露天转地下开采方案优化及边坡稳定性分析.pdf

书书书收稿日期２０１３－０３－２７基金项目国家自然科学基金资助项目（５１１７４０４４）；国家自然科学青年基金资助项目（５１００４０２５）；辽宁省教育厅人才项目（ＬＪＱ２０１２０２４）；国家高技术研究发展计划项目（２０１１ＡＡ０６０４００）；深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目（ＳＫＬＧＤＵＥＫ１１１３）．作者简介刘杰（１９８６－），男，河南沈丘人，东北大学博士研究生．第３４卷第９期２０１３年９月东北大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２０１３露天转地下开采方案优化及边坡稳定性分析刘杰１，赵兴东１，路增祥２（１ 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳１１０８１９；２ 罕王傲牛矿业股份有限公司，辽宁抚顺１１３００１）摘要以孟家堡铁矿露天转地下开采的实际情况为工程背景，利用强度折减法和ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟方法，以塑性区贯通、计算不收敛及位移突变为失稳判据计算边坡安全系数，确定潜在滑移面，分析静态及开采扰动下的边坡稳定性；根据随采深下降的边坡破坏规律，对开采方案进行优化．分析结果表明，无开采扰动下边坡安全系数为１  ９４，满足稳定性要求；不留境界矿柱的无底柱分段崩落法地下回采过程中，覆盖层厚度要达到２５ｍ，其起到吸收并转移应力和减缓边坡能量耗散速度的作用．关键词露天转地下开采；边坡稳定性；强度折减法；安全系数；ＦＬＡＣ３Ｄ中图分类号ＴＤ８２４文献标志码Ａ文章编号１００５－３０２６（２０１３）０９－１３２７－０４ＭｉｎｉｎｇＳｃｈｅｍｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＳｌｏｐｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍＯｐｅｎ  ＰｉｔｔｏＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＭｉｎｉｎｇＬＩＵＪｉｅ１，ＺＨＡＯＸｉｎｇ  ｄｏｎｇ１，ＬＵＺｅｎｇ  ｘｉａｎｇ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ；２．ＨａｎｋｉｎｇＡｏｎｉｕＭｉｎｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｆｕｓｈｕｎ１１３００１，Ｃｈｉｎａ．ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＬＩＵＪｉｅ，Ｅ  ｍａｉｌ４１３２４６６９４＠ｑｑ．ｃｏｍ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴａｋｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｏｐｅｎ  ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｏｆＭｅｎｇｊｉａｂａｏｉｒｏｎｍｉｎｅａｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙａｓｉｎｓｔａｂｌｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｌａｎｄｓｌｉｄｅ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄＦＬＡＣ３Ｄｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｓｌｏｐｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｌｉｐｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｌｏｐｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ．