高应力区露天转地下开采岩体移动规律.pdf

第 32 卷增刊1 岩 土 力 学 Vol.32 Supp.1 2011 年 4 月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2011 收稿日期2010-11-22 基金项目 国家自然科学基金项目 （No. 40972197， No. 41002107， No. 41030750） ； 中国科学院知识创新工程重要方向性项目 （No. KZCX2-YW-Q03-02） 。 第一作者简介张亚民，男，1984 年生，博士，主要从事地质工程与地质灾害方面的研究工作。E-mailzym327 文章编号文章编号1000－7598 2011增刊 1－0590－06 高应力区露天转地下开采岩体移动规律高应力区露天转地下开采岩体移动规律 张亚民，马凤山，徐嘉谟，赵海军 （中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029） 摘摘 要要以金川龙首矿为例，基于 20032008 年长达 12 期的 GPS 实测数据，按照时空分布比较分析总体变形趋势，得出 整个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。据此分析了以水平构造应力 为主导的高应力区露天转地下开采引起岩体的变形规律，并与该矿闭坑之初的变形规律比较，通过理论分析的方法对产生差 异的原因进行初步解释，并用数值模拟的方法加以验证，其研究结果对认识露天转地下开采引起的岩体移动、破坏特征，指 导矿区安全生产有积极意义。 关关 键键 词词露天转地下；构造应力；边坡；金川镍矿；地表变形 中图分类号中图分类号TU 452 文献标识码文献标识码A Deation laws of rock mass due to trans from open-pit to underground mining in high stress area ZHANG Ya-min, MA Feng-shan, XU Jia-mo, ZHAO Hai-jun Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 Abstract Based on the global positioning systemGPS monitoring data from 2003 to 2008, tendencies of general deation of the open-pit, No.1 Mine of Jinchuan Nickel Mine, are analyzed and compared according to spatial and temporal distribution; ground subsidence and horizontal displacement features of the mine area as well as the subsidence and horizontal displacement characteristics of the prospecting line varying with time are obtained. Deation laws of rock mass due to trans from open-pit to underground mining in high stress area, where horizontal tectonic stress is dominant, are studied in comparison with deation rules of the open-pit of transition period; theoretical analysis and numerical simulation are introduced to explain the reason of the difference. The results are conducive to understand the characteristics of rock mass movement and failure caused by transition from open-pit to underground mining and to guide safe production in mine area. Key words transation from open-pit to underground mining; tectonic stress; slope; Jinchuan Nickel Mine; ground movement 1 前 言 受矿体埋藏条件的限制以及地表浅部资源量的 不断减少等原因，致使很多矿山由露天开采转入地 下开采[1]。