矿山开挖偏压作用岩体的复活特点与破坏机制.pdf

第5 2 卷第4 期 2000 年1 1 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o ．4 N o v e m b e r20 0 0 矿山开挖偏压作用岩体的复活特点与破坏机制 孙世国1 ，杨素珍2 ，万林海2 1 ．北京科技大学，北京 10 0 0 8 3 ；2 ．华北水电学院，郑州4 5 0 0 0 0 摘要在各类矿产资源的开采过程中，有许多矿区属于地下与露天复合开采情况。依据采区的空间对应关系。两种采 动影响域中的一部分相互重叠，致使其采动效应相互作用和相互叠加，从而组成一个复合动态系统。因此。边坡岩体变形机理 更加复杂，与单一露天开采相比有较大的差异。本文主要探讨在先井下开采后露天开采条件下原井采区上覆岩体的偏压形成特 点和变形机制。以及与露天开挖效应的综合叠加作用关系。本文将结合实例就其滑移特点和变形规律性进行分析，以便为此类 矿山的后续开采设计服务。 关键词偏压作用；叠加；变形机理 中图分类号T D 3 2 5 彤．彳文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 0 0 9 0 5 在各类矿山开采中，有许多矿山属于地下与露 天复合开采情况，依据采区的空间对应关系，两种 采动影响域中的一部分相互重叠，致使采动效应相 互作用和相互叠加；表现为一种采动效应对另一个 平衡体系的干扰或破坏作用，使得两种开挖体系之 间相互诱发或相互扰动，从而组成一个复合动态变 化系统。在该系统内的岩体应力状态与变化过程完 全不同于单一露天开采条件下的边坡岩体变形问 题；与单一露天开采相比，复合开采影响下边坡地 表变形速率大、影响范围广、持续时间长；严重地 影响到矿山生产和周边环境安全。为此本文将结合 实例研究和探讨先井下矿开采后露天矿开采条件下 岩体的变形与破坏机制，总结其规律性，以便为安 全生产服务。 1岩体工程开挖效应与后续开挖形成 的偏压特点及复活机制 1 ．1 岩体工程开挖效应 岩石在地壳内处于自然应力状态，岩体中任意 一点都受到力的作用，处于受力状态之中；如果不 受外力作用或扰动，那么在地壳不同空间单元上的 应力} a 0 } 基本保持不变。地下岩体工程开挖将改 变其周边地壳中的原岩应力状态，且不同的开挖 量，其开挖效应的影响域大小不同；此时在开挖影 响域内的岩体应力状态已由原岩应力{ 盯。} 转变为 收稿日期1 9 9 9 0 6 1 8 基金项目博士后基金项目 作者简介孙世国，男，3 8 岁，高级工程师，博士后 h } 。然而，在开挖影响域内的不同空间位置上， 其应力变化量不等，即{ △a ，} { d 】} 一{ o 。f ≠常数。由于应力重新分布的结果，在其影响域 内，原岩应力产生根本性变化，形成了不同的应力 变化区。 1 ．2 后续开挖形成的偏压特点及复活机制 在地下开挖上覆岩体重新达到稳态之后，如果 此时在平衡体的一侧再进行露天开采 如图1 所 示 ，那么，边坡岩体将怎样产生变形呢 一般情 况下，地质体在未受到任何开挖扰动之前，原岩应 力{ 印} 保持不变。当地下采区开采后，在其采动 影响域内不同空间位置上各单元体的应力状态发生 了变化，并演变为{ d 1 } ；此时进行露天开采，由 于开挖体属于原地下采区上覆平衡体的一部分，所 以，露天开挖效应之一是使原平衡体的平衡条件受 到破坏。从而导致原地下采动影响域内上覆稳态岩 体的复活或活化，并继续产生移动和变形，从而再 次改变岩体内部的应力分布特征；当岩体再次达到 稳定后，其内部应力状态将变为{ d 2 } ；如果在此 基础上进行第二次、第三次至第i 次开挖，那么在 其影响域内，其应力状态k } 都是由前一次应力 状态‰一】} 演变过来的；也就是说新的应力场是 由前一个应力场叠加过来的。因此露天矿开采不仅 仅改变边坡岩体内本身的应力状态，也诱发原地下 采区上覆稳态岩体的继续复活或活化，且两种变形 效应将产生叠加作用，从而进一步加剧边坡岩体移 动与变形的程度；在这种合成应力作用下，影响域 内的岩体逐渐过渡到下一个平衡状态，所以在先进 行地下开采后进行露天开采条件下，边坡体内应力 万方数据 有色金属第5 2 卷 场的演化特点将不同于单一露天开挖条件下边坡体 内应力场的变化规律。下面来分析一下其中的主要 差别。