露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟.pdf

第 2 8卷第 6期 2 0 0 6 年6月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g VoI ． 28 No． 6 J u n．2 0 0 6 露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 韩放谢芳 王金安 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要露天转地下开采围岩应力和工程尺度同时影响着地下工程和露天边坡的稳定性 ． 通过 三 维数值模拟， 揭示了露 天边坡 内地下开采 采场 周围和边坡 的力学环境 ， 探讨 了围岩移动变形 、 应力 分布和破坏机理， 分析 了边坡稳 定性状况 ．研究表 明， 在扰动边坡 下进行地 下开采， 坡脚 处的局 部 弧形破坏 区将进一步恶化， 但不会影响边坡 的整体 稳定性 ．由于边坡的卸荷作用， 导致 采场 上{ 鐾 f 岩 层成拱机制减弱， 采空区{ 鐾 f 岩存在整体垮 冒的可能性 ． 关键词露天转地下开采 边坡 稳定性 ； 三维数 值模拟 分类号T D3 2 5 随着露天开采的不断进行， 浅部地表的可开 采资源 不断减 少 ， 深 凹露 天开 采逐 渐 过渡 转 为地 下开采势在必行．在 1 9 7 0 --1 9 9 0年 间， 西方国家 的矿 山总 数从 1 0 2 0座 增 加 到 1 2 0 0座 ， 增 加 了 1 7 ． 6 ％， 而露天转地 下的矿 山从 4 8座增加到 9 8 座， 增长 了 1 0 4 ％⋯ ．随着我国深 凹露 天矿开采 的结束， 越来越多的矿山将转入地下开采 ．目前， 人们对单一的露天开采和地下开采已做了大量的 研究和实践， 对单一露天开采边坡岩体的稳定性 及变形规律和单一地下开采上覆岩体稳定性及地 表变形规律 有了深刻 的认识 ， 而对露天转地 下开采次生应力场对岩体力学场的影响机理的研 究还很少．由于露天开采时对岩体的应力场造成 扰动， 采动结束一段时间后应 力达到一个新的平 衡 ．在 高边 坡 存 在 的基 础 上 进 行地 下开 采 ， 再 次 对岩体造成扰动， 形成二次扰动 ．其对上覆岩体 稳定性 的影响既不同于单一的露天开采， 又不同 于单一的地下开采， 第二次采动影响岩体 的应力 分布， 根据 国内外露天转地下开采矿山的经验， 边 坡稳定性要比单纯露采时降低 1 0 ％～2 0 ％【 ， 可 诱发上部边坡体的滑移 J ， 对矿 山安全生产造成 危害．采用二维数值模拟不能够模拟出开采的空 间采动影响效果， 因此采用三维数值模拟， 对露天 转地下开采边坡岩体和采场围岩力学变化规律 以 及稳定性进行分析研 究， 以便给工程施工提供理 收稿 日期2 0 0 5 1 2 1 6 修回 日期 2 0 0 6 2 2 4 基金项 目教 育 部 高 等学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 N o 2 0 0 4 00 0 8 0 2 5 作者简介韩放 1 9 6 2 一 ． 男， 高级工 程师， 博士 论依据， 减少工程损失和人员伤亡． 1 工程概况 矿区原 始地 形较 平坦 ， 有极 少 的低丘 陵， 最 大 地势起伏约 1 0 0 m． 露天矿东西长 6 ． 6 k m， 南北宽 2 ． 2 k m， 面积 1 4 ． 5 2 k r n z ， 开采标高 一4 0 0 m．该区 地层主要 为第四纪松散砂 、 土、 砾石层， 下第三纪 古新世及始新世 的含煤系地 层， 下 白垩纪龙凤坎 组地层及下伏的太古带花岗片麻岩结晶基底． 经过近百年的开采， 该矿上部含煤量近于枯 竭， 下部却蕴藏着丰富 的煤层．由于露天开采形 成了高边坡， 从经济和安全角度考虑， 该矿转入地 下开采． 矿区边坡的几何形态见图 1 ， 地质剖面见 图 2 ． 地下采面位于 井 田西北 部， 标高 一2 9 7 ． 5 m 以上， 埋深在露天边坡下 2 0 0 m 以上， 采场埋深 由 西 向东逐渐变浅， 在 E l 0 0处几乎出露于地表 ．东 西走向长 1 0 7 5 m， 南北宽 4 0～7 0m， 开采面积约 5 675 7 m2 ．东 部 以 El 0 0为 界 ， 西 部 到 W9 8 7为 止， 南北部边界分别为露采边坡界面和煤层顶板 ． 北 部边坡 有 F 1 断 裂 构 造 通 过 ， F 1 断 层 为逆 冲和右旋 移动断层， 南翼牵引褶曲构造．