Ｄｅｐｅｎｄｉｎｇｏｎｔｈｅｓｌｏｐｅｆａｉｌｕｒｅｌａｗｕｎｄｅｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈ，ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｃｈｅｍｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｓｌｏｐｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｍｉｎｉｎｇｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｉｓ１  ９４，ｍｅｅｔｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｕｓｉｎｇｎｏｎ  ｆｌｏｏｒｐｉｌｌａｒｓｕｂｌｅｖｅｌｃａｖｉｎｇｓｔｏｐｉｎｇ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏｖｅｒｉｎｇｌａｙｅｒｍｕｓｔｒｅａｃｈｕｐｔｏ２５ｍ．Ｉｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎａｂｓｏｒｂｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｌｏｗｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｏｐｅｎ  ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ；ｓｌｏｐｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ；ＦＬＡＣ３Ｄ露天转地下开采边坡岩体的移动、变形和稳定性问题已成为一个影响生产、安全和环境的突出问题［１－６］，而且这一问题将随着开采向深部延伸更加突出．露天开采时期的大规模开挖，对围岩体造成较大的应力扰动，在此基础上进行地下开采，将引起边坡岩体的进一步变形和破坏，甚至出现滑坡失稳和巷道破坏等灾害［６］．同时，露天转地下境界矿柱的留设会给地下开采的安全带来巨大隐患［３］．本溪孟家堡铁矿针对Ｆｅ１０号矿体的实际情况，计划露天开采坑底标高全部至＋７０ｍ后，转为地下开采，开采方式为无底柱分段崩落法且不留境界矿柱，分段高度２０ｍ．由于不留境界矿柱，开采环境极其复杂，因此研究地下开采过程中边坡稳定性对优化矿山开采方案具有重大的现实意义．目前，采用强度折减法计算边坡安全系数逐渐成为新的趋势［７］，该方法的关键问题是如何判断边坡达到临界失稳状态．一般使用求解过程中计算不收敛作为判据［８］，塑性区贯通［９］判据和监测点位移突变判据［１０］由于能够直观地反映边坡破坏过程也逐渐受到重视．但是，对三种判据的综合应用还较少，为此，本文采用自编强度折减法和ＦＬＡＣ３Ｄ模拟方法，综合三种判据分析不同方案下的边坡破坏特征，以边坡稳定性为依据，对采矿工艺参数进行合理的优化．１数值模型建立及计算方案１  １计算模型考虑边坡岩体破坏形态和对建模难易程度的考虑，对露天台阶进行了合理的简化．由几何模型（图１ａ），选取高陡边坡４０＃勘探线地质剖面为研究对象，建立单元模型（图１ｂ），模型Ｘ方向５００ｍ，Ｙ方向２０ｍ，坑底宽２８ｍ，标高＋７０ｍ，设置２个监测点，矿体上盘边坡最终边坡角６３，下盘边坡最终边坡角４９，其覆盖层用废石回填．图１计算模型Ｆｉｇ  １Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ（ａ）几何模型；（ｂ）单元模型．由于矿体倾向，上盘边坡角和高度均大于下盘边坡，故以上盘边坡为主要研究区域．露天开采属于浅部采矿，计算只考虑自重应力的影响．计算模型除地表设为自由边界外，底部设为固定约束，模型四周设为单向位移边界．岩石力学参数见表１，计算采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则．１  ２计算方案首先分析无开采扰动下边坡的稳定性．然后，针对不留境界矿柱的地下开采，将＋７０ｍ至＋１０ｍ的矿体分三层开采，每分层高度２０ｍ，提出３种方案方案一，坑底无覆盖层；方案二，坑底覆盖层厚度为４０ｍ，且随采深下降不再进行回填；方案三，坑底覆盖层厚度始终为４０ｍ．表１岩石类别及参数Ｔａｂｌｅ１Ｒｏｃｋｔｙｐｅｓａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ参数矿体围岩覆盖层密度 ρ ／（ｔｍ－３）３  ６２  ７１  ８内聚力ｃ／ＭＰａ０  ４０  ６０  ０２内摩擦角 φ ／（）３５４２２０抗拉强度 σｔ／ＭＰａ０  ４０  ２０  ０１弹性模量Ｋ／ＧＰａ７  ８１１  ２０  ２０泊松比０  ２４０  ２４０  ２０２模拟结果分析２  １无开采扰动下的边坡稳定性分析应用优化理论中的二分法，以塑性区贯通、计算不收敛及位移突变为失稳判据，编制强度折减法程序，求得无开采扰动下边坡安全系数Ｆｓ＝１  ９４，大于规定的１  ２，符合安全标准．