三友石矿露天转地下开采边坡稳定性研究

张亚宾,王鑫,艾蕊,李宜杨,黄琛泷

(1. 华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063210;2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210)

石矿本身价值比较低,在原有市场经济条件下不适于地下开采,但是近年来随着绿色开采的推进,一些小型石矿纷纷关闭,导致现今石材价格升高,逐渐使石矿具备了地下开采的可能[1,2,3]。为了实现平稳过渡不停产,露天边坡的稳定性至关重要。许多学者利用相似模拟和数值模拟等方法对露天转地下开采的边坡稳定性问题进行了研究和探讨。周瑞龙[4]等对露天转地开采后矿山高边坡稳定性进行了研究,通过有限元数值模拟方法验证了石人沟铁矿露天转地下开采矿山高边坡整体是稳定的。姚俊辉[5]等为探究露天转地下开采空区破坏特征和边坡稳定性影响,对某铁矿露天转地下无底柱分段崩落法开采进行FLAC3D数值模拟,分析了露天转地下开采过程中地压活动规律及边坡稳定性,得出回采过程中空区围岩和空区的破坏状况以及回采过程中边坡安全系高。孙世国[6]等通过模拟了3种条件下地下开采对边坡稳定性的影响机制,得出了3种条件下露天转地下采区的稳定状态。肖林京[7]等结合工程实例和数值模拟对采用无底柱分段崩落法矿体露天转地下开采进行了研究,分析了开采矿房深度增加引起上部边坡的受力及位移变化和采空区充填对边坡稳定性的影响,并得出合理的开采方案。王孟来[8]等采用相似模拟和FLAC3D数值模拟的方法对坡高300m矿山在不同开采阶段位移变化特征等进行了对比研究,沉降结果基本一致。黄波[9]等通过高陡边坡监测系统对矿山露天转地下过程中的边坡应力和位移进行监测,分析其变化规律,在复合采动下边坡岩体破坏机制更加复杂,为在露天转地下复合采动影响下边坡滑移预测提供关键理论支撑。王云飞[10]等针对露天转地下开采过程中地下开采对露天边坡变形破坏问题进行了三维数值模拟,分析了地下矿体开采过程中边坡岩体的变形和应力变化,不同标高处边坡岩体的竖向位移有所区别,开采对矿体上盘围岩影响更大,上盘边坡岩体最大主应力随深度增加而增加。以唐山三友集团三友石矿露天转地下开采为研究背景,采用相似模拟实验法观测、分析模型在地下开采过程中的边坡及围岩的位移和应力变化,从而对开采过程中造成的边坡及围岩稳定性问题进行探究。

唐山三友集团有限公司三友石矿位于唐山市北东20公里处的开平盆地西北处,交通便利,自建成已露天开采30年。根据矿区天然条件将矿区自东向西分为一、二、三采区,矿体总体呈北东向层状分布。矿区内含多条断层,二矿区目前已经开采至+16 m水平,拟进行露天转地下开采,边坡下的Ⅴ号矿体8#勘探线(如图1)剖面南北长525 m,深345 m。矿区地质复杂,由于受断层的影响,矿体被切割并发生位移,就露天矿整体而言,由南至北依次由含泥灰质白云岩、豹皮状白云质灰岩、含泥质灰岩和白云质灰岩组成,且南帮矿体强度高于北帮。矿区内断层多南北走向,地面裂缝、塌陷明显,露天部分由于多年开采形成了高陡的边坡,北帮边坡标高+188 m,南帮+82 m,如果继续采用露天开采不仅会增大矿山剥采比降低经济效益,也会出现一系列的安全问题,影响矿山安全生产,所以计划在原有露天坑底穿孔爆破,以地下出矿的方式进行露天转地下开采。地下开采过程中,露天边坡产生的变形破坏将直接影响地下开采的安全,因此针对地下开采对边坡稳定性问题影响的研究是十分有必要的。

图1 8#勘探线剖面分布图

2.1 相似材料配比选定

利用相似模拟实验可以认识和探讨地压规律,并在实验室利用人工材料制备出与天然岩石物理力学性质相似的模型。根据实验目的,实验模型满足相似三大定律条件,与原型物理参数相似,最终确定模型几何相似常数αL=200,容重相似比αγ=1.47。实验需要相似材料满足密度为1.8 g/cm3、抗压强度为0.1 MPa要求,最终选定如表1所示相似材料的强度及配比方式。