断裂走 向近东西， 倾向北， 倾 角 5 0 。 ， 压扭性断裂， 断裂破 碎带西宽东窄， 数米到数十米不等， 主要由紫红色 断层泥组成， 隔水性能 良好．牵引主向斜 北翼的 绿色泥岩倒转陡倾， 并夹有多层软弱褐色页岩夹 层， 呈软弱互层结构的岩体．采区是在特定的不 良地质构造条件下进行设计和开采的． 维普资讯 北京科技大学学报 2 0 0 6年第 6期 图 1 三维边坡 计算简图 单位 m F i g ． 1 S c h e ma t i c p - 0 t o f t h e 3 D mo d e l o f t h e s l o p e Un i t m 图 2 地质剖面图 Fi g． 2 Ge o l o g i c s e c t i o n a l p r o fi l e 2 模拟 计算 2 ． 1 模型 建立 计箅采 用 三 维 有 限 差 分 程序 F I A C 3 。 ．计 箅 模型 方 向长 1 4 0 0 m， S方 向宽 1 0 5 0 m， z方 向 高 6 0 0m． 共 划分 为 1 5 6 1 1 8个单 元 ， 1 6 8 1 8 8个 节 点．模型侧面限制水平移动， 底面限制垂直移动， 上部 为 自由面 ．图 3为地 下 开 挖 前 三 维 数值 模型 ． 依据现场取样和岩石力学实验 结果， 岩石在 不同 围压条 件下 具有 明显 的弹 塑性 变 形特 征 ．当 岩石发生破坏后， 表现 为应变软化特征， 即随着变 形的继续发展， 残余强度逐渐降低， 最终下降到峰 值强度的 2 0 ％左右．因此， 采用非线性应变软化 模型 如图4 ． 考虑到岩石的尺寸效应， 对岩石实 验参数进行了适 当的折减， 计箅采用的岩石力学 参数和 断层 力学 参数分 别 见表 1 和表 2 ． 图 3 地下开采前边坡 图 F i g ． 3 S l o pe b e f o u n d e r g r o u n d mi n i n g ￡ 图 4 岩石 的力学特性 F i g ． 4 M h a n i c a l c h a r a c t e r o f r o c k s 维普资讯 韩放 等露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 表 1 岩石力学参数 Ta b l e 1 M e c h a n i c a l p a r a me t e r s o f r o c k s 表 2 断层力学 参数 Ta b l e 2 M ec h a n i ca l pa r a me t e rs o f a f a u l t 断层 法 ’ 切 度’ 摩擦角．粘结力．抗拉强度 断层 K． ． ／ K ／ 摩擦角粘结力抗拉强度 名称 “ ． ． ／ c ／ MP a a T ／ MP a MP a 1 11 。 。 MP a 11 1 I 1 F 22 0 0 1 5 00 2 6 0． 4 0． 0 0 01 2 ． 2 模拟过程 严格按照边坡开挖历史逐年进行开挖模拟， 真实反应地下开采前岩体的力学场状态， 为研究 地下开采后岩体力学场的变化规律及稳定性分析 提供现 实可靠的依据 ．地下 采区范围如表 3所 示。 模拟计箅分步进行开挖 前 6 0 r n按照每步推 进 1 0 r n进行计箅。 分为 6步 ； 6 0 ～4 2 0 r n基本按照 每步推进 2 0 r n进行计箅， 分为 1 8步 ； 4 2 0 ～5 7 5 r n 基本按照每步推进 4 0 r n进行计箅， 分为 4步； 5 7 5 ～ 1 0 7 5 r n按照每步推进 5 0 r n进 行计箅， 分 为 1 0 步． 地下开采整个计算共分 为 3 8步， 4 9 0 0 0个时 步 ． 表 3 地下开采范围 Ta b l e 3 Un d e r g r o u n d mi nin g ra n g e 2 ． 3 计算 结果 与分析 数值模拟可定性分析力学场演变规律和岩土 体的稳定性， 但难以位 移量作为边坡 稳定状态的 定量判断标准 ． 应用数值模拟 着重分析边坡 内地 下开采上覆坡岩体和采场周围岩体力学场变化规 律。 综合位移速度 、 相对位移、 破坏场、 剪切应变等 多种因素对边坡及采场周围岩体稳定性进行定性 研 究 ． 2 ． 3 ． 1 应力 场分 析 地下采区在边坡下 2 0 0 r n内， 属于浅部开采． 采区上部覆盖油母页岩 、 绿色泥岩和人工回填土， 由于岩土体较软。 在开采过程中采空 区上部压力 拱 9 成拱机制较弱， 岩体重量全部作用在采区上 方。 