露天边坡在露天采动效应和地下开采效 应的双重影响下使露天边坡处在一个动态变化过程 中。为保证平稳安全过渡，许多学者深入研究了过 渡期的边坡稳定、变形和破坏等问题，宋卫东[2]采 用相似模型材料实验和数值模拟相结合的方法，对 深凹露天转地下开采高陡边坡的变形和破坏规律进 行了系统地研究； 左治兴[3]采用遗传程序设计理论， 对露天转地下开采的边坡整体稳定性进行预测，取 得较好的预测精度；吴永博[4]以变形监测为主，结 合理论分析和数值模拟，对露天矿边坡滑体失稳时 间进行了预测；李长洪[5]提出了一种基于支持向量 机的露天转地下开采边坡变形模型，预测精度较 高；赵丽娜[6]对露天转地下开采过程中出现的整体 和局部位移分别展开研究，研究和预测对边坡的整 体稳定性和局部崩塌失稳；李扬[7]采用数值模拟的 方法，对露天转地下崩落法形成的坍塌区的回填对 高边坡的稳定性影响进行了探讨；韩现民[8]对露天 转地下矿山边坡稳定性的数值模拟与稳定性分析已 增刊 1 张亚民等高应力区露天转地下开采岩体移动规律 591 初步应用到开采设计中；刘辉[9]采用离散元数值模 拟的方法对大冶铁矿露天转地下开采的边坡和围岩 变形规律进行研究，取得了一些有益的结论；孙世 国[10]探讨了露天开采到一定深度后转入地下开采 时边坡岩体的滑移规律和破坏模式。 目前的研究成果是针对自重体积力作用下的露 天转地下开采过渡期地表变形或边坡稳定性问题， 但是，在高构造应力作用下的露天转地下开采达到 一定深度时的边坡变形规律如何，与过渡期的边坡 变形规律有何不同，这是一个很少有人涉及的研究 领域。本文以金川镍矿龙首矿为例，基于大量的监 测数据分析高应力区露天转地下开采引起岩体的变 形规律，并与闭坑之初的变形规律相对比，通过理 论分析的方法对产生差异的原因进行初步解释，利 用数值模拟验证转入地下开采之后引起地表变形现 象，以指导矿区安全生产。 2 金川龙首矿简介 金川镍矿以深（矿体埋藏最大深度大于 1 000 m） 、大（世界超大型硫化镍铜矿床） 、富（矿 石含镍品味高，伴生金属品种多） 、碎（断层、节理 和裂隙发育，矿体和岩体破碎）著称[11]。金川矿区 南邻活动强烈的青藏板块，北接相对稳定的阿拉善 块 体， 区域构造环境复杂， 地应力以水平压应力为 主，具有明显的构造应力特征，应力量值属于中等 偏高，主应力方向与矿体近于垂直。超基性岩体为 金川矿区铜镍矿床的含矿母岩，为古老的前震旦纪 侵入岩体。 超基性岩体走向 N50～60W， 倾向 SW， 倾角 70以上，延伸千余米，为典型的急倾斜金属 矿山。 金川露天矿于 1965 年 1 月开始基建剥离， 1966 年 9 月正式投产， 1990 年闭坑， 之后划归龙首 矿，在坑底开拓斜坡道于 1992 年转入地下开采至 今， 采坑长 1 350 m， 宽 600 m。 在露天开挖过程中， 金川龙首矿采坑围岩已经发生了大幅度的移动和变 形，累积移动幅度达数十米之多[12]。闭坑后，徐嘉 谟[12]曾对边坡岩体的持续移动和变形做了大量的 研究工作。 在转入地下开采 10 年后发现， 边坡变形 并未明显减小或停止，断层陡坎和张剪裂缝持续发 育。 笔者及其课题组从 2003 年起在露天坑内外布设 286 个 GPS 监测点来监测地表变形，并且每 180 天 实施 1 次监测，获取了大量多期实测数据。 3 露天坑地表变形特征 地表变形通常可分为沉降和平面位移两方面。 通过 20032008 年长达 12 期的 GPS 测量结果， 求 出各点位的相邻半年变形量、年变形量及累计变形 量，按照时空分布比较分析总体变形趋势，得出整 个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘 探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。 3.1 矿区地表沉降特征矿区地表沉降特征 除矿区边缘个别监测点外，龙首矿大多地表岩 移 GPS 监测点一直处于变动中。在露天矿坑上下 盘各形成一个沉降区带，下盘沉降区带受 F8控制， 而在露天坑底则形成一个上升区（图 1） ，从沉降区 域大小来看，上盘沉降区较下盘沉降区大，约是下 盘的 2～3 倍。上盘沉降区在原露天坑境界线以外 仍有较大延伸，而下盘沉降区则基本位于露天坑境 界之内。 上盘沉降中心大概位于 16～20 行之间， 坑 底上升区是以点 24-4 为中心近椭圆形的上升区域。 