尖山铁矿西北帮岩体及地表移动范围预测研究
时间：2023-06-16 19:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈树林，朱志岗，李世彬，马涛，董秋平，杨八九
(1.攀钢集团矿业有限公司， 四川 攀枝花市 617063；
2.昆明理工大学 国土资源工程学院， 云南 昆明 650093；
3.云南亚融矿业科技有限公司， 云南 昆明 650093)
攀枝花铁矿尖山采场于近期由露天采矿转为地下开采。在完全转入地下采矿之前，计划先回采露天边帮下部 1300～1330 m标高的挂帮矿和海拔1200～1300 m矿体。露天坑西北边帮顶部和西侧有一条沥青公路，即倮密路。挂帮矿及其下部北倾矿体回采引发的岩体移动破坏可能对倮密路稳定性产生不利影响，进而影响其安全运营。在预测岩体移动范围方面，广泛使用工程类比法[1]、计算方法[2-3]、现场监测技术等方法和手段。具体到地采岩移研究也有诸多方法和成果[4]，如网格积分法分析岩体移动[5]；
用遗传规划方法确定岩体移动参数[6]；
研究地形对岩体移动的影响[7]；
用 Fuzzy数学理论分析岩体移动[8]；
用神经网络理论分析地表下沉[9]；
采用模拟试验方法确定岩体移动极限角[10]；
研究岩体移动的动态过程[11]；
采用经典力学理论分析岩体移动的蠕变问题[12]；
地下开采引起的大范围岩体移动问题[13]；
山区厚矿层开采引起的岩体移动规律[14]；
用模糊-遗传规划理论分析岩体移动[15]；
文献[16]和文献[17]提出一种新的三维影响函数公式并用于分析急倾斜矿体开采岩体移动问题。上述方法中，有的需要工程技术人员具有丰富的经验，有的需要大量的监测数据，还有的方法涉及到诸多难以精确测定的岩石物理力学参数。
结合现场条件，先分析现状西北帮边坡的稳定性，然后采用FLAC3D、3DEC和相似材料模拟试验研究回采挂帮矿与标高 1200～1300 m 的 Ⅴ#和ⅤI#矿体过程中，露天边坡的稳定性及岩移对倮密路段稳定性的影响。
国内学者采用了多种方法对边坡稳定性进行了研究。这些方法分为定性和定量两大类。定性分析方法有地质分析法、工程地质类比法、图解法和边坡稳定专家系统。定量分析方法有极限平衡法、数值分析法、破坏概率计算法等。其中，极限平衡法包括普通条分法、改进条分法、瑞典条分法、Bishop法、SarmaSK法、Janbu法、Morgensterm-NR和 price ⅤE等方法[18-19]；
数值分析法又包括有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）、无界元法（IDEM）[20]、离散单元法（DEM）、快速拉格朗日分析法（FLAC）、不连续变形分析法（DDA）、有限差分法（FDM）、数值流形元法（NMM）和块体理论（BT）[21-22]。在分析边坡稳定性时，又有模糊综合评判法、模式搜索法、人工神经网络分析法（ANN）、遗传算法、模拟退火法、反分析法、可靠度评价法和灰色系统评价法等不确定性分析方法。不同矿山具有不同的地质条件，因而有丰富经验的地质工作者才能用好工程地质类比法。本文主要使用图解法对矿山露天开采闭坑、地下开采之初的西北帮边坡稳定性进行分析。
图解法用于边坡稳定性分析，具有简单、快速、直观的优点，根据分析可知：露天坑西北帮边坡安全系数在1.0～1.1之间，坡高为392 m，坡角为47°，边坡面倾向为142.901°，边坡岩性为流层状辉长岩（ω1），节理裂隙发育。
根据尖山铁矿露天采场的实际情况，确定了 9个调查点。其中，9#调查点位于西北帮边坡1325 m标高。9#调查点处共调查了7.78 m岩体，共获得63条结构面，结构面平均间距为0.22 m。共有三组优势结构面。第一组结构面倾向为250°～270°，平均为 260°，倾角为 70°～90°，平均为 80°；
