熊金波 左小華 徐文彬3

（1. 江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院）

目前，我國(guó)許多露天礦隨著開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采的范圍越來(lái)越小，對(duì)礦山的生產(chǎn)能力約束越來(lái)越強(qiáng)，產(chǎn)量難以得到保證［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，露天開(kāi)采境界外礦體約占露天境界內(nèi)礦石儲(chǔ)量的5%～16%，回采這部分礦石對(duì)保證礦山產(chǎn)量和延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限具有重要意義，而開(kāi)采境界外礦體時(shí)保證高陡邊坡的穩(wěn)定性是此類(lèi)礦山所需解決的問(wèn)題［2］。境界外礦體開(kāi)采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要為爆破擾動(dòng)、采空區(qū)應(yīng)力釋放［3-4］。

礦體開(kāi)采將導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布和部分巖體應(yīng)力集中，同時(shí)邊坡的穩(wěn)定性也因礦體開(kāi)采而降低［5］。數(shù)值模擬是解決礦山巖石力學(xué)問(wèn)題的一種常用手段，馮帆等［6］使用FEM/DEM 數(shù)值模擬軟件，以山東黃金紅嶺鉛鋅礦為背景，研究巷道在無(wú)結(jié)構(gòu)面、不同結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度以及側(cè)壓系數(shù)時(shí)巷道采動(dòng)破壞行為；何環(huán)莎等［7］聯(lián)合使用Midas 和Flac3D對(duì)4 種礦柱形狀進(jìn)行模擬分析，根據(jù)結(jié)果選擇圓形礦柱；胡高建等［8］采用Mathews 穩(wěn)定性圖解法研究了紅嶺礦房上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性，進(jìn)行了區(qū)域穩(wěn)定性劃分；張欽禮等［9］基于尖點(diǎn)突變理論和頂板-礦柱失穩(wěn)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，研究礦山失穩(wěn)機(jī)理且對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析；趙興東［10］采用極限跨度法等理論方法驗(yàn)算隔離礦柱尺寸，根據(jù)修正方案應(yīng)用Flac3D對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算；任玉鳳等［11］采用DDA 研究誘導(dǎo)冒落法回采海南鐵礦掛幫礦，為礦體安全開(kāi)采和邊坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)提供技術(shù)支持；王熙忠［12］利用ANSYS 分析寶日希勒露天礦邊坡穩(wěn)定性，優(yōu)化了邊坡參數(shù)；趙強(qiáng)等［13］應(yīng)用ANSYS模擬不同采礦方法開(kāi)采對(duì)邊坡和隔離帶的影響，選擇了整體安全系數(shù)較高的上向水平分層充填法。

基于上述研究成果，結(jié)合永平銅礦西部凸型邊坡，且礦體由南往北與邊坡的距離逐漸減小至出露邊坡的賦存條件，采用有限元模擬軟件ANSYS 對(duì)其開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，探究開(kāi)采不同中段時(shí)空區(qū)群和邊坡的穩(wěn)定性，以期為相似的露天境界外礦體開(kāi)采提供參考。

1 工程概況

隨著開(kāi)采年限的逐漸增加，永平銅礦礦區(qū)露天境界逐漸接近終了境界，露天礦場(chǎng)維持出礦量的難度越來(lái)越大，因此，需開(kāi)采境界外西部邊坡下的礦體以維持礦山產(chǎn)量和延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限。

西部邊坡為凸型高陡邊坡，走向北偏西，境界外礦體走向北偏東，長(zhǎng)度約626 m，傾向南東，傾角約51°～72°，礦體厚度最小為4.2 m，最大為22.57 m，平均為10.21 m。礦體圍巖為混合巖，礦巖總體穩(wěn)固性屬中等，深部坑道系統(tǒng)地質(zhì)條件總體較好。因邊坡走向北偏西，而礦體走向北偏東，即采場(chǎng)邊坡處境界礦柱寬度往北逐漸減小，并且邊坡凸出位置位于W4～W7 采場(chǎng)處，該部分采場(chǎng)所對(duì)應(yīng)邊坡的傾角相應(yīng)增加，如圖1所示。為了研究境界外礦體空區(qū)群和西部邊坡的穩(wěn)定性，擬采用ANSYA 軟件對(duì)開(kāi)采礦區(qū)西部盤(pán)區(qū)0，+50，+100和+150 m階段進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 模型的建立

