露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探讨.pdf

第1 9 卷第 1 期 2 0 0 0年 】月 迎 手 硝 碍 嘲 加 ． 谭 矧， 弹， 岩石力学与工程学报 1 9 1 1 2 6 1 2 9 Ch 。 P 艘 Jo u r n al Ro c k M e c h a ni c s nd i n e e r i n g J 口 4 ， 2 0 0 0 露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探讨 1 引言 。 f 7 ／ 孙世国 蔡美峰 王思敬 峨 北京科技大学资锅 [ 工程学院北京1 0 0 0 8 3 中国科学院地质研究所工程地质力学开放实验室北京1 0 0 0 2 9 在我国有许多矿区属井工与露天联合开采， 露 天转地下是其中的方法 之一 由于从采动的时间上 看 两者不同步，甚至间隔较长时间。边坡岩体先后 受到两次采动影响， 且第二次采动影响改变其应力 分布外， 并诱发上部边坡体的精移，因此， 边坡岩体 受到综合叠加作用， 在此称其为复合开采效应。 地下与露天复合采动影响下边坡岩体移动和变 形问题是近十几年来许多学者关注的重要论题之一 全国有关高等院校、科研院所等许多科研人员和学 者进行此方面的研究。中国岩石力学与工程学会在 1 9 8 9年对此问题专门召开一次学术研讨会，国家有 关部委和相关企业召开各种论证会二十余次。 这个 问题之所以引起有关部 门如此重视 ． 其 中最主要的 原因是复合采动引起的岩体变形不仅仅影响矿山本 身的安全 ， 而且也严重地影响到矿坑周边各种市政 设旌及众多工厂的安全。因此 ，有关部门及相关企 业不得不投入数亿元用于安全防护与加固工程 。 有 些措旌为减缓变形起到 了一定的作用， 但并不能有 效地控制变形的发展。其原因之一是对复合采动影 响下边坡岩体变形机理与规律性的认识不足，治理 措施对局部或某一影响因素起作用， 但对复合采动 影响下开挖源之问的相互扰动和相互叠加变形体系 来说 ， 仅仅对某一影响因素采取控制措旌显然是不 完善或不合理的．而应该综合考虑各个影 响因素之 间的作用关系和作用特点 ． 采取综合治理措旖， 这 样才能有效地控制变形的发展，确保矿 山本身及周 边区域的安全 。 在我国各类矿山开采过程中， 有许多矿山属地 下与露天复合开采情况 ， 依据开采的空间对应关系， 两种开采方法的采动影响域中的一部分相互重叠或 包含， 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 ] 因此 ， 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 件下边坡岩体滑移机制与变形规律。复合采动影响 下岩体变形与破坏机制更加复杂，变形范围和变形 量远远超出原有的认识范畴；这主要是 由于对复合 开挖体系来说 ， 一种开挖作用不仅仅影响到其 自身 影响域内的岩体应力场分布，同时对另一开挖体系 中的平衡状态也起到 了干扰和破坏作用 ， 所以变形 机理更加复杂 ； 变形范围、 变 形量之大及其持续时 间之长与单一开挖相比均有较大的差异[ 。为此， 本文主要探讨其 中的一种开采方式 ， 即露天开采到 一 定深度之后， 转入地下开采时边坡岩体的滑移规 律和破坏模式。 本文将结合模拟实验结果和矿山开 采实践及其所对应的变形特点和规律性 ，探讨在先 期露天开采并形成一定边坡规模 条件 F，在其下部 继续进行地下开采后 ， 边坡岩体的变形与破坏机制， 以及有关的评价方法 。 2 露天转地下开采边坡岩体变形模拟 分析 依据底面摩擦实验原理 ， 在单一露天边坡模型 变形的基 础上 ， 开挖地下采区 ， 此时在地下采动影 响下t 边坡岩体具有如下3 个变形特点 图1 其一 是位于地下采区走向主断面与 上山边界区域内边坡 1 9 9 9 年 6 月2 1 日收到来稿。 *博士后基盘及工程地质力学开放实验室课题资助项目。 作者孙世国 简舟 男 3 8 岁， 博士 1 9 8 3 年毕业于阜新矿业学院地质系矿山铡量专业． 现为北京科技大学在站博士后 ． 主要从事岩土工程与环 保研究等方面舶工作。 