由工作面围岩和支架承 担．岩体均处于压应 力状态。 应力分布符合 自上而下逐渐增大的基本 规律。 在 N5 8 0 ～N 8 7 0范围内岩体应力呈倾斜分 布。 与边坡倾斜相 一致， 其他 区域基本呈水平分 布。 与边坡开挖应力分布规律相 同．采场周围应 力 在 2 ． 5 MP a 到 5 ． 0 MP a 之 间。 如 图 5 所 示 ． 2 ． 3 ． 2 位移 场分 析 1 边坡地表沉陷规律 ．地下开采部分地段 处于边坡 回转处的下方， 此处边坡位移较大， 故截 取该处剖面对边坡地表沉陷规律进行研究．图 6 和 图 7分别 给 出了沿工 作面 走 向和垂 直工 作面走 向剖面地下开采前后边坡地表沉陷情况．从沿工 作面走向剖面看， 在采 区上方边坡全部受到开 采 影响， 沉陷最大值 为 3 5 c m， 出现在距工作面开切 眼水平距离 2 3 4 r n的边坡处．在垂直于工作面走 向剖面上， 采面下帮一侧边坡影响范围为 1 2 5 r n ， 上帮一侧边坡影 响范 围达到 2 4 0 r n ， 地表沉 陷最 大值并非出现在采 区的中部， 而是 出现在采区偏 边坡底的一侧， 距采面中部 8 r n处， 最大下沉值为 3 2 ． 8 c m．图 7还可看出。 地下开采对边坡岩体水 平移动影响范围与垂直移动 影响范围大体相 同， 边坡 主要 以 垂 直 位 移 和 沿 Y方 向 的 水 平 位 移 为 主。 沿 Y方向的水平位移略小于垂直位移． 2 边 坡 重 要 干 线 位 移 量 及 移 动速 度 分 析 ． 位 移和 移动速 度 是表 征 边 坡 稳 定性 的重 要 指 标。 因此以地表位移最大的剖面为研究对象， 分析重 维普资讯 北京科技大学学报 2 0 0 6年第 6期 暑 漤 趟 ， 蚌 } j 暑 潍 ’ 悻 }1 图 5 最大主应力场及应力矢量场 Fi g． 5 M a x i mu m prin c i p a l s t r e s s a n d V e c t 0 r s 测点位 ／ m 图 6 沿工作面走向边坡地表沉陷 F i g． 6 S u ffa s u b s i d e n c e a l o n g t h e wo r k i n g f a 0 e 图 7 垂直工作面走向边坡地表沉陷 F i g． 7 Su r f a c e s u bs i d e n c e a c r o s s t h e wo r k i n g f a c e 要运输 干线所 在的边 坡移动 及其 稳定情 况 见 表 4 ．结果表明， 在不考虑渗流和 降水等因素的 情况下， 地下开采造成边坡产生一定的位移， 随工 作面远离各干线边坡岩体移动速度均趋于零， 因 此不会影响边坡的稳定性， 边坡整体处于稳定状 态．另外， 也说 明了逆 断层的存在不会影响边坡 的 稳定性 ． 表 4 地下开采结柬后剖 面监测 点位移和速度统计表 Ta Me 4 D p I a c e me n t a n d v e l o c i t y o ft r a c i ng p o i nt s o n t he s e c t i o n p r o fl o f t h e S 1 0 p e a f t e r u n d e r g r o u n d mi n i ng 3 上覆岩体移动规律 ．图 8和图 9是采 区 上覆岩体受地下采动影响位移发展情况 ．采区上 方 3 0 r 1 3 范 围内为计算模拟的 冒落带．在工作面 前方 1 5 0 1 3 3 处， 采 区上覆岩体首先受到采动的影 响产生水平移动， 工作面前方 1 2 0 r n处围岩开始 产生 垂直 位移 ． 工 作面推 过 后顶 板 垂 直位 移迅 速 增加， 采空 区上覆岩体以垂直位移为主 ． 工作 面 后方 4 6 5 r n处覆岩垂直移动趋于乎稳．水平移动 维普资讯 韩放 等 露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 增加较缓， 采面后方 5 0 0 m覆岩水平位移趋于稳 定．图中表明． 采空区上覆岩体 自下而上 冒落带 以上 垂直位移逐渐 减小、 水平位移逐渐增大， 边 坡处水平位移最大为 2 6 ． 9 8 c m， 但 仍小于它的垂 直位移 3 1 ． 7 c m ．由垂直位移图可以看出， 下位 岩体位移大于上位岩体位移， 说明上覆岩体 已产 生离 层现象 ． 昌 潍 悯 作面距测点距离／ m 图 8 采区覆岩垂直位移 Fi g ． 