根據(jù)Ⅳ掛幫礦賦存條件圈定模擬范圍1 200 m×800 m（長(zhǎng)×寬），而后依據(jù)范圍內(nèi)邊坡高程點(diǎn)圖，聯(lián)用Surfer 和Rhino 建立邊坡三維曲面模型，設(shè)置下部邊界為-200 m，上部邊界為坡面，建立邊坡幾何模型。根據(jù)1～13 勘探線(xiàn)剖面圖建立Ⅳ礦體，而后沿礦體傾角劃分上下盤(pán)，接著將礦體-200～0 m 部分設(shè)定為充填體，將各模型的材料屬性賦予各部分，材料屬性如表1所示。然后對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制生成礦體單元邊長(zhǎng)為2 m，其余部分邊長(zhǎng)為20 m，采用自由劃分方式劃分網(wǎng)格，數(shù)值模型如圖2所示。將地應(yīng)力沿東西向、南北向進(jìn)行正交分解后施加至有限元模型相應(yīng)面，以側(cè)面和底部為邊界，限制側(cè)面和底部位移，最后施加g=9.81 m/s2的重應(yīng)力。

表1 材料巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 開(kāi)采順序

有限元數(shù)值模擬開(kāi)采順序按照永平銅礦所采用的分段嗣后充填采礦法的開(kāi)采方案進(jìn)行，即從0 m 中段向上依次開(kāi)采+50，+100，+150 m 中段，根據(jù)Ⅳ礦體開(kāi)采爆破動(dòng)載安全分析結(jié)果，將在0 和+50 m中段布置W0～W9 采場(chǎng)，+100 m 中段布置W0～W8 采場(chǎng)，+150 m 中段布置W0～W6采場(chǎng)?；夭傻V房時(shí)留設(shè)間柱，間柱寬度為4 m，位于穿脈巷道上方，礦房不留設(shè)頂?shù)字?/p>

4 數(shù)值模擬分析

4.1 應(yīng)力分析

開(kāi)采0，+50，+100，+150 m 階段時(shí)的最大主應(yīng)力分別為26.7，20.9，22.4，25.2 MPa。由于篇幅有限，此處僅展示0 m 中段W0～W9 部分采場(chǎng)及4 個(gè)中段W4采場(chǎng)的邊坡應(yīng)力分布情況，分別如圖3和圖4所示。

由圖3 可以看出，在開(kāi)采0 m 中段W0～W9 采場(chǎng)時(shí)，邊坡應(yīng)力變化較小，最大值為2.96 MPa。由于西部邊坡為凸型邊坡，坡度由南往北呈先增加后減小的趨勢(shì)，邊坡處應(yīng)力相應(yīng)地也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。采場(chǎng)頂板靠西側(cè)與采場(chǎng)底板靠東側(cè)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大為26.7 MPa。由于Ⅳ礦體總體走向北偏東，西部邊坡走向北偏西，由南往北采場(chǎng)越來(lái)越靠近邊坡，且邊坡高度由W0 采場(chǎng)處開(kāi)始先增加，至W5采場(chǎng)處向北逐漸減小，各采場(chǎng)隨著走向由南往北應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱，采空區(qū)和邊坡穩(wěn)定性也增加。

由圖4可知，開(kāi)采各中段的W4采場(chǎng)時(shí)，邊坡部位應(yīng)力相差較小，所受壓應(yīng)力σc=0～5.9 MPa。采場(chǎng)頂?shù)装逄幊霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板處應(yīng)力為20.9～26.7 MPa，底板處應(yīng)力為6.95～8.89 MPa，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力集中分布范圍隨著開(kāi)采高度的增加而減小。

