露天转地下房柱法开采扰动下采场稳定性研究①

王孟来， 李小双， 王运敏， 李启航

（1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 昆明 650600； 2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000； 3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；4.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；5.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

目前大部分露天磷矿山已转入深凹开采阶段，矿山进入深凹开采阶段后，采场不断拓展延伸，导致运输效率降低［1］；边坡堆积高度逐渐增加，导致边坡有效管理和后期维护愈加困难。 矿山由露天开采转入地下开采后，采场上覆岩体变形和力学行为复杂化给矿山地压管理与安全生产带来严峻挑战［2］。 因此有必要对露天开挖形成的终了边坡与地下开采耦合作用下的岩体非线性变形机制进行研究。

虽然国内外科研工作者围绕露天转地下开采展开了大量卓有成效的研究工作［3－6］，但大都集中于露天边坡稳定性、境界矿柱厚度及隔离层厚度选取等方面［7－9］，对于露天终了边坡与地下采场围岩在房柱法开采扰动下的相互作用研究较少。 本文结合FLAC3D数值模拟与相似材料模拟试验，对坡高300 m 矿山采用房柱法以三阶段开采的方式，获得各测点位移数值变化曲线，分析露天终了边坡与地下采场围岩之间的关联性。

1 相似模拟实验模型设计

1.1 相似系数

模拟实验在3.0 m×0.30 m×2.0 m（长×宽×高）规格的大型多功能平面模拟实验装置内展开，基于相似定理确定相似系数如下：

1） 模型几何相似系数：αL＝1/200；

2） 时间相似系数：αt＝≈1/14.1；

3） 容重相似系数：αr＝0.64；

4） 其他相似系数：强度比ασ＝1/312.5，外力比αp＝8×10－8，弹模比αE＝1/312.5，泊松比αμ＝1。

5） 模拟试验以工程实际情况为准则，模型与原型的支撑条件、约束情况、边界条件等外界条件保持相似性。

1.2 相似材料选取与参数确定

依据矿山实际地质条件，基于以上要求，选取细河砂为本次模拟的主要材料、碳酸钙和石膏为胶结材料、硼砂为缓凝剂、云母粉为分层材料。 水泥、锯末粉、塑料、机油作为本次试验的辅助性材料。 云南晋宁周边典型缓倾斜薄至中厚磷矿床各岩层的相似材料配比参数见表1。 铺设完毕后的300 m 边坡相似模型见图1。

图1 铺设完毕后的300 m 边坡相似模型

表1 相似材料配比参数

1.3 模型开采方案

根据矿山工程经验，以房柱法沿矿体倾向划分24 m厚度的境界矿柱，然后沿矿体倾向依次划分矿房矿柱，每划分矿柱10 m，留设6 m 连续矿柱进行采场支护。相似模拟试验将整个开采区域划分为3个开采阶段，每个阶段包含7个矿房开采和6个矿柱回采，相邻开采阶段以15 m 的阶段矿柱为间隔，开采顺序从第一阶段开始，开采方式沿矿体倾向每2 h 开挖一次矿房，开挖完后再进行矿柱回采，每一阶段矿柱回采完毕后进行下一阶段矿体开挖。 每一次矿房或矿柱开挖记为一次开挖步，便于后面位移分析。 矿体空间系统图如图2 所示。

图2 矿体开挖空间系统图

1.4 监测点布置

如图3 所示，采用PhotoInfor 和PostViewer 数字照相测量系统对相似模型各岩层应力和位移进行监测，共8个应力监测点，主要分布在露天边坡和采场上方位置。 沿矿层倾斜法线方向在顶板均匀布置5 条位移观测线（1～5），共30个观测点。 顶板起始观测线到采场的垂直距离为20 cm（实际矿山工程中为20 m），随后顶板观测线沿法线方向距采场垂距以长度20 cm 依次增加（L1～L6）。

