趙蒙生 刁 虎 代永新 李如忠 熊齊歡(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

采空區(qū)處理對上部采場邊坡穩(wěn)定性影響的研究

趙蒙生1,2,3刁 虎1,2,3代永新1,2,3李如忠1,2,3熊齊歡1,2,3
(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

目前邊坡穩(wěn)定性研究較多，也取得了很多成果，但針對地下開采轉(zhuǎn)露天開采的邊坡穩(wěn)定性影響、邊坡安全控制關鍵因素研究甚少。針對采場底部空區(qū)采用廢石充填、上部空區(qū)采用崩落隔離礦柱的空區(qū)處理工藝，分析采空區(qū)進行崩落隔離礦柱對邊坡坡腳應力釋放、采場邊坡腳距空區(qū)水平距離影響。根據(jù)邊坡應力、應變和塑性區(qū)發(fā)展趨勢得出：隨著采場邊坡腳距空區(qū)水平距離的加大，空區(qū)底部剪應力呈線性減小趨勢；采空區(qū)處理時坡腳距采空區(qū)水平距離為影響上部采場邊坡穩(wěn)定性的關鍵因素。結(jié)果為地下轉(zhuǎn)露天開采的邊坡加固提供了依據(jù)。

采空區(qū) 邊坡 有限元分析 塑性區(qū) 穩(wěn)定性

采空區(qū)處理是礦山地下轉(zhuǎn)露天開采必須面對的重大安全問題，采空區(qū)處理積累了很多寶貴的經(jīng)驗[1-3]，包括開采沉陷等若干技術問題也有一定研究[4-5]。文獻[6-7]關于覆巖離層相關的變形機理研究為處理采空區(qū)隔離礦柱提供一定的技術支持，同時很多學者對采空區(qū)一些相似模擬研究也取得了重要的結(jié)論[8-13]。通常采空區(qū)處理方法有封閉、崩落、加固和充填4種。有時采用2種方法聯(lián)合處理，如采用加固法與充填法聯(lián)合、崩落法與充填法聯(lián)合等；有時由同一種方法衍生出一系列子方法，如充填法可分干式充填法、尾砂充填法、膠結(jié)充填法等；崩落法可分自然崩落法和強制崩落法，強制崩落法按爆破方式不同又分為深孔爆破崩落法和硐室爆破崩落法等。這些采空區(qū)處理方法中不可避免地會遇到采場邊坡穩(wěn)定性問題，邊坡處理的安全性直接影響到整個礦山的生產(chǎn)。目前針對地下轉(zhuǎn)露天開采的邊坡穩(wěn)定性影響、邊坡安全控制關鍵因素的研究甚少。因此，基于采空區(qū)處理方案研究在采空區(qū)處理工藝過程中上部采場邊坡的應力、應變、塑性區(qū)變化等，分析露天采場在采空區(qū)處理時邊坡的關鍵參數(shù)，為保證露天邊坡的穩(wěn)定性提供參考。

1 工程概況

某礦金礦體露天采場最高臺階為1 036 m，境界內(nèi)最高標高為1 024 m，相對最大高差為360 m，從坑底到坑頂，最大邊坡角為22°。采坑東西寬1 800 m，南北長1 300 m，邊長約6 km，總面積為1.5 km2。坡面角多在60°～70°，臺階寬10～50 m?，F(xiàn)已開采到616 m水平，年采剝總量達1 500萬m3，年產(chǎn)黃金達15 t。

井下已開采520，460 m中段的部分礦房，520 m中段已采礦房55個，采空區(qū)面積約54 232 m2，高約55 m，體積約2 67.8萬m3；460m中段已采礦房36個，采空區(qū)面積約27 470 m2，高約57 m，體積約142.6萬m3。

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及采空區(qū)的分布特征，采用露天采場低品位礦石充填460 m中段采空區(qū)，崩落隔離礦柱充填520 m采空區(qū)，在2個中段采空區(qū)充填滿，具備了安全作業(yè)條件下，采用露天開采的方式回采井下的礦塊礦柱和框架礦柱。充填分3個步驟完成：①露天采場低品位礦石充填460 m中段采空區(qū)；②崩落510～530 m水平礦柱及三角礦柱充填采

