多层复杂空区群下边坡稳定性影响研究

马增 ，陈湘根，田朝晖，刘峰，聂永祥， 葛虎胜，陈鹏，李家东

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.国家金属采矿工程技术中心， 湖南 长沙 410012； 3.栾川钼业有限公司， 河南 洛阳市 471500)

0 引言

边坡稳定性问题是露天开采技术研究中的重点和难点，关系着矿山的安全生产，研究的成果是矿山高效开采、绿色建设的保障。影响边坡稳定性的主要因素为边坡工程地质条件、开采方式、降雨、空区等，特别是在最终境界下赋存的采空区严重阻碍生产进度，时刻存在着边坡滑塌的安全隐患，比如广东大宝山铅锌矿、太钢袁家村铁矿等矿山由于历史地采、偷采、盗采导致边坡下存在大量采空区，不仅影响生产进度，而且在治理采空区时花费了大量的人力、物力和财力[1-2]。

国内的专家学者对赋存空区群的边坡稳定性研究开展了大量的工作[3-9]。柴红保等利用强度折减法，对边坡下不同位置不同跨度的采空区进行数值模拟分析，得到了各种情况下的安全系数，发现空区在坡脚处对边坡的影响最大，安全系数约降低20%[10]；冯志楼等以某铁矿为研究对象，通过Midas/GTS分析了不同应力条件下的边坡，分析结果与现场实际吻合，为工程治理提供了依据[11]；李同鹏等利用FLAC3D，对比分析了不同跨度采空区和不同厚度保安矿柱的应力、塑性区和安全系数等，得到了边坡稳定性受空区跨度和保安矿柱厚度共同影响[12]。

矿山开采方式会根据矿体赋存条件、生产技术手段等进行选择，甚至会根据金属价格和开采的技术水平进行改变。南泥湖钼矿在开采历史时期内，由地下开采变为露天开采，虽然产量有了很大提高，但是地下开采时期留下的空区成为了目前制约矿山生产的重要症结，也为安全生产埋下了隐患。因此进行多层复杂空区群对边坡稳定性的影响分析是十分有必要的，能够为后期的边坡治理提供 参考。

1 矿山地质概况

1.1 矿山地质条件

南泥湖钼矿位于栾川县城北西30 km处，属河南省栾川县冷水镇管辖，矿山隶属于栾川龙宇钼业有限公司。南泥湖钼矿与洛钼公司的三道庄钼矿以及众鑫公司采区同在一个矿床上且3家采矿权证界 线紧紧相邻。矿区内出露地层主要为新元古界青白口系-震旦系（QnZ）官道口群—栾川群的白术沟组和三川组、南泥湖组、煤窑沟组，自下而上互呈整合接触。北部边坡涉及的主要岩性为南泥湖组的黑云母长英角岩、长英角岩和透辉石长英角岩。北区主要构造为F1和F6断层，断层以东北北走向为主，倾角在60°～75°，与北部边坡斜交。

1.2 矿山生产条件

南泥湖钼矿为露天开采矿山，封闭圈高度为1342 m，北部边坡是凹陷露天和山坡露天结合的边坡，目前最低开采标高为1258 m，最高开采标高为1495 mm，开采形成了22个台阶，1390 m以上已经靠帮到界，边坡整体形态为上陡下缓，1390 m以上工作帮坡角为41°，1390 m到1258 m工作帮坡角为18°。

图1 北部边坡

2 空区情况

2.1 空区形成过程

南泥湖钼矿的开采始于20世纪80年代，由地方乡镇企业及民采企业进行无序开采。乡镇企业主采区位于矿区横20线至14线之间和横8-1勘探线之间，原M1主矿体之内。采用竖井和斜坡道开拓，采矿方法为中深孔阶段矿房法和浅孔

房柱法，采矿中段共有1300 m、1330 m、1350 m、1365 m、1375 m 5个中段。据初步调查5个中段的1300 m、1330 m和1350 m中段留有部分资源，1365 m标高以上均已采空，部分地段已经陷落。地方企业开采形成的采场一般长15～30 m，宽8～15 m，采场面积为100～300 m2，部分地方采场矿柱被盗采或垮落，几个采场连通，形成采场面积500～800 m2。采场高度大多为4～8 m，个别高度达10 m以上，导致上下中段间顶板厚度小甚至采透。2005年钼都公司开始在南泥湖钼矿进行露天开采，但是，地下民采盗矿现象仍然持续。据调查与不完全统计，截止2003年，南泥湖矿区井下采出矿石量累计约1162万t，采空区面积约40.6万m2，体积约426万m3，随着开采深度的不断增加，采空区部分已经处理，据最新资料统计剩余采空区为5.06 万m3。

北部边坡只剩下1330 m、1350 m和1365 m中段的空区未被完全处理，这些空区由于是偷采和盗采形成的，在分布上没有明显的规律，基本上以一条巷道为主线，采场分布在巷道两边，每个采场大小不一，高度不同，分布如图2所示。

图2 多层采空区示意

2.2 空区现状

现场踏勘中发现部分采空区已经坍塌，部分坍塌采空区已经进行废石堆填，部分塌落至地表的空区暴露在空气中。空区塌落的原因一方面为断层节理面穿过空区顶部，软弱的断层面夹层由于下部空区存在加上雨水等因素作用，致使空区顶板塌落，见图3；另一方面为空区顶板较薄，采场爆破振动等因素影响，难以支撑采空区的稳定，见图4。

图3 1390 m采空区塌陷

边坡下部的空区是影响边坡稳定的重要因素，采空区的存在会降低边坡岩体的完整性，从而降低边坡的稳定性，另一方面采空区自身的稳定影响着边坡的稳定，采空区的塌落会使边坡体失去支撑，导致上部边坡产生滑动。