8 Ve r t i c a l d i s pl a c e me n t o f t h e ． r o o f s t r a t a a b o v e t h e mi n i n g p a n e l 昌 潍 趟 l 作面距测点距离 ／ m 图 9 采区覆岩水平位移 Fi g ． 9 Ho r i z o n t a l d i s p l a c e me nt o f t h e r o o f s t r a t a a b o v e t h e mi ni n g p a n e l 2 ． 3 ． 3 破坏场分析 图 1 0和图 1 1 是剖面岩体破坏场情况 ．由图 可见， 地下开采是在边坡局部曾经发生破坏 的情 况下进行的． 该破坏带呈圆弧型， 从坡脚处向坡体 内部扩展． 采区位于破坏带 下部 ．由于露天开采 的影响， 岩体卸载主要发生剪切破坏， 靠近边坡处 局 部发 生拉 伸破坏 ． 图 l O 地下开采前剖面破坏场分布 F i g ． 1 0 F a i l u r e z o n e s b e f o re u n d e r g r o u n d mi n i n g 图 1 2和 图 1 3显 示， 当工 作 面 推进 至该 剖 面 时， 采空区上部围岩至边坡处剪切应变增量和剪 切应变 率较大． 分 别达 到 3 ． 6 71 0 一 和 2 ． 5 1 0 一 s _ 。 ， 说 明 当工 作 面推 过 时， 采 空 区上 部 围 岩 卸荷， 由于在不同方 向岩体卸荷不均匀造成应力 差， 从而剪应力变大 ．当达到岩体强度极限时发 图 1 1 地下开采 后剖面破坏场分布 Fi g ． 1 1 Fa i l u re 7A ne a f t e r u n d e r g r o u n d mi n i n g 生剪切破坏， 破坏带直通边坡表面．采空区四周 围应力达到岩体抗拉 强度造成岩体 的拉伸破坏． 上部拉破坏区与边坡处拉破坏区相连 ．综合前面 对采空区上部 不同深 度围岩相对位 移的分 析可 知， 采空区上覆岩体垮落， 维普资讯 5 l 4 北京科技大学学报 2 0 0 6 年 第 6期 图 l 2 剖面剪切应变增量 F i g． 1 2 S h e a r s t r a i n i n c r e me n t o n s e c t i o n 3 结论 图 l 3 剖面剪切应变率 F i g ． 1 3 S h e a r s t rai n ra t e o n s e c t i o n 1 边坡下浅部地下开采， 由于围岩卸荷作 用， 采空区上 覆岩体成拱机制较弱， 覆岩稳 定性 较 差 ． 2 地下采动使远离工作面的煤层上部围岩 水平方向先受到扰动， 当工作面推过该区域 时垂 直移动显著， 水平移动缓慢增大， 工作面远离该 区 域时垂直移动先趋于稳定． 3 逆断层的存在不会影响边坡的稳定性． 4 综合边坡移动速度、 围岩相对位移量 、 破 坏场、 剪切应变等多因素分析边坡稳定性 ， 认为所 研究的露天转地下开采造成上覆岩体离层发生塌 落， 但不会影响边坡的整体稳定性 ． 参考文献 [ 1 ] 佚名．联合法开采金属 矿床的前景 ．世界 采矿快报 ， 1 9 9 8 ， 1 4 7 2 2 [ 2 ] 孙世国．边坡岩体内部变形 监测现状 与未来发展 方向 ． 勘 察科学技术 ， 1 9 9 8 2 3 9 [ 3 ] 冯锦艳， 王金安， 蔡美峰 ．露天高陡边坡 角优化设计 及稳 定 性分析 ．中国矿业， 2 l l l l 5 ， 1 4 4 4 5 [ 4 ] 陈清运 ， 蔡嗣 经， 明士 祥， 等 ．地下 开采地 表变形 数值模拟 研究．金属矿山， 2 0 0 4 6 1 9 [ 5 ] 徐水太， 饶运 章， 潘建平 ．地 r 开采 引起地 表移动和 不均 匀 沉降的机理分析 ．有色金属， 2 0 } 4 ， 5 6 2 1 9 [ 6 ] 宋卫东， 王金安， 匡忠 祥．程潮铁矿 淹井前 后采场溜井稳 定 性 数值 模拟 ．北京科技大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 4 2 9 2 [ 7 ] 李鼎权 ．论 露天转 地下开 采的若 干特 点 ．金属 矿山， 1 9 9 4 2 9 [ 8 ] 孙世国， 蔡美锋 ， 王思敬 ．露天转地下开 采边坡岩体滑移机 制的探讨 ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 1 1 2 6 [ 9 ] 钱鸣高 ， 刘 听成 ．矿山压力 及其控制 ．