维普资讯 第 1 9 卷第 1 期 孙世国等． 露天转地下开采边坡岩体惜移机制的探讨 ‘ l 2 7 ‘ 岩体的表层变形量较小， 这主要是 由于从地下采区 下山边界至上 山边界，两种采动所引起的位移矢量 方向之间的夹角逐渐增大 ，经过走向主断面之后 ， 在某一位置上其夹角将太于 9 0 。 后， 两矢量开始相互 抵消一部分 且随着夹角的递增 ， 相互抵消也递增。 因此 ， 台成矢量逐渐 减小。但位于地下采 区周 围一 定范围内的岩体仍然表现出地 下采动特征 ， 因为从 边坡地表向其 内部，露天采动影响逐渐减小，并在 某一深度以下不产生影响。因此，在某一空间区域 表现何种变形特征， 这与两种采动效应对该区域的 影响太小有关 ， 合成矢量一般更多地表现出影响较 大矢量的变形属性，所以在不同空 间位置上，其台 成矢量方 向与太小表现出不同的特性 其二是位于 地下采区走向主断面与下山边界之问的边坡岩体变 形量大， 这是 由于两种采动影响方 向在同一象限内， 合成矢量叠加后移动量增大 其三是最大下沉角增 大或走向主断面 向上山方 向转动 这是 由于地下开 采引起上覆岩体的移动与边坡体的滑移综合叠加的 结果，且随着坡有的增大 ， 最大下沉角随着递增。 这 3 个变形特点是对边坡表层一定深度以上而言 I 但 对于边坡体一定深度以下来说 ，随着深度的增加， 露天采动影响逐渐减弱 ， 并在一定深度以下露天采 动不产生影响，所以， 在这些区域岩体变形将表现 为地下采动特性 最大下况舟 图 1 露天转地下开采边坡模型变形特点 Fi g．1 De f or ma t i on b g ha v i o r o f s l o pe mod l due t o t he x c a v a t i on f f om op e n pi t i n t o un d e r g r oun d mi n e 3 露天转地下开采边坡岩体滑移机制 露天转地下开采边坡岩体变形特点可概括为如 图 2 所示。先进行露天开采条件下 ， 边坡轮廓 A 口已 形成， 边坡体基本上处于稳定状态， 并形成了新的 应力分布场。如果候定原岩应力状态为 吼} ，由露天 开采引起的应力变化为 { △ ，当岩体达到稳定后， 应力场变为{ o 。 { ％ { △ 口 L 然而， 由于有地下 开采 ， 所引起的应力变化为 { A ％ ； 由于两采动影响 域相互重叠 ， 那么， 在两者共同作用下， 边坡岩体内 的应力场变为{ { 吼 { A O D 由于地下继续 开采 ，其 中 由地 下采 动 引起 的 应力 变 化依 次为 { 2 ，{ △ 至 { ％一 ， 那么，边坡岩体内的应 力场变化依次为{ 吡 { 吼j f △ ％。 、l } ； 吼} { △ O D 3 至{ { 一 。 J _ { △ 口 h 一 ， 从而构成了一 个复合动态叠加体 系。 ． 移动舟， 最大下沉舟 图 2 露天转地下开采边坡变形机 制示意图 Fj 2 I f o r ma t i o n me c h an i s m o f l 0p e mo de l d ue t o C h e 枷Va t | o n f r om o p e n p i t i nt o und e 坫 t o un d m | n 。 从变形特征来看 ， 边坡岩体困受风化、地下水 及岩体流变性等因素的影响， 将产生一定的变形量， 其位移矢量方向为 - 图2 。 如果在此条件下进行地 下开采，那么边坡岩体 内部的应力平衡关系将受到 破坏 ，应力场将产生变化，所以岩体再次产生移动 与变形。 其中由地下采动引起的矢量为 ， ， 两者的 合成矢量为 合成后的矢量方 向要视各 自的影响 大小而定。随着地下开采量的增大，边坡岩体受破 坏程度递增， 边坡体的变形也愈加剧烈 但地下采 动效应对边坡体的不同空间位置或不同区域的影响 与边坡岩体本身变形所产生的叠加结果是不同的。 如图 2中所示 ， 合成矢量的方向不一致 一 般情况下， 当地下采 区开挖量达到一定强度 时，在倾向主断面内P ， P 。 和 P 。 点的合成矢量方向 是不一致的 ，这主要是 由于两种采 动影响大小和方 向在空间位置上不同而引起的， 其中从地下采区下 山边界至上山边界 ， 两种采动影响方 向之间的夹角 逐渐增大， 经过走向主断面之后， 在某一位置上两 矢量之间的夹角将大于 9 0 。 ， 此时两矢量合成后开始 相互抵 消一部分 ，且随着其 夹角的增大 ，相互抵消 维普资讯 1 2 8 岩石力学与工程学报 2 0 O O 年 越多， 合成矢量逐渐变小。一般情况下， 合成矢量更 多地表现出影响较大采动效应的属性 。 如 P 点合成 后的矢量方 向将指向地下采区， 也就是该单元体将 向地下采区方向移动 。 但与单一地下开采相 比还是 有一定的差别，主要表现在合成后的矢量方向一般 将不再指向采区几何中心或最大下沉点位置 向上的 一 侧移动 在充分采动时 。 从上 山方向移动边界线 至走向主断面 目 G之间下沉值呈递增规律 ， 其变形结 果使坡角减小 单从这方面来考虑，这对 边坡 稳定 性是有利的一面 但对于地下采 区下山边界与走向 主断面之间的边坡体而言，两种采动影响方 向在同 一 象限内， 两矢量合成后增大，同时由地下采区走 向主断面 G至下山移动边界线区域下沉值呈递减 规律，因而移动与变形结果使得该 区域坡 角增大， 如 P 点所处区域就 是如此，这对 边坡稳定是不利 的。 主断面上 点下沉值最大， 又由于位于地下采区 移动边界区域受拉伸变形 上山方向边界除外 ，尤 其是地下采区的下山方向的最大拉裂缝 ， 很容易构 成滑坡体的后缘 同时沿地下采区倾向边界附近的 拉裂缝， 构成滑体的侧边缘， 使滑体与滑柬分离、 减 少侧阻力。特别是当地 下采区沿走向长度不大时， 如再有大气降雨等因素的诱发作用 ， 将有可能导致 滑坡， 这是很危险的。如果走向长度很大 ， 形成整体 滑坡相对难度大一些。 一 般位于地下采区不同空间位置上 ， 矢量具有 三维特性，所以，上山方向一侧边坡体的合成矢量 方向要视地下开采量大小及该测点的空间位置而定， 并不能肯定指向地下采区， 也有可能指向坑内， 这 种变形机制是对边坡表层一定深度以上而言， 但对 于边坡体一定深度以下来说 ，由于露天采动影响逐 渐减弱 ， 并在某一深度以下 露天采动没有影响，那 么， 在这些区域的岩体变形将表现为地下采动特性 4 先露天开采后地下开采边坡体变形 规律实例分析 ‘ ． 1 采矿特点 阜新矿务局五龙矿地下 2 3 5 采区位于海洲露天 矿西南帮下方， 平面位置分布如图 3 所示。 2 3 5 采区 分两个阶段回采。 采区倾向长 1 4 5 m，第一阶段走向 长 5 7 0 m， 第二阶段走向长 3 9 0 m， 煤层倾角 2 l 。 ， 平 均采探 4 3 5 m。 采区上方有海洲露天矿西南帮边坡， 坡高 2 0 0 m，坡角 3 8 。 。地下采区从 1 9 8 2年 8月至 1 9 8 7 年 2月采完} 煤层顶板主要为砂质页岩组成 。 4 ． 2 变形特点 图4 和图5 分别为 中倾观测线与东倾观测线各 1 o o 0 8 0 0 6 0 0 l ； t | 1 ＼ ／ ≈ 噜 ～ ／ f 1 6 图 3 地下采区与边坡位置平面分布关系图 Fi g- 3 Pl a ne r e l at i o n t we e n u nd e r g r o u nd t o pe a nd s l o pe l o c a t i o n 测点 的移动矢量图 。从移动矢量方 向变化来看 ，东 倾观测线合成矢量方 向均指 向坑 内， 尤其是地下采 区上山方向一侧的边坡体合成矢量没有指向地下采 区；而中倾观测线中地下采区上山方 向一侧的合成 矢量方向则指向地 下采区。 这 主要是 由于两观测线 与地下采区的分布关系不同 见图 3所示 ，中倾观 测线位于倾斜主断面附近 ，受采动效应影响大 ， 而 东倾观测线则位于边缘 ， 这样上覆岩体受地下采动 效应影响相对要小 ，所以， 与地下采 区空间位置分 布关 系不同，其上覆岩体受采动的影响大小也就不 同， 最终合成矢量方向也就不一致。另一方面 ， 地下 采动不仅仅是改变边坡体应力场分布，由于地 下采 动还将改变上覆岩层的赋存状 态 或层位分布关系 和采动影响域 内整个上覆岩体 的整体强度 ，因此， 在应力场的变化过程 中就有可能诱发原坡体沿某一 弱层产生滑坡。综上分析可以看 出，在两种采动效 应的叠加作用下边坡岩体破坏机制更加复杂。 