孫世國 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）

在井工開采轉(zhuǎn)為露天開采的過程中，前期井工開采后采空區(qū)次生應(yīng)力場和露天開采誘發(fā)的應(yīng)力場的演化都在不同程度地影響巖體邊坡［1-5］。由于井工開采會(huì)影響坡體穩(wěn)定性，應(yīng)力場、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采與露天開采的綜合作用。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，后期完全露天開采，據(jù)資料顯示高陡邊坡最大高差約為434 m。經(jīng)過前期的井工開采，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)過長時(shí)間的風(fēng)化腐蝕，采場內(nèi)有多條較長區(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)行對比，才能界定出來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)行對比分析。

有限差分法的突出優(yōu)勢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對工礦進(jìn)行分析，研究了井工轉(zhuǎn)露天開采下采空區(qū)不同頂板厚度對邊坡穩(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。

因露天開采不斷延深，對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采的過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圍。坡腳與頂板兩端在露天開采過程中會(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圍處。從圖中可看出塑性區(qū)在貫穿過程中的延伸也具有較強(qiáng)規(guī)律性，塑性區(qū)從開始發(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。通過厚度折減法在計(jì)算中不斷調(diào)整頂板厚度來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)域也逐漸從坡腳周圍處變化到礦柱正上方。可以清晰看出坡腳發(fā)生拉應(yīng)力的位置在改變，這也充分說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。通過對比圖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)露天開采時(shí)，隨著開采深度逐漸加深，頂板周圍巖體發(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)對坡腳周圍土體產(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，分析對比表中的數(shù)值可以得出，在井工轉(zhuǎn)露天開采時(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，通過數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了井工轉(zhuǎn)露天開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)露天開采過程中，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。