表1 选定材料强度及配比

2.2 监测点布置及开挖方案设计

按照矿山实际原型,制作尺寸长2.3 m,高1.5 m的实验模型,接着在模型中模拟采场开挖工作。在砌筑模型过程中埋设应变片,以便对模型内部进行监测,设置非接触全场应变与应变仪监测点相对应,综合考虑布置监测点的因素,布置如图2所示监测点。

图2 应变仪测点布置图

监测点布置完毕即对模型进行回采,分四步模拟实际开采工作,每次向下开采65 mm、即实际依次向下开采至-2 m、-17 m、-32 m、-47 m,每步开采15 m,共60 m,模型每次向前掘进40 mm,即实际掘进8 m。整个模拟开采全程使用全场应变仪和静态应变分析系统进行监测。图中10、12、13号测点分别为矿体南帮边坡的+74 m、+60 m、+10 m水平测点,1、4、6、8、9号测点分别为矿体北帮边坡的+163 m、+94 m、+48 m、+10 m、+6 m水平测点。

3.1 边坡位移变化分析

通过非接触式全场应变仪对开采过程中的位移变化进行监测,南帮边坡和北帮边坡的水平、竖直位移随开采步序的变化如图3、图4所示,10～13测点和1～8测点分别为南北帮边坡测点。

图3 南、北帮边坡水平位移与开采次序的关系曲线

图4 南、北帮边坡竖向位移与开采次序关系曲线

观察图3可知,第一次开采完成,南北帮边坡位移变化均较小,在第二次开采完成后水平位移量均增大,由于北帮边坡过高对矿体形成的挤压现象更明显,在之后北帮监测点的水平位移量随开采次序的增加呈线性增长,且北帮边坡原露天矿坡脚位置的测点8产生的位移增量最大为0.23 mm(折合实际位移为46 mm);南帮边坡第三次开采过程中即-17 m水平至-32 m水平时,边坡位移出现轻微的回落,南帮边坡水平位移在坡脚10测点位置达到最大值,即在第四步开采完成,地下开采到-47 m水平时,水平位移最大值为0.18 mm(折合实际位移为36 mm)。南帮坡顶12、13测点和北帮坡顶1、2、3测点的水平位移在完整开采过程中变化较小,由此说明随着地下开采的进行,开采扰动对矿山边坡坡顶的水平位移影响最小,10测点和8测点分别取得南北帮边坡水平位移的最大值,说明地下开采对矿山边坡坡脚的水平位移影响最大。

观察图4可知,模型南、北帮边坡都出现了位移沉降,且北帮大于南帮。南、北帮竖向位移量随着开采的进行逐渐增大,第三次开采完成,竖向位移量突然增大,说明开采至-32 m水平此时地下开采扰动对边坡影响突然增大。整个开采过程中边坡竖向位移值都在不断增大,且越接近坡顶的位置竖向位移量增速越大,南北帮边坡竖向位移最大值分别出现在位于坡顶的13测点和1测点,南帮边坡最大竖向位移值为0.27 mm(折合实际位移为54 mm),北帮为0.43 mm(折合实际位移为86 mm),矿体北帮大于南帮沉降值,由此可知地下开采对北帮边坡的影响大于南帮边坡。

3.2 围岩位移变化分析

随开采的进行,矿体周围围岩的水平和竖向位移也在发生变化,图5(设置北帮到南帮的方向为X轴正方向)、图6(设置竖直向上为Y轴正方向)分别为周边围岩各监测点的水平和竖向位移随开采步序的变化曲线,图中14～17测点为矿体上盘附近测点,18～21测点位于矿体下盘附近测点,各测点距矿体边界的距离基本相等。

图5 围岩水平位移与开采次序关系曲线

图6 围岩竖向位移与开采次序关系曲线

观察图5可知,随开采步序的进行,矿体周围围岩的水平位移先逐步增加,随后快速增加,最后又趋于缓慢增长趋势,说明在开采至某一水平时,围岩的水平方向出现较大位移形变,之后恢复到缓慢增加的状态。第一次开采完成,各测点位移变化微小,第二次开挖完成后,14测点和21测点水平位移出现较大变化,第三次开挖完成,15测点和20测点水平位移出现较大变化,分析可知是由于相近水平矿体开挖扰动引起上下盘围岩出现相似的增长趋势,上下盘水平位移值出现在14测点和21测点,且上盘14测点的位移值略大于下盘21测点,上盘围岩的水平位移量大于下盘。开采引起上盘14测点即北帮边坡坡底处的位移值为0.2 mm(折合实际位移为41 mm),由此可见,高陡的边坡和坡底岩石稳固性较低导致北帮边坡水平位移较大,南帮边坡水平较低,围岩稳定性相对较好。不同深度围岩的水平位移有所变化,随着深度增加变化越来越小,可知开采对于浅层围岩影响比深层更加显著。