图图 1 龙首矿累积龙首矿累积 5 年半地表沉降立体图年半地表沉降立体图（（单位单位mm）） Fig.1 Stereogram of ground settlement basin cumulated for five and a half years, unit mm 3.2 矿区平面位移特征矿区平面位移特征 位移中心位于露天矿坑勘探线 20～28 行之间 的矿体上方，表现为在采掘区周围的测点的水平位 移矢量方向均指向采掘区，矢量的大小随监测点距 位移中心的距离而变化，表现为在露天坑范围内随 高程下降边坡平面位移增大，如图 2 所示。由图可 见，露天坑内台阶已发生不同程度的垮塌，地表出 现大量陡坎及张剪裂缝。 水平位移较大地段位于 16～28 行的上盘露天 边坡地带，主采区上盘地表监测点的水平位移量明 显大于下盘，近位移中心附近测点的对比，其上盘 地表监测点的水平位移量约是下盘测点的 2～3 倍。 移动区域近似椭圆形，椭圆的长轴平行于矿体的走 向，短轴垂直于矿体的走向。在露天矿坑境界线以 外区域水平位移有明显减小的趋势。 3.3 各行线随时间变化的沉降特征各行线随时间变化的沉降特征 矿区地表移动特征从宏观上给出了地表变形的 空间分布特征， 为了研究矿区地表变形的时间特征， 同时避免人为选择原因造成研究结果不具有普遍性, 作出 24、28、32 行共 3 条行线的 GPS 监测剖面地 592 岩 土 力 学 2011 年 表岩体移动自 2003－2008 年逐半年时段沉降曲线 图、水平位移曲线图。①由图 2 可知，24 行中 24-1 至 24-3 位于下盘，24-4 位于坑底，24-5 至 24-9 位 于上盘；28 中 28-1 至 28-6 位于下盘，而 28-5 附近 有断层 F8通过，28-7 至 28-11 位于上盘；32 行中 32-1 至 32-4 位于下盘， 32-5 位于坑底， 32-6 至 32-11 位于上盘。 图图 2 龙首矿累计龙首矿累计 5 年半测点水平位移矢量分布图年半测点水平位移矢量分布图 Fig.2 Diagram of horizontal displacement vector distribution of monitoring points accumulated for five and a half years 图 3 分别为 24、28、32 行各监测点自 2003－ 2008 年逐半年时段沉降曲线图。总体来看，各行线 的沉降中心基本上位于上盘，具体沉降曲线表现形 式又各有不同。24 行主要沉降量发生在上盘，在下 盘形成了一个较小的平缓的沉降区域，坑底则呈上 升趋势；28 行表面上看有 2 个沉降中心，但 28-5 的位置十分靠近 F8在地表出露处。大量研究表明， 不论在断层上盘还是下盘开挖均会导致地表出现陡 坎或台阶， 因此 28-5 的沉降应归因于由于采动影响 引起断层活化的断层效应， 28 行主要沉降量发生在 上盘，下盘沉降量较小，坑底最小；32 行有一个明 显的沉降中心位于上盘，下盘则缓慢沉降。②从沉 降中心位置来看，各行线的沉降中心虽然随采深的 加大有小幅偏移，可视为基本固定。③从累积 5 年 半的最大沉降量上分析，除了受断层 F8影响的 28-4 之外（约 380 mm），24 行沉降量最大，约为 300 mm，28行其次，约为260 mm，32行最小，约 为 160 mm。 3.4 各行线逐年平面位移特征各行线逐年平面位移特征 图 4 为 24、28、32 行各监测点自 20032008 年逐半年时段的平面位移曲线图。 a 龙首 24 行 b 龙首 28 行 c 龙首 32 行 图图 3 沉降曲线沉降曲线 Fig.3 Curves of subsidence 从图 4 中可以得出， ①累计平面位移曲线图中， 露天采坑范围内上下盘监测点的平面位移均指向矿 体， 和地面沉降类似， 平面位移主要也发生在上盘， 24 行上盘平面位移最大，下盘其次，坑底最小；28 行上盘平面位移最大，受断层影响的 28-5 附近其 次，靠近坑底部分最小；32 行下盘和坑底几乎没有 平面位移，主要发生在上盘。②平面位移中心位置 固定， 没有出现随采深增大沿矿体倾向偏移的现象。 增刊 1 张亚民等高应力区露天转地下开采岩体移动规律 593 ③从水平位移量上分析，24 行和 28 行水平位移较 大，最大值达到了 600 mm，32 行较小，最大值达 到了 400 mm 左右。 