空區(qū)；③崩落隔離礦柱充填520 m中段采空區(qū)。③步驟的實施中，露天采場底部空區(qū)(高50 m)和隔離礦柱(高40 m)在坡腳垂直暴露，若巖體垮塌勢必對上部露天采場的安全生產(chǎn)造成影響。

2 邊坡安全控制關鍵因素研究方案

隨著露采底部標高的降低，460～580 m采空區(qū)給露天開采帶來了嚴重的安全隱患，同時采空區(qū)處理時對露天邊坡穩(wěn)定性的影響也不容忽視。

2.1 工程地質(zhì)剖面

結(jié)合礦山采空區(qū)治理方法，針對采場邊坡安全控制關鍵因素研究，采用A-A～D-D剖面對采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行分析。采場平面見圖1，A-A工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 采場平面

圖2 A-A工程地質(zhì)剖面

2.2 動載荷對采空區(qū)臨近邊坡的影響

一般當?shù)卣鹆叶瘸^6度(包括6度)時，應考慮地震對邊坡穩(wěn)定性的影響，由于該礦所在的區(qū)域?qū)?度地震區(qū)，在對該采空區(qū)臨近邊坡進行邊坡穩(wěn)定性分析中，須考慮震動效應。通常采用擬靜力法，即只考慮慣性力F，則

F=kcmg,

(1)

式中,kc為綜合地震系數(shù)；m為可能破壞體的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

綜合地震系數(shù)kc計算公式為

kc=kHCzα,

(2)

式中,kH為水平向地震系數(shù)，與地震烈度有關；Cz為綜合影響系數(shù)，一般取0.25；α為考慮滑體重心高度的系數(shù)，一般取1.0。

在邊坡穩(wěn)定性分析計算中，若考慮爆破震動效應，通常將動載荷折算成等效靜載荷參與計算。在采用條塊法進行邊坡穩(wěn)定性計算時，考慮爆破震動影響，每一條塊都要增加爆破震動力Fi。

(3)

式中，mi為第i條塊的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；p為震動系數(shù)，p=αs/g，as為水平向加速度；kd為動載荷系數(shù)。

由于采場底部邊坡距露天爆破點較近,爆破震動對其影響不容忽視。參考該地區(qū)以往研究資料，取震動綜合影響系數(shù)kc=0.05以反映爆破震動對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.3 研究方案及巖體強度取值

根據(jù)現(xiàn)場實際情況針對A-A剖面和其余剖面制定如圖3的研究方案,巖體強度指標見表1。

圖3 研究方案

表1 巖體強度指標取值

3 采空區(qū)處理對邊坡穩(wěn)定性分析

采用ANSYS有限元軟件進行分析，根據(jù)Drucker-Prager屈服準則，即

(4)

式中，I1，J2分別為應力張量的第一不變量和應力偏張量的第二不變量；a，k分別為與巖土材料內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c有關的常數(shù)，不同的a，k在π平面上代表不同的圓。

分析步驟如下：

第一步：對460 m中段空區(qū)進行充填處理分析。

第二步：對空區(qū)頂部采場剝離并進行放坡處理至頂柱狀態(tài)分析(坡腳分別距空區(qū)水平距離20,40,60,80 m方案)。

第三步：剝離第一層采空區(qū)處理并考慮爆破震動狀態(tài)分析。

3.1 A-A剖面穩(wěn)定性分析

3.1.1 坡腳距空區(qū)(+616平臺)水平距離20 m

460 m中段充填后的剪應力和塑性區(qū)變化云圖見圖4、圖5?？梢钥闯觯涮詈髮ι喜坎蓤鲞吰聭退苄詤^(qū)基本上無影響，不會影響采場上部邊坡的安全。

圖4 剪應力云圖

圖5 等效塑性區(qū)應變云圖

開采至頂柱時的剪應力和塑性區(qū)變化云圖見圖6、圖7?？梢钥闯?，隨著空區(qū)上部頂板厚度的減小，應力的重新分布，上部卸載空區(qū)礦柱的應力值相對減少，由空區(qū)底部剪應力值3.77 MPa減至3.1 MPa。由于空區(qū)上部存在頂板，空區(qū)未直接暴露于邊坡坡腳，此時對采場邊坡安全無重要影響。