边坡失稳破坏可以看做是塑性区的发展、扩大直至贯通而进入完全塑性状态，而无法继续承载．Ｆｓ＝１  ９４时，边坡塑性区（图２ａ）从坡脚贯通至坡顶，主体单元为剪切破坏，只在坡顶存在小范围拉破坏．边坡达到临界失稳时，根据临界破坏状态的塑性区及剪切应变增量云图（图２ｂ）可以估计潜在滑动面．由图２ｂ知，边坡内剪切应变带已经形成，可得出潜在滑移面位置；边坡失稳时，局部化剪切变形会相对集中在局部化区域内，而区域外的变形相当于卸载后的刚体运动，滑坡体将沿某一滑动面滑出．滑动面两侧沿滑动面方向的位移差明显，存在较大的变形梯度，边坡失稳必然是其一部分岩体相对于另一部分岩体无限制的滑移，可采用边坡位移等值线确定滑动面，如图２ｃ和图２ｄ所示．以位移值１ｃｍ的等值线为界，被明显地分为滑体和稳定体两部分，并且最大垂向位移产生于坡顶，达１０ｃｍ，最大横向位移位于最下方台阶的坡面中部，达１２ｃｍ；边坡失稳，滑体由静止状态变为运动状态，同时产生很大且无限发展的位移，程序无法从数值方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力应变关系和强度准则的解，此时，不管从力的收敛标准还是从位移的收敛标准来判断，数值计算都不会收敛．计算过程中，最大不平衡力集中于边坡表面，计算无法收敛．８２３１东北大学学报（自然科学版）第３４卷图２安全系数Ｆｓ＝１  ９４时边坡状态图Ｆｉｇ  ２ＳｌｏｐｅｓｔａｔｅｄｉａｇｒａｍｓｆｏｒＦｓ＝１  ９４（ａ）塑性区；（ｂ）剪切应变增量；（ｃ）竖直位移；（ｄ）水平位移．监测点的竖直位移随时步变化曲线见图３，位移持续发展，并未达到某一稳定值，表明边坡进入塑性流动状态．在不同的Ｆｓ下，监测点竖直位移与Ｆｓ的关系见图４，当Ｆｓ＝１  ９４后，位移变形量发生突变，表明此时边坡处于失稳临界状态．２  ２方案优化结果分析图５给出了３种方案不同回采分层边坡塑性区体积的变化图．受篇幅限制，图６仅给出了３种方案三分层回采后的塑性区分布情况．由图可知，边坡破坏主要集中在上盘边坡，且随着回采的进行，塑性区体积加速增长，方案一增长速度最快．方案一一分层回采后，仅在采场围岩附近形成贯通区域，围岩的局部破坏有利于分段崩落法的安全，计算安全系数Ｆｓ＝１  ５４，则方案二与三回采一分层时，Ｆｓ必大于１  ５４，边坡安全；方案一二分层回采后，塑性区扩展较大，其Ｆｓ＝１  １８，边坡不安全，且三分层回采结束后，由于无覆盖层，边坡受开采扰动较大，塑性区（图６ａ）从坡脚贯通至坡顶面，其安全系数小于１，潜在大范围破坏．方案二一分层回采后，覆盖层下降约８ｍ，且二分层回采后，覆盖层下降约９ｍ，Ｆｓ＝１  ３２，则方案三二分层回采后，Ｆｓ必大于１  ３２，边坡相对安全；方案二三分层回采后，覆盖层下降约１０ｍ，此时厚度仅剩１３ｍ，Ｆｓ＝１  ０５，不安全，而方案三此时Ｆｓ＝１  ３６，边坡稳定．基于以上分析，选取覆盖层厚度为２５ｍ，计算此条件下三分层回采后Ｆｓ＝１  ２４，边坡安全．覆盖层的存在对边坡及围岩起到支撑作用，松散碎石能够吸收及转移边坡应力，减缓边坡能量快速释放，起到缓冲作用，覆盖层完全为塑性（图６ｂ与图６ｃ），从而有利于边坡的稳定．图３安全系数Ｆｓ＝１  ９４时步－位移变化曲线Ｆｉｇ  ３ＳｔｅｐｓｖｓｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｆｏｒＦｓ＝１  ９４图４安全系数Ｆｓ－位移变化曲线Ｆｉｇ  ４Ｆｓｖｓｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓ图５３种方案分层－塑性区体积关系曲线Ｆｉｇ  ５Ｓｌｉｃｉｎｇｖｓｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｖｏｌｕｍｅｆｏｒｔｈｒｅｅｓｃｈｅｍｅｓ图６３种方案三分层回采后塑性区分布图Ｆｉｇ  ６Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｓｃｈｅｍｅｓａｆｔｅｒｔｈｅｔｈｉｒｄｓｌｉｃｉｎｇｍｉｎｉｎｇ（ａ）方案一；（ｂ）方案二；（ｃ）方案三．（下转第１３３４页）９２３１第９期刘杰等露天转地下开采方案优化及边坡稳定性分析

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