如图1 所示，随着露天矿采掘的延深和推 进，坡角和坡高增大，边坡轮廓将由初始的E 线 逐渐推进到F 线，最终将推至M 线，由此将产生 三个方面的作用；其一为边坡岩体本身的应力场分 布产生变化；其二为沿地下采区走向主断面两侧 即上山侧与下山侧 的岩体开挖量不等，也就是 上山方向一侧开挖量多，下山一侧开挖量少或基本 不变，这样对于地下采区整个上覆岩体这个平衡体 系来说因露天开挖而形成了偏压作用，即原地下采 区的上覆岩体平衡的外部条件被破坏，或力系关系 被破坏，从而将导致平衡体产生滑移力而活化；其 三是随着露天矿的继续采掘，原地下采区上山方向 一侧承载区的岩柱体积 K 1 K 2 K 3 K 4 逐渐减小、 且临空面增大，因而岩柱体抗荷载的能力减小，这 样边坡岩体将受到“两增一减”的作用，即边坡本 身的应力变化量增大、原地下采区上覆岩体的滑移 力增大，而边坡体本身坡脚处的抗载能力减弱；与 单一露天开挖相比多了“一增一减”的影响，因而 边坡岩体的变形量增大，潜在滑坡的概率增大。对 于境界外地面的变形主要是由于偏压作用而诱发的 原地下采区上覆岩体的复活而产生的变形，且随着 露天矿的继续开挖，坡角增大；因而偏压作用也增 大，所以对应的地面变形就大。这也就是为什么此 类矿山开挖后，地面变形有增无减的主要原因之 图1地下与露天复合开采相互作用机理示意图 B 、7 一移动角；E 、F ～M 为边坡轮廓线； k l k 2 k 3 k 一地下采区上山方向的支撑区 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r a c t i o np r i n c i p l eu n d e r c o m b i n e du n d e r g r o u n da n do p e np i tm i n i n g 当然并不是每一步开挖上述三种效应马上就产 生变化，这也需要有一个能量积累的过程，即哲学 中的“量变与质变”过程，只有当开挖量达到一定 的“度”时，例如在图1 中假如从E 线至F 线为 一次能量累积过程，那么只有当E 与F 线之间的 岩体采完之后，在此阶段所聚积的能量才足以破坏 岩体的抗变形能力，边坡体才产生大变形。一般情 况下，每产生一次剧烈变形。矿山决策层为了减缓 变形、保证安全生产，都要避开在该区域继续采 掘，以减少变形；当其重新稳定一段时间之后再继 续开采，从而形成了一种周期变形变化过程。 2变形实例分析 2 ．1 采矿特点 图2 为抚顺西露天矿W 2 0 0 剖面边坡与地下采 区对应关系图。地下采区为露天矿深部井东区。分 三路开采；分别于1 9 5 2 年1 0 月至1 9 6 4 年4 月回 采，其中除下二路部分采区 一3 4 2 3 6 2 、W 1 4 3 W 2 6 3 、N 7 9 5 ～N 9 1 3 为高落式采煤法之外，余 者均为走向长壁水砂废页岩充填采煤方法。 2 ．2 变形特点 W 2 0 0 剖面边坡在1 9 6 4 年的边坡角为1 4 。，边 坡较缓。变形监测工作始于1 9 5 7 年1 2 月2 5 日， 至1 9 6 6 年5 月1 9 日结束监测。监测线布设与地下 采区的分布如图3 所示。图4 为其在此期间的累计 下沉与水平移动轨迹曲线。由于测线控制长度不 够，所以没有测出地下开采所产生下沉盆地的完整 曲线；因控制点位于变形区内 矿区1 0 点 ，从 1 9 5 8 年3 月3 0 日至1 9 6 6 年5 月1 9 日先后对控制 点进行了8 次检测，累计下沉值为一4 0 2 m m ，即图 中下沉值还应加上此修正值。 从移动曲线特征来看除靠近坑边测点移动值中 含有一定露天采动影响因素之外，其它测点符合地 下开采岩体移动的一般规律。从移动范围来看，2 号线1 号点 N 1 3 6 2 累计下沉5 7 6 m m ，平均年下 沉6 0 ．6 m m ／y ，由此说明测线控制范围远小于实际 移动范围。根据1 9 6 6 年煤炭部建筑物下采煤工作 组与露天矿共同研究成果得出【1 】，在地下开采等 综合因素影响下，采空区下山方向的地面变形范围 为地下采区边界向北宽约6 0 0 m ，岩层移动角为3 9 。， 由此可以圈定其移动边界约在N 1 5 0 0 左右 图2 。 所有测线点于1 9 6 6 年5 月1 9 日停测，但为了 了解某些重要工业设施及地面变形情况，于1 9 7 3 年1 2 月对停测已七年多的2 号线恢复观测。经过 两年多的检测各测点基本属于不动，即从1 9 6 6 年 6 月至1 9 7 5 年1 2 月地面点基本不动或变化量非常 微小。图2 为抚顺西露天矿W 2 0 0 剖面不同时期边 坡轮廓线位置及早期移动曲线图。表1 为该剖面不 同时期边坡角值大小。图5 是抚顺西露天W 2 0 0 剖 万方数据 第4 期 孙世国等矿山开挖偏压作用岩体的复活特点与破坏机制 Z 节≮ l 哆卜一、 彦坊弦多帮 ，／ 一、 ．