a 龙首 24 行 b 龙首 28 行 c 龙首 32 行 图图 4 水平位水平位移曲线移曲线 Fig.4 Curves of horizontal displacements 3.5 监测点监测点位移位移分量比较分量比较 将各行线监测点的沉降量和平面位移分量进行 比较发现， 除个别的开采境界外的行线端部点和 24 行的上升点外，其余测点的平面位移分量均大于沉 降量，表明露天坑边坡两侧的监测点朝向采坑方向 的侧向移动比竖直方向的沉降更占优势，这与自重 体积力作用下的露天开采引起边坡变形的竖直位移 分量占主导是不同的。 4 变形规律对比与理论解释 徐嘉谟[12]在龙首矿闭坑之初以 24 至 28 行之间 行为例对露天坑边坡的变形研究工作得出的结论 是，较高坡段观测点的位移幅度较大，并具有较大 的下降分量，作为矢量，大致指向采坑，较低坡段 位移幅度较小， 并具有较小的上升分量， 作为矢量， 大多数也大致指向采坑，下盘方面的最低观测点具 有向下分量的位移矢量。而由前述露天坑变形特征 可知， 转入地下开采近 20 年之后， 露天坑边坡的变 形形式有了较大改变位移幅度较大点发生在较低 坡段，较高坡段观测点的位移幅度相对较小，二者 都具有较大的水平位移分量，矢量方向指向采坑， 坑底最低观测点有的行线具有向上的位移分量，有 的则具有十分小的向下的位移分量。这与闭坑之初 的露天坑变形规律是完全不同的。 究其原因，闭坑初的变形可解释为露采结束后 的延续变形或滞后变形，其特殊的变形形式归因于 自重和构造应力的叠加作用以及反倾陡倾断层的存 在。露天开挖停止后，虽然矿山岩体的滞后变形和 蠕变现象是普遍存在的，但受到岩体中弱面两壁间 所夹软弱岩石及组成岩体的主要岩石所具有蠕变性 能的制约，又受到岩体整体或各部分间位移允许条 件的限制，开挖停止后边坡岩体的移动和变形并不 是无止境的。露天开挖作为一种先发生的主要工程 动力地质作用，在经历了长时间的移动和变形后， 它对边坡变形的影响已经很小了。而此时地下开采 作为另外一种持续增加的工程动力地质作用，相当 于在已经开采或开挖过的空间附近再进行开挖或采 动，这种重复扰动一方面会使露采状态下的移动和 变形特征在某种程度上“活化”。另一方面，为了保 证整体变形协调性，又会在某些局部产生一些不协 调的变形即破坏，从而在一定程度上又表现出地下 开采条件下产生的移动和变形特征。露天采坑底部 位于地下采区上方，该区既是受地下开采影响的下 沉区，也是受边坡体变形活化作用影响的挤压上升 区，即边坡体由于活化变形作用所引起的位移量和 地下开采引起的沉降量的“较量”问题，如果前者较 大，将会导致坑底上升，即出现 24 行的情况，否则 坑底下降，但同时由于边坡体活化挤压作用，抵消 594 岩 土 力 学 2011 年 了部分地下开采引起的下沉量，导致最终坑底的下 降幅度较小。 5 数值模拟 为了使本研究与前期研究成果相比有可比性， 采用数值模拟的方法， 以 26 行的简化剖面为例， 并 以 2005－2009 年的实际采场标高为依据， 构建了龙 首矿 26 行露天转地下开采地表变形数值模型， 从定 性的角度来探讨地表移动变形规律。 5.1 计算模型及参数选取计算模型及参数选取 数值模型沿垂直矿体走向方向总长 5 500 m， 露天坑宽约 630 m，露天坑深约 150 m。模型高为 1 500 m， 作为平面应变问题， 共划分 4 324 个单元， 9 296 个节点。 模型的边界约束条件如图 5 所示。 计 算域边界采取位移约束，在模型的两侧面约束水平 位移，在模型的底面约束垂直位移，模型纵向约束 全部位移， 上边界为自由表面。 采用 Mohr-Coulomb 屈服准则。模型计算参数见表 1，其中断层的法向 刚度 kn1109 Pa/m，切向刚 ks 0.1109 Pa/m。 图图 5 数值模型剖面数值模型剖面（（单位单位m）） Fig.5 Cross section of numerical modelunit m 表表 1 数值模拟计算参数数值模拟计算参数 Table 1 Parameters in numerical simulation 岩性 重度 /kN/m3 弹性模量 /GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦角 / 抗拉强度 /MPa 超基性岩 29.3 2.2 0.25 1.0 42 0.8 混合岩 30.0 2.2 0.25 2.0 44 2.0 矿体 29.3 2.5 0.23 1.0 42 0.8 大理岩 30.0 2.2 0.25 2.0 44 2.0 花岗岩 27.6 2.2 0.25 1.0 30 0.4 充填体 20.0 0.2 0.28 0.1 44 0.1 断层 0.5 26 0.2 参照金川矿区地应力实测结果及前人经验，矿 区地应力随深度增加的规律可按下述经验公式 1 23 3.00.045 3.00.027 h hh       ; （1） 式中 1 为最大主应力； 2 为中间主应力； 3 为 最小主应力；h 为矿体埋藏深度；为岩体重度。 