图4 1360 m采空区塌陷

3 数值模拟

3.1 分析模型

分析软件采用专用于地下或地表边坡工程开挖的应力和位移的2D有限元分析软件，可用于包括岩石复杂的隧道支护问题、地下硐室开挖与支护、采矿开采与充填、边坡开挖模拟等问题的分析。

采用最大拉应力判据，结合摩尔-库伦屈服准则来确定边坡开挖后的应力、位移、可能出现的拉剪破坏范围等，以此来确定露天边坡的稳定状况，在进行分析荷载时按照软件自动分级施加，解方程时用Gaussian消除法求解，最大循环次数为500次，累计误差为0.001。

南泥湖钼矿北部边坡根据地形划分3条剖面分别为A-A′、B-B′和C-C′，模型建立主要依据边坡现状和设计境界以及地质钻探数据，然后根据剖面线位置进行剖面图制作，将剖面图导入软件后进行网格划分，然后将空区进行开挖。本次分析结果以A-A′为主，现状模型和设计模型见图5、图6。

图5 A-A′现状模型模型

3.2 分析参数

分析参数的选取按照岩石力学试验、结构面测绘、岩体质量评价等步骤进行，最后进行岩体强度折减得到。岩体分析参数见表1。

图6 A-A′设计境界模型

表1 边坡岩体分析参数

4 结果分析

4.1 安全系数

安全系数是直接反映边坡稳定与否的关键指标，也是计算分析的重要结果。通过强度折减法分析北部边坡的安全系数，得到了对应的安全系数，见表2。

从安全系数的分析结果来看：现状边坡是稳定的，安全性较好；设计边坡不能够达到边坡许用安全系数要求，安全储备不足，难以满足规范标准要求[13]。现状边坡安全系数较大是由于北部边坡下部（1360～1258 m）工作帮坡角只有18°，且边坡的高度为237 m（1258～1495 m），设计边坡由于达到了设计境界，边坡角度高，边坡高度达到393 m（1102～1495 m）。

表2 A-A′边坡安全系数

4.2 位移

位移量是分析岩层移动和变化的重要指标，通过对岩层位移量的分析，能够了解边坡移动量最大的区域，可以指导矿山的日常管理，有助于对重点区域进行重点管理，边坡位移量分析见图7。

从图7中可以看出，边坡最大位移量为空区出现的位置，同时由于空区的存在分析得到的位移量较大；现状边坡分析结果可以看出，1330 m水平处的空区与1350 m水平的空区在垂直空间上有重叠，会导致1330 m水平的空区先垮塌，导致1350 m水平的空区失去支撑力后垮塌，直至垮落至1360 m平台，这与1360 m平台塌陷位置相同，如图4所示，与现场情况十分相符；设计边坡的位移量主要出现在边坡的上部，同时根据分析结果进行预测，在未来开采达到设计境界时，1330～1345 m处采空区会先垮塌，然后上部失去支撑，最终会导致上部大面积的滑塌。

4.3 塑性区

从图8可以看出在空区顶部出现拉应力破坏区，空区的其他部位出现剪应力破坏区，同时由于下部空区的存在，导致上部出现部分的拉应力破坏区，在现状情况下空区的塑形破坏区域与边坡塑性区域未完全贯通；破坏区主要集中在空区群位置，特别是在多水平重叠空区位置。在远离边坡面的空区，由于保护岩层厚度较大，空区体积较小，塑性区范围不明显。

随着开采深度的不断增加，边坡不断加陡，远在边坡内部的空区距离边坡面越来越近，导致内部空区四角出现了剪切应力破坏区域，与边坡塑性区域完全贯通，所以边坡达到设计境界时边坡不稳 定，安全性难以保证，这和安全系数的分析结果相对照，在空区群影响下边坡设计境界不可靠，不能满足安全要求。

图7 现状和设计边坡位移量分析

图8 现状和设计边坡最大剪应变分布及拉剪破坏区域

5 结论

为了研究空区群对边坡的稳定性影响，以南泥湖钼矿多层复杂空区条件下的矿山边坡为研究对象，分析得到了现状和设计境界下边坡的安全系数、位移以及塑性区分布，通过数值模拟分析验证了现场现场垮塌的根源，同时对设计境界进行了分析和论证。根据研究结果得到以下结论。

（1）根据安全系数分析，目前现状边坡安全系数能够满足许用安全系数要求，边坡是安全的，这与现场观测和踏勘得到的结论相符；设计境界边坡安全系数不能够满足安全系数要求，边坡达到设计境界时安全性难以保证。

（2）通过位移量分析可知，边坡最大位移量为空区出现的位置，与塌陷位置和现场情况十分相符，分析结果与现场情况相互验证；同时根据分析结果进行预测，在未来开采达到设计境界时，1330～1345 m处采空区会先垮塌，然后上部失去支撑，最终导致上部大面积的滑塌。

（3）在空区顶部出现拉应力破坏区，空区的其他部位出现剪应力破坏区，同时由于下部空区的存在，导致上部空区出现部分的拉应力破坏区，在现状情况下空区的塑形破坏区域与边坡塑性区域未完全贯通；随着开采深度的不断增加，边坡不断加陡，远在边坡内部的空区距离边坡面越来越近，导致内部空区四角出现了剪切应力破坏区域，与边坡塑性区域完全贯通。

（4）综合分析结果，多层复杂空区严重影响边坡的稳定性，空区的垮塌可能会造成上部边坡的滑塌，南泥湖钼矿设计境界不能够满足安全生产要求，应当尽早采取治理措施。