5 相关评价方法 由于有地下采区开采的影响，边坡岩体内的应 力场产生“ 质” 的变化 ，因此 ，在边坡稳定性分析中 应当考虑地下采动作用的影响， 文[ 4 3 就此问题进行 专门的研究和探索， 并推导出在小变形条件下边坡 稳定性的评价方法， 通过实例分析和计算可以得出， 在有地下采区存在的条件下， 不考虑或忽略其影响， 那么所计算的结果是不合理的。所 在复合开采的 矿山中要根据具体情 况 ， 进行相 关的计算和分析 ， 便得到符合实际的结果。 埘 蛳 帅 啪 脚 咖 ㈣ 。 维普资讯 第 1 9卷第 1期 孙世国等．露天转地下开采边坡岩傩滑移机制的探讨 ．1 2 9． 图 4 中倾观测线移动矢量图 矢量比例 1 1 O 0 0 Fi g 4 D i s p l a c e me n t v e c t o r 11 B O O a t t h e Z h o n g q i n g m o ni t or i ng l i ne 地下开采对丘陵地带山坡体、对铁路路基等坡 体稳定性影响特点与此类变形模式基本相同，有关 变形破坏模式及相关评价方法也与此类似。 参考文献 1 孙世国， 蔡美蜂， 王思敬一 地下与露天复台采动效应及边坡变形 机理．岩石力学与工程学报． 1 9 9 9 ， 1 8 5 5 6 3 5 6 6 2 嚣 世国 边坡岩体内部变形监测现状与未来展趋势．勘察科学技 术 ，1 9 9 8 ， 2 2 8 ～3 1 图5 东倾观测线移动矢量图 矢量比例 1 5 0 0 F i g 5 D i s p l a c e me n t v e c t o r 1 5 0 0 a t t h e Do n g q j n g mon i t or i n g l i ne 3 孙世国 井工与露天联合开采对环境破坏作用的分析． 露天采攥 技术， 1 9 9 8 ． 增 3 1 3 3 4 孙世国 王思敬． 地下与露天复台开采边坡稳定理论 工程地质 学报， J 9 9 8 ， 6 3 1 2 3 1 8 5 孙世国， 王思敬．井工采动对高大边坡变形影响的模拟研究 ．矿 业世界 ． 2 1 8 2 1 6 刊 、 世国， 王思敬 复台采动影响下地表变形弼涮与危险区划分方 法的研完 辽宁工程技术大学学报， 1 9 9 8 ． 1 8 5 3 0 3 3 S TUDY OF S LI DI N G M ECHANI S M FOR S LOPE DUE TO TH E EXCAVATI ON FROM OPEN PI T I N TO UNDERGROUND M I NE S u n S h i g u o Ca i Me i f e n g W a n g S i j i n g Re s o u r c e s “ e e r i Co l l e Ⅳ4 l e r 暂 o ．f 4 钟 Ⅱ Te c n 。 如 ． Be 1 0 0 0 8 3 瑚口 冒 。 。 臼 。 们 。 L口 6，I n ““ 臼e 。 口 一 eCh i n e s e Ⅱ e 盯 c 瑚 鲫 ， 丑 e 咖 1 0 0 0 2 9 l n Ⅱ 厂 ’ “ 、 ； 新书简介 ～ ⋯ 元 。 岩石介质流变学 一书由章根德，何鲜， 朱维耀著l中国科学出版社 1 9 9 9 年出版 一3 2 开本 ． 3 7 8页．3 1 8 万 字 - 定价 2 8 储 时 耋 苎 妻 量 塑 望 三 竺 建 立 丁 描 述 岩 石 介 质 流 变 性 状 的 严 谨 的 数 学 模 型 ， 并 利 用 该 模 型 来 描 述 岩 石 可 逆 过 程 重 点 是 阐 述 了 建 立 档续 介 质 力 学 基 础 上 的 弹 ／ 粘 塑 性 模 型 。 该 茹蓉 善 体 工 程 中 的 应 用 。 ⋯’⋯ 一⋯ ⋯ ⋯匝 相 师 l水 篓 lI 曼 、 篡 、． 地 震 工 程 等 相 关 领 域 从 事 岩 石 流 变 学 研 究 的 科 研 工 作 者 和 工 程 师 ， 亦 适 用 于 相 应 专 业 的 高 等 院 校 教 师 、研究生和高年级本科生阅读。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一 。 “ 上任 维普资讯