按照该公式，在计算单元上施加梯形分布的初始应 力。 5.2 计算方案及计算结果计算方案及计算结果 采用单中段下向充填法开采，待一层内矿体全 部开采并充填完毕后转入下一层，如图 5 所示，每 次开采层高 4～5 m，共充填开采 14 层，然后得到 开采至每年实际标高相应年份的露天坑变形量。截 取包括露天坑的部分计算模型的位移及矢量图以及 破坏场分布图如图 6、7 所示。 图图 6 模型位移曲线及矢量截图模型位移曲线及矢量截图 Fig.6 Part map of displacement contours and vectorgram of numerical model 图图 7 模型破坏场分布截图模型破坏场分布截图 Fig.7 Part map of failure zones of numerical model 图 6 中色由深变浅表示变形量逐渐增大，可见 露天坑较低坡段变形量比高坡段大，二者的位移矢 量中的水平位移分量大，矢量方向指向采坑，坑底 有缓慢沉降，位移矢量方向向下。另外，上盘边坡 比下盘边坡的位移量大。这些特征与实测数据分析 结果也是一致的。从图 7 可以看出，地表附近的破 坏场主要分布在上盘的较低坡段和坑底，破坏形式 主要为剪切破坏。然而，由于低坡段的移动变形改 变了高坡段的位移约束条件，其在自重体积力作用 下仍可发生较大范围的拉张破坏。 6 结 论 （1）GPS 实测结果表明，龙首矿在转入地下 开采近 20 年后，地表变形呈现出以指向采场的水 平位移为主、上盘的变形量大于下盘、低坡段比高 坡段位移大、位移中心固定等特征。 （2）露天转地下开采过渡期与开采一定时间 增刊 1 张亚民等高应力区露天转地下开采岩体移动规律 595 后的边坡变形规律与高低坡段的位移量大小、位移 矢量方向等特征截然不同。过渡期的边坡变形特征 为较高坡段位移量较大，具有较大的下降分量；较 低坡段位移量较小，具有较小的上升分量。而开采 一定时间后的边坡变形特征变为较低坡段的变形量 大，较高坡段的变形量小，二者的位移矢量均指向 采坑方向。 （3）龙首矿露天转地下开采过渡期的边坡变 形属于露采结束后的滞后变形，特殊的变形特征归 因于自重和高构造应力的叠加作用以及反倾断层的 存在，转入地下开采一定时间后的地表变形既有露 采引起变形的活化，又有地下开采引起变形移动的 特征。 （4）数值模拟方法有助于从定性角度理解露 天转地下充填开采急倾斜矿体至一定深度时引起的 围岩变形、破坏，并证实了理论解释的正确性。对 认识其他类似高应力区露天转地下开采引起的岩体 移动规律具有指导意义。 参参 考考 文文 献献 [1] 郭金峰. 金属矿山露天转地下开采的发展现状与对 策[J]. 云南冶金, 2003, 321 7－10. GUO Jin-feng. Development state and strategy of metal mine transferred from opencast mining into underground mining[J]. Yunnan Metallurgy, 2003, 321 7－10. [2] 宋卫东, 杜建华, 杨幸才, 等. 深凹露天转地下开采高 陡边坡变形与破坏规律[J]. 北京科技大学学报, 2010, 322 145－151. SONG Wei-dong, DU Jian-hua, YANG Xing-cai, et al. Deation and failure of a high steep slope due to transation from deep open-pit to underground mining[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2010, 322 145－151. [3] 左治兴. 露天转地下开采过程中高陡边坡的稳定性评 价与控制技术研究[D]. 长沙 中南大学, 2009. [4] 吴永博, 高谦, 王龑明. 露天转地下开采高边坡变形监 测与稳定性预测[J]. 矿业研究与开发, 2009, 291 52 －54, 74. WU Yong-bo, GAO Qian, WANG Yan-ming. Stability forecast and deation measurement of high slope for transition from open-pit to underground mining[J]. Mining Research and Development, 2009, 291 52－ 54, 74. [5] 李长洪, 王云飞, 蔡美峰, 等. 