由图6可知,随着开采步序增加矿体上下盘围岩竖向位移逐渐增加,且矿体上盘沉降值大于下盘。在第四次开采结束,位于矿体上盘围岩的14测点出现最大位移沉降值0.28 mm(折合实际位移为56 mm),17测点取得上盘最小位移沉降值为0.18 mm(折合实际位移为36 mm)。位于矿体下盘围岩的21测点出现最大位移沉降值为0.17 mm(折合实际位移为34 mm),19测点取得下盘最小位移沉降值为0.1 mm(折合实际位移为20 mm)。14测点与21测点同处于15 m水平属于浅部围岩,17测点与19测点同处于-47 m水平围岩,由此可知,地下开采对浅部围岩的影响大于深部。对于同水平的上盘围岩竖向位移均大于下盘围岩,可知下盘围岩的稳固性更好。

3.3 应力变化分析

通过静态应变仪埋设应变片的方式,对开采过程中的南北帮边坡及个水平的最大主应力变化进行监测,统计好主要监测点的信息并绘制应力变化曲线图。南北帮边坡主要监测点应力变化如图7所示。

图7 边坡典型监测点应力变化曲线

图7中10～13测点和1～9测点分别为南北帮边坡测点。随着地下开采的逐步进行,南、北帮边坡的最大主应力变化较小。纵观南帮边坡测点,整体应力值变化随着开采深度增加呈减小状态。第四步开采完成,南帮边坡13测点即坡顶应力值最小,10测点即坡底应力值最大为1.49 kPa(折合实际应力为480 kPa), 北帮边坡位于+48 m水平的6测点受地下开采影响最大,最大应力值为1.76 kPa(折合实际应力为580 kPa)。最小应力值为位于边坡坡脚位置+6 m水平的8测点和9测点。由此可知北帮边坡测点应力值随着地下开采深度的增加,呈先增大后缓慢减少的趋势,在北帮边坡的+48 m位置应力集中区域分布。

通过观察主应变分布云图可以知道主应力的分布规律。观察图8可知,采区周围应变值有所变化,开采后临空面的应变值最大,暴露的矿体边界应变值向内部逐渐减弱。应变值随开采次数的增加而增大,最大主应变区域沿开采区规律分布。第一次开采完成即-2 m的水平时,此时岩体没有发生剪切破坏,第二次开采完成即-17 m水平时,北帮出现了拉破坏,第三次开采完成即-37 m的水平时,相比第二次的开采北帮底部的拉破坏区域有明显扩展,第四次开采完成即地下开采至-47 m水平时,北帮边坡坡底岩石出现明显的破坏。前两次开采对围岩应力变化影响较小,后续开采对采空区底部围岩影响较大且应力集中明显,北部围岩应力状态整体大于南部,即地下开采对矿体上盘影响较下盘更显著。应变分布规律与应力分布规律吻合。

图8 最大主应变分布云图

(1)地下开采引起边坡形变,在露天转地下开采的过程中,随着开采深度增加,采场边坡的位移随之增加,水平位移从坡顶到开采中心位置逐渐增大,由于北帮边坡水平位置相较南方高,对坡底挤压效果更为严重,当地下开采至-47 m水平时,南北边坡坡脚水平位移值达均到最大,且北帮边坡水平位移大于南帮边坡。

(2)南北帮边坡沉降值随高程增加而增加,最大沉降值出现在边坡的坡顶位置,且北帮大于南帮,南帮54 mm,北帮为86 mm,因此地下开采对北帮边坡的影响较大。

(3)围岩水平位移随开采深度增加而增加减缓,当地下开采至某一水平,其对应水平的岩体出现明显形变,地下开采对浅层较深层影响更为显著,对于同水平的上盘围岩竖向位移均大于下盘围岩,地下开采对矿体上盘的影响大于下盘。

(4)受地下开采影响南北帮边坡的最大应力值出现在不同位置,南帮边坡出现在边坡的坡脚位置,应力值为480 kPa。北帮边坡应力最大为+48 m水平,其应力值为580 kPa。

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