筘侈r ／彩甏、，F ／ 、、／琢／ JX艘 、迂 涮／≈ 卜 、 Z ∞ 、良。名，a ／，靠。纩＼ f ’1狁彩纱、 图2 抚顺西露矿W 2 0 0 剖面地下采区 与不同时期边坡轮廓位置图 l 一5 9 ．1 2 - - 8 7 ．1 0 ；2 5 9 ．1 2 ～8 7 ．0 3 ；3 5 9 ．1 2 6 6 ．1 2 ； 4 5 9 ．1 2 ～6 4 ．1 2 ；5 5 9 ．1 2 ～6 2 ．1 2 ；6 5 9 ．1 2 ～6 1 ．1 2 水平移动与下沉值比例为1 ．5 m ；5 6 、7 9 、9 0 、 9 6 年一为该年度边坡轮廓线 F i g ．2 O u t l i n es k e t c hb e t w e e nu n d e r g r o u n ds t o p ea n d o p e np i ts l o p eo fs e c t i o nW 2 0 0i nd i f f e r e n t t i m e sa tF u s h u nW e s tO p e nP i tM i n e 面1 9 8 7 年1 2 月～1 9 9 7 年6 月不同时期水平移动 与下沉曲线图。从实际采掘过程和变形数据来看， 1 9 5 6 年至1 9 7 5 年之间边坡角大小基本没变，表现 为边坡轮廓线近似平行推进；因此，露天开挖所引 起的三种采动效应小，即原地下采区上覆岩体的滑 移力小、边坡岩体本身的应力变化小、地下采区上 山方向一侧承载岩体尚有足够的强度抗变形；因 而，在此阶段边坡岩体属于蠕变阶段。随着露天开 挖的继续，而且边坡体上下开挖不均衡，下部开挖 量大，上部开挖量小，边坡角增大，由此导致开挖 效应的影响增大；表现在W 2 0 0 剖面上为1 9 7 5 年 至1 9 7 9 年坡角增大3 ．5 度，与此相对应边坡及地 面产生变形；并于1 9 7 9 年在石油一厂院内建立了 网格状监测网，由此再次形成了全面监测系统。为 了综合对比不同时期变形值，将A 线 监测范围 N 1 2 0 0 一N 1 6 0 0 各测点的下沉速率取均值，进行 年度对比【l j 。从变形速率增幅来看，1 9 9 6 年平均 下沉速率是1 9 7 9 年的8 ．8 倍，可见变形递增之快 是十分惊人的。我们再对比一下地下开采期地面变 形速率与近几年变形速率 或称为复活期变形速 率 对比情况。在图3 中2 号线i ～6 号点位于 N 1 2 0 0 ～N 1 4 0 0 之间；而A 线9 ～1 7 号点也位于该 区间，取该区间各测点变形速率的均值进行对比 表2 ，可以看出，从1 9 8 5 年开始地面下沉速率 就已达到或接近地下采动期间地面平均下沉速率； 且随着开挖的继续，地面变形速率持续增大，其中 1 9 9 6 年同区域下沉速率是地下采动期平均下沉速 率的3 ．7 倍。由此说明露天开挖所产生的变形与原 地下采区二次活化变形的叠加作用后，变形数倍递 增，所以，其对矿山及周边区域的安全影响很大。 2 号线 6 号线 图3 号线、六号线与深部井东区 平面位置分布图 1 ～下三路；2 一下二路；3 一下一路 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a n ea m o n gl i n e2 ，l i n e6 a n de a s ta r e ai nd e e pp i t 6 号线 图4 二号、六号线下沉轨迹曲线 F i g ．4 S u b s i d e n c el o c u sc u r v eo fl i n e2a n dl i n e6 2 ．3 移动方式上的差别 从变形范围与移动特征来看，W 2 0 0 剖面A 线 1 号点位于N 1 6 1 5 ，2 号点位于N 1 6 0 2 ，从1 9 8 7 年 3 月至1 9 9 7 年4 月1 号点下沉4 2 ．6 r a m ，2 号点下 沉1 2 5 ．5 r a m ，W 7 0 0 剖面C 线1 号点位于N 1 6 0 0 ； 在上述监测期内下沉i 2 9 ．2 r a m ，与W 2 0 0 剖面2 号点位置相近，下沉量也基本一致；如果扣除地壳 构造运动、水位变化等因素的变形【2J ，那么实际 万方数据 有色金属第5 2 卷 移动范围应在N 1 6 0 0 附近，所以移动范围增大。如果水平移动系数小，说明岩体移动主要以下沉荛 从移动特征来看，地下采动期与活化期地面移主，反之则以水平移动为主。因此，应用水平移菽 动方式有本质不同。地下开采期地面移动主要以下系数这一概念来表征和对比不同监测点、不同列 沉为主。