圖6 剪應力云圖

圖7 等效塑性區(qū)應變云圖

第一層采空區(qū)(520～570 m)考慮爆破震動的剪應力和塑性區(qū)變化云圖見圖8、圖9。可以看出，520～610 m(90 m高度)為垂直，空區(qū)上部頂板完全剝離，應力全部釋放，坡腳底部剪力值最大，采場東幫由于現(xiàn)狀邊坡位于空區(qū)上部，在崩落520 m礦柱時邊坡塑性區(qū)較大，塑性區(qū)發(fā)展趨勢已經(jīng)到達采場邊坡體內(nèi)部，下部滑坡會影響整個采場上部邊坡的穩(wěn)定性。

圖8 剪應力云圖

圖9 等效塑性區(qū)應變云圖

同樣A-A剖面距采空區(qū)40，60 m放坡時，邊坡塑性區(qū)較大，下部滑坡會影響整個邊坡的穩(wěn)定性。

3.1.2 坡腳距空區(qū)(+616平臺)水平距離80 m

由于采場上部邊坡未進行剝離，先對460 m中段空區(qū)充填，邊坡基本沒有變化，見圖10、圖11。

圖10 剪應力云圖

圖11 等效塑性區(qū)應變云圖

開采至頂柱時的剪應力和塑性區(qū)變化云圖見圖12、圖13?？梢钥闯觯捎诳諈^(qū)上部頂板的存在對采場邊坡的穩(wěn)定性無重要影響。與圖6、圖7相比，坡腳距空區(qū)水平距離加大，礦柱的應力值由0.7 MPa減至0.5 MPa。坡腳距空區(qū)水平距離加大，很大程度改變了邊坡應力傳遞的路徑。

第一層采空區(qū)(520～570 m)考慮爆破震動的剪應力和塑性區(qū)變化云圖見圖14、圖15。可以看出，520～610 m(90 m高度)為垂直，底部剪力值最大。隨著采空區(qū)上部邊坡坡腳距空區(qū)水平距離加大，底部最大剪力值相對減小，由3.49 MPa減至2.87 MPa。在采場東幫，由于現(xiàn)狀邊坡位于采空區(qū)上部，由上圖可以看出在崩落570 m礦柱時邊坡塑性區(qū)也較大，但塑性區(qū)發(fā)展趨勢在520～610 m，對上部邊坡影響較小，1～2個臺階有可能產(chǎn)生局部垮塌。圖9中塑性區(qū)趨勢向邊坡體內(nèi)部延伸，而圖15塑性區(qū)發(fā)展趨勢僅在邊坡體表面位置，說明坡腳距空區(qū)水平距離大于80 m時空區(qū)處理對邊坡的穩(wěn)定性影響較小。但隨著采空區(qū)下一步處理工藝的實施，應進一步剝離上部邊坡。

圖12 剪應力云圖

圖13 等效塑性區(qū)應變云圖

圖14 剪應力云圖

圖15 等效塑性區(qū)應變云圖

3.2 其余剖面臨近邊坡穩(wěn)定性分析

B-B、C-C、D-D剖面穩(wěn)定性分析同3.1章節(jié)A-A剖面研究思路一致，僅C-C剖面西部(采場西幫)處采場邊坡位于采空區(qū)上部，需要進行提前削坡處理。B-B、D-D剖面位置兩側(cè)地勢平緩，上部邊坡盡量遠離采空區(qū)即可。

3.3 剪應力變化分析

各剖面在不同坡腳距空區(qū)水平距離情況下空區(qū)底部剪應力變化見圖16。

圖16 空區(qū)底部剪應力變化

從圖16可以看出,各剖面剪應力隨著坡腳距空區(qū)水平距離加大,空區(qū)底部剪應力呈線性減小趨勢,4個剖面的剪應力變化率略有不同，可能和各剖面高度和巖體性質(zhì)不同有關。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)采場坡腳距空區(qū)不同水平距離，分別分析了采場各部位邊坡的應力應變狀態(tài)，得出了坡腳距空區(qū)的距離是影響上部邊坡穩(wěn)定的關鍵因素。

