孫世國(guó) 宋騰飛 劉維東 肖 劍

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京100144；2.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100011）

在井工開(kāi)采轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采的過(guò)程中，前期井工開(kāi)采后采空區(qū)次生應(yīng)力場(chǎng)和露天開(kāi)采誘發(fā)的應(yīng)力場(chǎng)的演化都在不同程度地影響巖體邊坡［1-5］。由于井工開(kāi)采會(huì)影響坡體穩(wěn)定性，應(yīng)力場(chǎng)、各層覆巖順序也會(huì)隨之發(fā)生變化、巖體的整體強(qiáng)度會(huì)降低。這將直接影響到露天開(kāi)采形成的邊坡穩(wěn)定［6-11］。因此邊坡的安全性需要考慮井工開(kāi)采與露天開(kāi)采的綜合作用。本研究以紫金山金銅礦為背景，從地下采空區(qū)頂板厚度承載能力的可靠性出發(fā)探索側(cè)上部邊坡失穩(wěn)的可能性及安全生產(chǎn)與災(zāi)害控制問(wèn)題，從而預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

1 工程概況

紫金山金銅礦地勢(shì)復(fù)雜，礦床區(qū)海拔在500 m以上。初期采用露井聯(lián)采方式，后期完全露天開(kāi)采，據(jù)資料顯示高陡邊坡最大高差約為434 m。經(jīng)過(guò)前期的井工開(kāi)采，已經(jīng)形成的多個(gè)礦房海拔均在520 m左右。

邊坡地質(zhì)情況較為特殊，巖石結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化腐蝕，采場(chǎng)內(nèi)有多條較長(zhǎng)區(qū)域性斷層，形成羽狀結(jié)構(gòu)面100多條，節(jié)理裂隙分布密集且數(shù)量較大，這些影響因素都會(huì)干擾對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定性、完整性的判斷。

礦區(qū)主要由高達(dá)60%以上的中細(xì)?；◢弾r以及安玢巖、角礫巖組成。采場(chǎng)邊坡的巖體主要有塊狀、散體、鑲嵌等結(jié)構(gòu)。

2 不同頂板厚度沉降變形誘發(fā)西幫邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模擬分析法確定采空區(qū)頂板安全厚度

經(jīng)過(guò)前期調(diào)查審核確定金銅礦礦房跨度約為15 m，應(yīng)用幾種理論方法計(jì)算，得出的最小頂板安全厚度如表1所示，且厚度的平均值為13.83 m。安全頂板厚是按照平均跨度計(jì)算的，是為了滿足采空區(qū)最小跨度安全時(shí)所采用的的安全厚度，只能作為參考使用，且選取的安全厚度均要大于表1中幾種算法計(jì)算出的結(jié)果。由于采空區(qū)中跨度并不是均勻的，且跨度最大差值存在一定差距，平均值只能滿足較小跨度的安全，在大跨度時(shí)頂板安全厚度將不再滿足此值，故在選取時(shí)會(huì)選擇多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，才能界定出來(lái)較為安全的頂板厚度。故在下文選取了幾組不同頂板厚度進(jìn)行對(duì)比分析。

有限差分法的突出優(yōu)勢(shì)就是能夠較好模擬復(fù)雜巖體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，本文采用FLAC 3D對(duì)工礦進(jìn)行分析，研究了井工轉(zhuǎn)露天開(kāi)采下采空區(qū)不同頂板厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

圖1為井工采區(qū)與露天邊坡位置關(guān)系分布圖，井采區(qū)包含460 m中段和560 m中段（如圖2所示），表2為礦區(qū)各地層物理巖石力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)工程中實(shí)際礦房分布圖，模擬選取的地下采空區(qū)有較為明顯的特性，此區(qū)域也非常具有代表性，據(jù)資料顯示：礦房長(zhǎng)度為30～120 m，跨度為15 m左右。由于邊坡輪廓和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，采用MIDAS建立模型，導(dǎo)入FLAC 3D后進(jìn)行分析。計(jì)算模型范圍長(zhǎng)寬高為2 000 m×135 m×950 m。模型如圖3所示。

頂板破壞的形式一般拉伸破壞、剪切破壞2種形式。頂板發(fā)生剪切破壞的同時(shí)塑性區(qū)一般情況下也會(huì)貫通。

因露天開(kāi)采不斷延深，對(duì)礦房造成的損傷也會(huì)隨深度的不同而改變，現(xiàn)模擬采空區(qū)不同頂板厚度（68 m、56 m、44 m）并進(jìn)行塑性區(qū)破壞分析。從圖4中可以看出不斷向深部開(kāi)采的過(guò)程中頂板的厚度不斷減小下的塑性區(qū)破壞變化情況。剪切應(yīng)力塑性區(qū)分布也比較有特點(diǎn)，其主要分布在坡腳處以及礦柱周?chē)Ｆ履_與頂板兩端在露天開(kāi)采過(guò)程中會(huì)受到剪切應(yīng)力作用。頂板兩幫剪切塑性區(qū)區(qū)域大小與中間礦柱剪切塑性區(qū)呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)頂板厚度減小時(shí)，中間柱塑性區(qū)增加，坡腳塑性區(qū)則減小，主要原因是頂板厚度改變、自重減少導(dǎo)致受到的拉應(yīng)力減小。