为了对比移动特征上的差别，将同一测期、不同监测区岩体移动方式上的差别。在井下采 点、同一监测期、水平移动量与下沉量之比定义为动期间各测点水平移动系数均小于1 【1 ，岩体主要 水平移动系数 注意本文定义的水平移动系数与地以下沉为主，各测点水平移动系数平均值为0 ．3 2 ， 下开采岩体移动中的水平移动系数不是同一概念 ，说明在地下开采时期N l l 0 0 - - N 1 4 0 0 之间地面主要 水平移动系数大小反映了岩体移动方式上的差别。以下沉为主。 表1 西露天矿W 2 0 0 剖面不同时期边坡角度值 T a b l e1 D i pa n g l eo fs e c t i o nW 2 0 0i nd i f f e r e n tt i m e sa tF u s h u nW e s tO p e nP i tM i n e 年度 5 66 47 57 67 77 87 98 38 48 5 丝鱼Q ； ； ； ；i i ； ； ； ；i ； 年度8 6 8 78 88 99 09 19 29 39 59 6 坡角 。 1 8 ．51 9 ．02 0 ．02 0 ．52 0 ．52 2 ．02 4 ．02 4 ．52 6 ．02 6 ．5 年度5 7 6 67 98 08 18 28 38 48 58 68 7 平均速率7 ．22 ．71 ．71 ．12 ．40 ．84 ．36 ．66 ．67 ．0 年度 8 88 99 09 19 29 39 49 59 6 平均速率1 2 ．21 1 ．47 ．49 ．41 1 ．82 5 ．42 9 ．22 1 ．32 6 ．6 图5W 2 0 0 剖面边坡及境界外地表移动曲线 F i g ．5M o v i n gc u r v eo fs u r f a c eb e t w e e ns l o p ea n d o u t e rb o u n d a r yi ns e c t i o nW 2 0 0 表3 为西露天矿W 2 0 0 剖面A 测线最近十几年 的水平移动系数。主要特点是水平移动系数比地下 采动期水平移动系数大得多，且位于露天境界线附 近水平移动系数最大，由境界线向外依次递减。同 样我们也取N 1 2 0 0 一N 1 4 0 0 区段，将地下采动期与 露天开采复活期水平移动系数进行对比，在地下采 动期该区域水平移动系数的均值为0 ．3 2 ；而在同 一区域，1 9 7 9 年至1 9 8 6 年间的水平移动系数均值 为1 ．3 7 ；1 9 8 9 年至1 9 9 6 年该区域的水平移动系数 均值为1 ．6 5 。露天采动和地下采区复活叠加效应 下的水平移动系数与单一地下采动效应下的水平移 动系数相对比，其比值大于4 ；由此说明移动方式 上有较大的差别，产生这些差别的主要原因，一是 露天开挖后所导致的三种效应产生综合叠加作用； 随着露天矿推进和坡角增大 见表3 ，这种复合 叠加效应愈加显著；尤其是开采原地下采区中的承 载区岩柱体 见图2 ，由其所产生变形非常剧烈， 这也是近些年抚顺西露天矿北帮地面变形持续增大 的最主要的影响因素。 从数学意义上来看，水平移动系数的倒数是位 移矢量方向坚直角的正切值，由此说明，随着露天 开采的推进，位移矢量中的水平移动分量增大，下 沉分量相对增幅小，因此，移动矢量竖直角变小。 这主要是由于随着采深和坡角的增大，临空面增 大，在先进行地下开采后露天开采条件下，露天开 挖所产生的三种作用递增，但原地下采区三种变形 万方数据 第4 期 孙世国等矿山开挖偏压作用岩体的复活特点与破坏机制1 3 带中 冒落、断裂和弯曲带 的裂隙体积有限，不 可能、也不允许无限制地压密压实，因而在露天矿 后续开采与推进过程中，指向露天边坡临空面方向 的位移矢量增大，这就是水平移动系数增大的主要 原因。且越靠近坑边，受露天采动影响越大，反之 则小；所以，在移动边界附近，因受露天采动的影 响相对较小，水平移动系数也表现出一定的地下开 采移动特点。 3结语 本文结合实例针对先地下开采后露天开采影响 下偏压作用特点与边坡岩体的变形机制进行了分 析。并依据其变形特点，进行了相关的归纳和总 结，以便为此类矿山的后续开采设计提供理论基 础。 表3 T a b l e3 W 2 0 0 剖面A 线水平移动系数 H o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc o e f f i c i e n to f s e c t i o nW 2 0 0 ／o rl i n eA 参考文献 1 孙世国．中国科学院地质研究所博士学位论文，1 9 9 8 ．