(2)從整個采場的4個工程地質(zhì)剖面有限元分析結(jié)果可以看出：520 m空區(qū)處理時，空區(qū)底部剪力值最大，隨著采空區(qū)上部放坡距離加大，底部最大剪力值相對減小，剪應力值和空區(qū)距坡腳的水平距離呈線性減小關系。

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互聯(lián)網(wǎng)風起云涌 鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)型帶來新機遇

2015年兩會期間，李克強總理政府工作報告對于“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出，彰顯互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略已上升至國家層面，模式也從全面應用到第三產(chǎn)業(yè)，正向第一和第二產(chǎn)業(yè)滲透。

對于產(chǎn)能過剩、惡性競爭、中間貿(mào)易商過多、利潤率低等諸多問題的傳統(tǒng)鋼鐵業(yè)，更是寄望于借助信息技術和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“生態(tài)融合”，打造“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)=互聯(lián)網(wǎng)鋼鐵業(yè)”，并希望這一跨界新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生，為鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)型帶來新的機遇。

有分析指出，加快鋼鐵工業(yè)化與互聯(lián)網(wǎng)化的深度融合必然給傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變革。鋼鐵電商促使的商業(yè)模式創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型，也會帶來鋼鐵產(chǎn)業(yè)采購模式、營銷模式、管理模式、盈利模式的深刻變化，提高整個產(chǎn)業(yè)鏈的運作效率。鋼鐵業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)“混血”，誕生出來的鋼鐵電商，正在不斷改變鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局。

太鋼不銹公司近日通過其互動平臺透露，目前已建立了自己的電子商務平臺，能夠為客戶提供鋼材加工物流配送全方位一站式服務，公司重點產(chǎn)品批量進入石油、化工、造船、集裝箱、鐵路、汽車、城市輕軌、大型電站、“神舟”系列飛船等重點領域和新興行業(yè)。南鋼股份是復星系下唯一的工業(yè)制造平臺，是全國精品板材生產(chǎn)基地，目前正開啟新常態(tài)下“鋼鐵+環(huán)保+互聯(lián)網(wǎng)電商平臺”轉(zhuǎn)型之路。日前公司公告擬投資5億元設立節(jié)能環(huán)保投資控股公司，實現(xiàn)公司“鋼鐵+節(jié)能環(huán)?！鞭D(zhuǎn)型升級發(fā)展。另外，復星國際年報中提到，在傳統(tǒng)行業(yè)嫁接移動互聯(lián)網(wǎng)的布局中，復星將打造“南鋼+金融+互聯(lián)網(wǎng)鋼材交易平臺+物流”、推動“南鋼+環(huán)保投資+保險+租賃”的環(huán)保轉(zhuǎn)型。

Research on the Influence of Golf Treatment to Slope Stability of the Upper Stope

Zhao Mengsheng1,2,3Diao Hu1,2,3Dai Yongxin1,2,3Li Ruzhong1,2,3Xiong Qihuan1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Ming Research Co., Ltd.;2.State Laboratory of Safety and Health for Metal Mines; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Recycle Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

At present, the research results of slope stability is fruitful, but the research results about the slope stability and the key factors of slope safety control of the mine which is changing from underground mining to open-pit mining are relatively few. According to the goaf treatment processes that the stope bottom goof is filled by waste rocks and the upper goaf is processed with caving isolated pillars, the influences of isolation pillars caving to slope foot stress release and the horizontal distance of the stope slope foot to goaf are analyzed. According to the development tendency of slope stress, strain and the plastic zone development, it show that, with the increase of the horizontal distance of the stope slope foot to goaf, the shear stress of the goaf bottom has the linear decrease trend;the horizontal distance of the stope slope foot to goaf is the key factor that influence the upper stope slope stability. The above results in this paper can provide some reference for slope strengthening during the process of changing from underground mining to open-pit mining.

Goaf, Slope, Finite element analysis, Plastic zone, Stability

2014-12-03)

趙蒙生(1982—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。