图3 应力及位移监测点布置图

2 相似模拟试验结果

2.1 采动影响下采场覆岩应力分布特征

各阶段开挖与回采应力变化情况见图4。 由图4可知，矿山由露天转入地下开采后，边坡岩体及采场覆岩受到地下矿体的开挖扰动，第一阶段开挖时，边坡受到压应力，随着开采推进，压应力线性增大；第二阶段开挖时，边坡受到压应力继续增大，但增幅小于第一阶段；第三阶段开挖时，第二阶段采场顶板发生大范围垮塌造成采场应力急剧调整，第10 步到第13 步开挖压应力值减小，直至维持在某一固定值水平。

图4 各阶段开挖与回采应力变化

2.2 采动影响下位移变化特征

各阶段开挖与回采垂直位移情况见图5。 由图5可知，第一阶段采场开挖完后，采场上方顶板覆岩出现不同程度下沉，且测线1 上各测点受采动影响最大，其他测线各点竖向位移变化不大。 第二阶段采场开挖完后，在第一阶段开采扰动基础上，继续受到二阶段矿体开挖扰动，其覆岩垂直下沉量持续增加。 第二阶段采场覆岩竖向位移量整体大于第一阶段，测线3 处竖向位移量变化更为明显。 第三阶段采场矿体开挖完后，上覆岩层继续受到开挖扰动力的作用，由非充分采动阶段发展到较为充分采动阶段，竖向位移进一步增加。 位于第三阶段采场中部上方的测线5，最大竖向位移为－5.62 mm，对应于实际工程最大竖向位移值为112.4 cm。

图5 各阶段开挖与回采垂直位移曲线

2.3 采动影响下矿体变形破坏特征

各阶段回采过程采场覆岩变形情况见图6。 第一阶段矿房开挖完后，采场整体稳定，上覆岩层未出现裂纹，随着第一阶段矿柱回采逐步进行，采场顶板岩体开始小范围冒落，且裂缝带高度不断向上发展。 到第二阶段矿房开挖，采场覆岩较第一阶段整体下沉更明显，且采场中部上覆岩体出现零星的小范围裂隙带，但裂隙带未发生贯通。 第二阶段矿体全部开挖完后，第二阶段采场上覆岩层出现一定程度的弯曲下沉。 第三阶段矿柱全部回采完毕后，第一、二阶段覆岩层及顶板弯曲程度加剧，直至发生垮塌，采场覆盖破坏形式最终呈现出“拱”形。

图6 各阶段回采过程采场覆岩变形情况

3 FLAC3D数值模拟

3.1 三维建模

300 m 边坡模型尺寸水平方向长度600 m，走向方向长度300 m，垂直方向高度450 m，整个模型共包含623 934个节点和603 550个单元。 坡高300 m 露天转地下开采三维模型如图7 所示。

图7 坡高300 m 露天转地下开采三维模型

3.2 数值模拟岩体力学参数确定

本次数值模拟所使用的岩体力学参数见表2。

表2 数值模拟岩体力学参数

3.3 数值模拟监测点布置

为了便于数据处理和计算结果分析，需要对模型关键节点进行位移监测。 与相似模拟试验监测点相对应，共设置了8个监测点，分别位于露天终了边坡的坡顶、坡腰和坡脚及地下采场各开采阶段和间柱中部，具体布置见图8。

图8 数值模拟监测点布置平面图

3.4 数值模拟结果分析

3.4.1 应力演化规律

露天转地下开采不同开采阶段应力分布规律如图9所示。 由图9可知，第一阶段矿体开挖完后，最大垂直应力仅出现在采空区前端，其值为20.3 MPa，采空区顶板垂直应力为4.1 MPa。 第二阶段矿体开挖完后，采场范围扩大导致采场顶板应力进一步释放，应力降低区域的范围也进一步扩大，最大垂直应力出现在回采区前后两端，为31.8 MPa，且范围和大小相较第一阶段有所增加，此时采场顶板最大垂直应力为3.8 MPa。第三阶段矿体开挖完成后，采场顶板应力相较第二阶段进一步释放，应力降低区域的范围也在动态前移，最大垂直应力为43.0 MPa，仅出现在第二个阶段矿柱的右下侧，采场顶板最大垂直应力为4.8 MPa。