9 2 孙世国，王思敬．勘察科学技术，1 9 9 8 ， 5 3 孙世国，王思敬．工程地质学报，1 9 9 8 ， 4 4 孙世国等．地下与露天综合开采边坡地表变形规律的研究．课题研究报告，1 9 9 4 R E S U R R E C T I O NC H A R A C T E RA N DF A l L U R EM E C H A N I S MO FR O C KM A S SD U E T OB I A S E DE F F E C To FM I N EE X C A V A T I O N S U NS h i g u 0 1 ，Y A N GS u z h e n2 ，W A N L i n h a i 2 1 ．U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ； 2 ．N o A hC h i n a 蜥d Ⅻk ￡位a n dP o w e rI n s t i t u t e ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 0 A B S T R A C T I nt h ec o u r s eo fm i n i n g ，t h e r earem a n ym i n e sa tw h i c has i t u a t i o no fc o m b i n e du n d e r g r o u n da n do p e np i t e x i s t s ．D e p e n d i n go nt h er e l a t i o nb e t w e e ns p a t i a lp o s i t i o n so fs t o p e s ，t h ei n f l u e n c i n gr e a l m sd u et od i f f e r e n t m i n ee x c a v a t i o na r eo v e r l a p p i n gw h i c hr e s u l t i nt h ei n t e r a c t i o na n ds u p e r i m p o s i t i o no ft w ot y p e so fm i n i n ge f f e c t ，a n das y s t e mo fd y n a m i cs t a t es u p e r i m p o s i t i o ni sc o n s t i t u t e d ．T h u s ，t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs l o p e r o c km a s sb e c o m e sm o r ec o m p l i c a t e da n dd i f f e r sf r o mt h a tc a u s e do n l yb yo p e np i tm i n i n g ．T h i sp a p e rw i l lp r o b e p r o d u c i n gb e h a v i o ro fb i a s e de f f e c ta n dd e f o r m i n gm e c h a n i s mb yf i r s tu n d e r g r o u n dm i n i n g ，a n dt h e no p e np i t e x c a v a t i o n ，a n da c t i o nr e l a t i o nf o rc o m p o s i t ei n f l u e n c e s ．M o v i n gc h a r a c t e ra n dd e f o r m i n gl a wa r ea n a l y z e db y c o m b i n i n gc a s e h i s t o r yi no r d e rt op r o v i d em i n ed e s i g nf o rc o n t i n u i n ge x c a v a t i o no ft h e s em i n e s ． K E YW O R D S b i a se f f e c t ；s u p e r i m p o s i t i o n ；d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m 万方数据