4.2 位移分析

開(kāi)采0，+50，+100，+150 m 階段時(shí)的最大位移都在邊坡靠近坡頂處，分別為0.117，0.113，0.115 和0.164 m。由于篇幅有限，位移分析僅展示0 m中段部分采場(chǎng)及對(duì)應(yīng)坡面的變形規(guī)律，如圖5所示。

由圖5 可知，采場(chǎng)邊坡臨近坡面處位移ε＞0.1 m的分布范圍由南往北呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槲鞑窟吰缕马斘挥赪4 采場(chǎng)上方，邊坡由南往北于東西方向的坡度先增加后減小，在自重應(yīng)力場(chǎng)中邊坡位移量隨著坡度的增加而增大，當(dāng)由南往北開(kāi)采至W7 采場(chǎng)時(shí)，邊坡處εmax＜0.1m。采場(chǎng)上覆巖層高度和采場(chǎng)與邊坡的位置關(guān)系對(duì)采場(chǎng)圍巖變形影響較大，采場(chǎng)圍巖變形量和頂板處較大變形分布面積由南往北呈先增加后減小的趨勢(shì)，規(guī)律與邊坡高度變化情況相符，最大位移量為0.095 m；同時(shí)可知，在覆巖高度逐漸減小時(shí)，采場(chǎng)頂板處圍巖變形量大小和分布范圍基本不變，這是因?yàn)椴蓤?chǎng)與邊坡的距離隨著向北延伸而逐漸減小。

各中段W4采場(chǎng)邊坡變形規(guī)律如圖6所示，可知，采場(chǎng)階段高度對(duì)邊坡位移具有較大影響，主要表現(xiàn)為大位移分布范圍隨著采場(chǎng)階段高度的增加而減小，同時(shí)邊坡變形由坡頂垂向下沉逐漸轉(zhuǎn)向沿邊坡傾向向下，這是由于采場(chǎng)隨著階段高度的增加而逐漸向西偏離頂部坡頂。同時(shí)，采場(chǎng)圍巖位移量隨著開(kāi)采高度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，最大為0.09 m。

5 結(jié) 論

（1）開(kāi)采同一中段的不同采場(chǎng)時(shí)，邊坡處應(yīng)力由南往北呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，采場(chǎng)頂板靠西側(cè)與采場(chǎng)底板靠東側(cè)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，各采場(chǎng)應(yīng)力集中現(xiàn)象沿走向由南往北也呈先增加后減小的規(guī)律，采空區(qū)穩(wěn)定性也相應(yīng)變化；在自重應(yīng)力場(chǎng)中邊坡位移量大的部位集中在坡頂位置，采場(chǎng)上覆巖層高度和采場(chǎng)與邊坡的位置關(guān)系對(duì)采場(chǎng)位移量影響較大，采場(chǎng)圍巖位移大小和頂板處較大位移分布范圍由南往北呈先增加后減小的趨勢(shì)，規(guī)律與邊坡高度變化情況相符。

（2）開(kāi)采同一位置不同階段的采場(chǎng)時(shí)，邊坡部位應(yīng)力相差較小，采場(chǎng)頂?shù)装逄帒?yīng)力集中范圍隨著開(kāi)采高度的增加而減??；大位移分布范圍隨著采場(chǎng)階段高度的增加而減小，同時(shí)邊坡位移方向由坡頂垂直向下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠剡吰聝A向傾斜向下。

（3）對(duì)0 和+50 m 中段W0～W9 采場(chǎng)、+100 m 中段W0～W8 采場(chǎng)以及+150 m 中段W0～W6 采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果收斂且未發(fā)生失穩(wěn)大變形，即開(kāi)采上述采場(chǎng)可保證邊坡和采場(chǎng)穩(wěn)定。