隨著頂板厚度逐漸改變，頂板抗拉壓性能改變，承重能力變低，頂板中部的變形逐漸變大，最終塑性區(qū)貫通破壞。中間礦柱剪切塑性區(qū)增加。礦柱承受上部頂板的重力，且可以看出隨著頂板厚度的遞減坡腳剪應(yīng)力塑性區(qū)也在不斷減小，但頂板上剪應(yīng)力塑性區(qū)隨即開(kāi)始發(fā)生且發(fā)生區(qū)域也較有規(guī)律性，均發(fā)生在礦柱上方以及礦柱上方周?chē)?。從圖中可看出塑性區(qū)在貫穿過(guò)程中的延伸也具有較強(qiáng)規(guī)律性，塑性區(qū)從開(kāi)始發(fā)生到貫通破壞區(qū)都是從第1根礦柱、第2與第3根、第4與第5根上方產(chǎn)生斜裂紋，當(dāng)頂板厚度達(dá)到44 m時(shí)塑性區(qū)完全貫通即發(fā)生破壞。

當(dāng)頂板厚度為44 m時(shí)，頂板將發(fā)生斷裂破壞，厚度為56 m時(shí)，塑性區(qū)未貫通，所以最小安全厚度應(yīng)在44～56 m之間。通過(guò)厚度折減法在計(jì)算中不斷調(diào)整頂板厚度來(lái)得出最小安全頂板厚度，由圖4中頂板厚度44 m、45 m的剪切破壞塑性區(qū)破壞圖顯示，頂板厚度為45 m時(shí)塑性區(qū)未貫通，并由此確定頂板的最小安全厚度為45 m。

2.2 不同頂板厚度沉降變形誘發(fā)西幫邊坡穩(wěn)定性分析

圖5是露天開(kāi)采不斷延深，不同頂板厚度下水平應(yīng)力變化云圖。由于自重作用和地表荷載的作用，頂板將產(chǎn)生不同程度的彎曲。隨著露天開(kāi)采延深，地表的壓應(yīng)力也隨頂板厚度改變逐漸變小，這些壓力的改變也使得采空區(qū)頂部產(chǎn)生的拉應(yīng)力增大，拉應(yīng)力區(qū)域也由坡腳逐漸向礦柱密集處延伸，承受壓應(yīng)力的區(qū)域也逐漸從坡腳周?chē)幾兓降V柱正上方?？梢郧逦闯銎履_發(fā)生拉應(yīng)力的位置在改變，這也充分說(shuō)明了坡腳在逐漸改變

這是因?yàn)轫敯搴穸鹊母淖兪沟庙敯遄灾販p小的同時(shí)，開(kāi)采位置也在改變，頂板沉降的同時(shí)坡角的位置和坡腳都將發(fā)生改變，此時(shí)頂板與坡角之間的拉應(yīng)力逐漸減小，而對(duì)頂板的壓應(yīng)力也隨著局部坡腳的增大而增大。采空區(qū)域的頂板因受到較大壓應(yīng)力而破壞，這時(shí)斷裂使得側(cè)壁與邊坡成為一體，并導(dǎo)致坡角增大，坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中并產(chǎn)生剪應(yīng)力破壞，從而導(dǎo)致滑坡。

3 西幫邊坡穩(wěn)定性分析

圖6為頂板厚度由68 m到44 m西幫滑面圖。通過(guò)對(duì)比圖6中68 m、56 m、45 m、44 m 4種不同的頂板厚，可以看出隨著頂板厚度的不斷減小對(duì)邊坡的影響范圍也在逐漸擴(kuò)大。頂板厚度大小與影響范圍之所以呈負(fù)相關(guān)，是因?yàn)樵诰まD(zhuǎn)露天開(kāi)采時(shí)，隨著開(kāi)采深度逐漸加深，頂板周?chē)鷰r體發(fā)生不同程度的形變，頂板也將會(huì)發(fā)生不等距的沉降，頂板內(nèi)部彎矩、剪力等力學(xué)性能也發(fā)生相應(yīng)改變。且由于頂板厚度的減小，頂板剛度發(fā)生變化、承載能力減弱，較薄頂板會(huì)發(fā)生較大形變，會(huì)對(duì)坡腳周?chē)馏w產(chǎn)生較大影響，所以邊坡滑道位置也發(fā)改變。所以頂板厚度改變會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。

表3是不同頂板厚度下西幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，分析對(duì)比表中的數(shù)值可以得出，在井工轉(zhuǎn)露天開(kāi)采時(shí)，頂板的厚度與巖體邊坡的安全系數(shù)呈正相關(guān)，頂板厚度減小，安全系數(shù)也隨之遞減。在開(kāi)采深度逐漸延深，邊坡的安全系數(shù)改變，穩(wěn)定定性受到較大影響。當(dāng)頂板厚度達(dá)到45 m時(shí)安全系數(shù)也接近于1，此時(shí)西幫邊坡處于臨界狀態(tài)，即頂板厚45 m是最小的安全厚度。

4 結(jié) 論

以工程實(shí)例為背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了井工轉(zhuǎn)露天開(kāi)采工況下頂板厚度從68 m逐漸減小至44 m時(shí)頂板的安全性，以厚度折減法計(jì)算出45 m為頂板最小安全厚度，且經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證合理。同時(shí)研究了井工轉(zhuǎn)露天時(shí)不同頂板厚度對(duì)上部邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并得出當(dāng)頂板變薄時(shí)上部邊坡穩(wěn)定系數(shù)變小，以及隨著頂板變薄邊坡應(yīng)力場(chǎng)的演化特點(diǎn)，得出隨著頂板變薄坡腳處塑性破壞區(qū)增大，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小。因此在井工轉(zhuǎn)露天開(kāi)采過(guò)程中，為了確保安全生產(chǎn)需要確保頂板有足夠的厚度，避免作業(yè)設(shè)備和人員墜入老井采區(qū)及滑坡災(zāi)害發(fā)生。