基于支持向量机的露天 转地下开采边坡变形模型[J]. 北京科技大学学报, 2009, 318 945－950. LI Chang-hong, WANG Yun-fei, CAI Mei-feng, et al. Slope deation model of metal mines transferred underground mining from open-pit based on support vector machines[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 318 945－950. [6] 赵丽娜. 高陡山区露天转地下开采边坡稳定性研究[D]. 长沙 中南大学, 2008. [7] 李扬, 梅林芳, 周传波. 露天转地下崩落法开采对高陡 边坡影响的数值模拟[J]. 矿冶工程, 2008, 3 14－18, 21. LI Yang, MEI Lin-fang, ZHOU Chuan-bo. Numerical simulation of the influence of caving mining on high and steep rock-slope in the transition from open-pit mining to underground mining[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2008, 3 14－18, 21. [8] 韩现民, 李占金, 甘德清, 等. 露天转地下矿山边坡稳 定性的数值模拟与敏感度分析[J]. 金属矿山, 2007, 6 8－12. HAN Xian-min, LI Zhan-jin, GAN De-qing, et al. Numerical simulation and sensitivity analysis of slope stability in mine transferred from open pit to underground mining[J]. Metal Mine, 2007, 6 8－12. [9] 刘辉, 陈文胜, 冯夏庭, 等. 大冶铁矿露天转地下开采 的离散元数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2004, 259 1413－1417. LIU Hui, CHEN Wen-sheng, FENG Xia-ting, et al. Numerical modeling of daye ion open-pit-mine transferring to underground mining by discrete element [J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 259 1413 －1417. [10] 孙世国, 蔡美峰, 王思敬. 露天转地下开采边坡岩体滑 移机制的探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 191 126－129. SUN Shi-guo, CAI Mei-feng, WANG Si-jing. Study of sliding mechanism for slope due to the excavation from open pit into underground mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 191 126－ 129. [11] 马凤山, 袁仁茂, 邓清海, 等. 金川矿山地表岩移 GPS 监测及岩体采动影响规律[J]. 工程地质学报, 2007, 15增刊 2 84－97. MA Feng-shan, YUAN Ren-mao, DENG Qing-hai, et al. GPS monitoring of ground movement and mechanism of inderground mining in Jinchuan mine[J]. Journal of Engineering Geology, 2007, 15Supp.2 84－97. [12] 徐嘉谟. 金川矿山边坡岩体工程地质力学[M]. 北京 地震出版社, 1998.