体力学参数。 充填体力学参数参考项目研究所依托的矿山充填体试验数据。 矿岩体及充填体力学参数见表1。

表1 矿岩体及充填体力学参数

3 数值模拟结果分析

为了研究地下矿体开采引起露天采场边坡滑塌形成机制，模拟了多个开采水平矿体的开采过程。 西部矿体从2 064 水平开采到2 004 水平，东部矿体从2 064 水平开采到1 884 水平。 通过提取数值模拟开采不同水平的塑性区、地表塑性区与井下塑性区分布，对比每个水平塑性区的变化，可以获得地下矿体开采对露天采场边坡垮塌与露天采场底部孔洞产生的影响规律。 具体塑性区分布见图1。 由图1 可知：①开采2 004 水平之前，随着西部矿体的开采，形成的采空区体积不断扩大，采空区围岩的塑性区不断扩大，且影响到采空区上覆岩层的稳定。 采空区上部岩层主要以拉伸破坏模式为主，采空区其他部位岩层主要以剪切破坏为主，且靠近西部边坡坡面的一侧已经与边坡塑性区相互贯通，说明开采到2 004 水平后，露天边坡西部已经出现垮塌滑坡灾害。 ②东部矿体采用充填法开采，在一定程度上控制了地表塌陷。 但由于充填采空区不能完全接顶，亦不能完全控制地表沉降，东部矿体开采后，东部地表同样出现了塑性区，且主要以拉伸破坏模式为主，不可避免地在露天采场底部产生地表裂缝。 在靠近西部矿体，即边坡脚部位，产生地表孔洞。从地表可以看出，产生塑性区的部位为西部边坡和靠近西部边坡的露天采场底部。 从模型剖面可以看出，产生塑性区的部位为西部采空区围岩、东部充填体。③2 064 水平、2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平在西部边坡坡面和露天采场底部产生的塑性区较多。 开采后续水平矿体对地表塑性区的产生影响不大。 主要是因为井下开采对地表产生的影响范围有限，尤其在东部采用充填法开采矿体，控制了露天采场底部的塌陷。④模拟结果与实际情况相吻合，验证了数值模拟结果的可靠性。

图1 开采各水平矿体后塑性区分布

通过提取开采各个水平矿体后的塑性区分布体积，计算出塑性区占整体模型的比例，分析塑性区随着开采深度的变化规律，结果见图2。 由图2 可知，开采过程产生的塑性区可划分为3 个阶段，有两个突变点，分别在2 046 水平与1 968 水平。 第1 个阶段为开采2 064 水平与2 046 水平，因采用无底柱分段崩落采矿法，产生了较大的围岩塑性区分布，对应到西部边坡开始出现裂缝、局部垮塌滑坡阶段。 第2 阶段为开采2 046 水平、2 004 水平、1 980 水平与1 968 水平，该阶段对应到边坡出现较大范围的垮塌滑坡，且露天采场底部出现裂缝、西部边坡脚处出现塌陷孔洞。 第3 阶段为开采1 968 水平到1 884 水平，该阶段主要开采东部矿体，且采用充填法开采。 第3 阶段塑性区占比逐渐增加，没有出现突变点，说明在东部矿体采用充填法开采，有效控制了矿体围岩塑性区的产生。

图2 塑性区占比与开采水平关系曲线

4 结 论

以实际矿山工程案例为研究背景，以围岩体塑性区分布为研究指标，由得到的数值模拟结果预测了矿体围岩塑性区发展过程，得到如下结论：

1） 空区上部岩层主要以拉伸破坏模式为主，其他部位岩层主要以剪切破坏为主，西部边坡坡面的一侧已经与地下采空区塑性区相互贯通。

2） 东部矿体采用充填法开采，在一定程度上控制了地表塌陷。 从地表看，产生塑性区的部位为西部边坡和靠近西部边坡的露天采场底部；从模型剖面看，产生塑性区的部位为西部采空区围岩、东部充填体。

3） 开采前期西部矿体在西部边坡坡面和露天采场底部产生的塑性区较多。 开采后续水平矿体对地表塑性区的产生影响不大。

4） 模拟矿体开采过程，可将产生的塑性区划分为3 个阶段，有两个突变点。 第1 阶段对应西部边坡开始出现裂缝、局部垮塌滑坡阶段；第2 阶段对应边坡出现较大范围的垮塌滑坡、露天采场底部出现裂缝、西部边坡脚出现塌陷孔洞；第3 阶段塑性区占比逐渐增加，没有出现突变点。

5） 数值模拟结果与实际情况相吻合，验证了数值模拟结果的可靠性。