北京 煤 炭工业 出版 社 。 1 9 8 4 8 5 3 一 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e s t a b i l i t y o f r o c k s i n t r a n s f e r r e d u n de r gr o u n d mi n i n g f r o m o p e n p i t HlAN F a n g，XI E F a n g，WANGJ i n a n C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ，Un i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o lo g y B e i i i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ABS TRACT Bo t h t h e s t r e s s e nv i r o n me n t a n d t h e s i z e o f u n de r g r o u n d e xc a v a t i o n i nf l u e nc e t h e s t a b i l i t y o f t h e mi n i n g f a c e a nd t h e s l o p e． Nu me r i c a J a n a l y s i s o f FI A C3 ” wa s u s e d t o r e v e a J t he s t r e ss e n v i r o nme nt a r o u i a d t h e e x c a v a t i o n i n t h e s l o p e ，d i s c u s s t h e s t r a t a mo v e me nt ，s t r e ss d i s t r i b ut i o n a n d f a i l u r e me c h a n i s m， a n d a n a l y z e t he s t a b i l i t y o f t h e s l o p e a f f e c t e d b y un d e r gr o un d e x c a v a t i o n．Th e r e s u l t s s h o w t ha t l o c a l c u r v e d f a i l ur e z o n e s ma y b e c o me wor s e d u r i n g u n de r g r ou n d mi ni n g un d e r t h e d i s t u r b e d s l op e ，b ut t h e s t a b i l i t y o f t h e s l op e a s a wh o l e wi l l n ot b e c h a n g e d．For t h e u n l o a di n g e f f e c t ，t h e a r c hi n g me c h a n i s m i n t h e r o o f s t r a t a i s we a ke n e d，a n d t he p r o b a b i l i t y o f c a t a s t r o p hi c c o l l a p s e e x i s t s i n r o of s t r a t a a b o v e t h e mi n i n g z on e． KEY W ORDS t r a ns f e r r e d u nd e r gr o u nd m i ni ng f r o m o p e n p i t ；s l o p e；s t a b i l i t y；3 一 D nu me r i c a l s i m u l a t i o n U U U U UUU X OOOOOOO7 一 一 。 。 。 。 舢 伽 姗 伽 姗 伽 姗 O O O O 0 O O O ● U U U UUU ______11 ● X 5OOOOOOOO 8 O O O O O O O O 5 U U c Jc Jc Jc Jc Jc J 鞋 l 5 2 2 瓣 誊 一2 ， ，● ● 2 3 ， j ∞ 盘 。 门■■●●■■■ ， _ t■lll。 L - X 维普资讯