图9 各阶段矿体开挖后应力分布

3.4.2 位移变化规律

露天转地下开采不同开采阶段位移变化特征如图10 所示。 图10 表明，第一阶段矿体开挖完后，采空区最大垂直位移沉降为34.3 cm，边坡坡脚处最大向上位移量为15.0 cm。 第二阶段矿体开挖后，最大垂直位移相较第一阶段有一定幅度增加，达到70.5 cm，且采场顶板位移沉降最大点位置有一定程度前移，位移沉降范围进一步扩大，此时露天转地下开采边坡坡脚向上位移量为12.3 cm。 第三阶段矿体开挖完后，最大垂直位移沉降相较第二阶段大幅增加，且由于矿层存在一定倾角，最大位移沉降点位置偏离第二阶段采空区中部向下，达到113.3 cm，此时第一阶段和第二阶段采空区由于受到第三阶段矿体开挖扰动，位移沉降进一步增加，达到比较充分的采动阶段，采场顶板可能出现离层、冒落和垮塌，此时边坡坡脚处向上位移量为12.5 cm。

图10 各阶段矿体开挖后位移变化

3.4.3 塑性区分布规律

露天转地下开采不同开采阶段塑性区分布情况如图11 所示。 图11 表明，第一阶段矿体开挖完后，塑性区主要分布在采场四周，此时采场中部因矿体开挖卸荷而受到拉应力作用，塑性区主要表现为张力破坏，两端则因受到剪切应力，塑性区表现为剪切破坏，同时，坡脚存在少量零星的张拉破坏塑性区。 第二阶段矿体开挖完后，塑性区已经发育至边坡临空面，此时整个地下采场处于一个比较危险的临界失稳状态。 到第三阶段时，第一阶段采场塑性区已经发育充分，已贯通至边坡临空面，此时整个地下采场及边坡体已处于失稳状态，第一阶段采场上覆岩体很可能会受到外界轻微的扰动而发生垮塌进而导致多米诺骨牌效应，造成整个采场及边坡失稳垮塌。

图11 各阶段矿体开挖塑性区分布

4 讨 论

1） 在相同地质赋存条件下，露天转地下开采边坡坡高300 m 时，三阶段矿体开挖后，数值模拟得出的顶板最大竖直位移沉降值为113.3 cm，相似模拟试验测得的最大竖直位移沉降值为－5.62 mm（对应的实际工程最大竖直位移沉降值为112.4 cm），结果大致吻合。

2） 数值模拟与相似模拟试验结果均表明，随着采空区范围逐渐增大，采场覆岩受采动影响区域也随之扩大，采场上覆岩层最大位移沉降值及采动影响带（裂隙带和垮塌带）均线性增大，且随着矿体开挖推进而动态前移。

3） 在相似模拟试验中，采场覆岩的破坏形式从采空区直接顶板开始，先是覆岩下沉弯曲，产生零星裂缝带，然后裂缝带发生贯通导致其下方岩体冒落破坏，并逐步向深部岩层发展，最终覆岩变形破坏形式呈现出“拱”形。 这与数值模拟中采场覆岩位移云图呈现的“拱”形相对应。

5 结 论

1） 通过现场勘查取样和岩石力学试验得到该磷矿床各主要岩层岩石力学参数。

2） 采场内部应力随着矿体开挖推进不断进行重新分布，并持续沿矿层倾向向前方岩体动态转移，在前方形成应力增压区，最终达到新的平衡。 三阶段矿体开挖完后，采场覆岩位移沉降值随距采场垂距增加而减小，最终位移云图呈现出“拱”形。

3） 坡高300 m 时，在相同地质赋存条件下，相似模拟试验测得的顶板最大竖直位移沉降值与数值模拟计算结果基本相同。 露天转地下三阶段开挖时，后一阶段矿体开挖会对前一阶段已开挖采场覆岩应力场、位移场及变形破坏场产生影响。