第二组结构面倾向为 260°～280°，平均为 270°，倾角为 60°～80°，平均为70°；
第三组结构面倾向为13°～47°，平均为 30°，倾角为 40°～76°，平均为 55°。9#调查点结构面极点等密度图如图1所示。
图1 9#点结构面极点等密度图
将该处优势结构面和坡面运用赤平极射投影方法分析，结果如图2所示。从图2可以看出，结构面L1、L2和L3与开挖边坡面斜交，边坡处于基本稳定状态；
就结构面组合作用而言，两结构面L1、L2和L3的投影大圆的交点位于开挖边坡面投影大圆的内侧，因而结构面组合交线的倾角比开挖边坡面的倾角缓，整体边坡处于稳定状态。因此，该段边坡岩体的优势结构面有利于边坡的稳定。
图2 西北帮边坡赤平极射投影图
2.1 基于有限单元法数值模拟分析其边帮稳定性
FLAC3D广泛应用于采矿、土木、交通、水利等行业的复杂岩土工程数值分析和计算。根据尖山矿区地形地质图及中段平面图构建模型，模型以X为正东方向，长为1100 m；
以Y为正北方向，宽为650 m；
以Z为竖直方向，高为1150 m。地形和建模范围如图3所示。
图3 模型建立范围（尖山矿区地形地质图）
计算所采用本构关系及模型假定如下：岩层材料采用摩尔－库仑本构模型；
选取摩尔－库仑强度准则；
地层的应力应变均在弹塑性范围内变化；
结构材料采用线弹性本构关系。模型边界设定为：地表为上边界，以X轴为法线的立面为左右界面，以Y轴为法线的立面为前后界面，以Z轴为法线的立面为上下界面。模型上表面设为自由边界，其他 5个面都施加位移约束。岩体及断层物理力学参数根据前期室内、外岩石力学试验确定，计算参数见表1。
数值计算方案为：第1步计算原始地形下的稳定性；
第2步计算现状边坡的稳定性；
第3步开采挂帮矿；
第4步按不同顺序回采标高1280～1300 m矿体；
第5步开采1200～1280 m矿体；
第6步在设计保安矿柱的基础上，分5次逐步缩小保安矿柱尺寸进行计算。
计算结果显示，在原始地形和现状边坡的工况下，采场内的位移以开挖后的回弹位移为主，边坡不发生大变形，亦不发生破坏。开挖完挂帮矿，边坡岩体的变形和位移呈现如下特征：西北帮边坡出现位移，北部公路位置位移量约0～4 m，开采后矿体上盘边坡岩石移动角在50°～55°之间；
上盘边坡很大区域出现了塑性区；
南帮边坡位于矿体的下盘且边坡较缓，没有出现位移和塑性区；
西侧受断层阻隔作用，坡体移动破坏没有向西越过F317断层。说明 1300 m以上挂帮矿的开采会导致西北帮边坡的破坏，影响到公路的安全；
西侧公路稳定性不受影响；
南帮边坡处于稳定状态。1280～1300 m矿体开采完毕后的岩石移动情况和采完挂帮矿的变化不大。岩石移动主要发生在矿体上盘，北边岩石移动角在55°～60°间；
西边受断层F316和F317的隔断影响，西边没有发生较大垮塌；
南帮边坡处于稳定状态。地表沉降位移如图4所示。
图4 Z方向位移等值线与公路位置关系
2.2 基于离散单元法分析其边帮稳定性和岩移范围
岩体包含岩块和节理裂隙。岩体变形由岩石材料变形和岩体结构错动变形两部分组成，后者变形量大于前者。3DEC（三维离散单元法程序）是一款以离散单元法为基本理论，模拟离散介质力学行为的计算分析软件，可用于岩体移动、变形和破坏研究。
此处着重考查尖山采场露天坑西北边坡及坡顶回头弯附近岩体受采动影响下的稳定性，分别以Ⅴ#剖面、27#剖面，以及穿过倮密路回头弯、走向为142.901°、长度为931.69 m的新切剖面为地质原型，构建数值模型。矿区平面和剖面位置见图5。
图5 离散元建模剖面布置
矿区上盘为流层状辉长岩，下盘为细粒辉长岩，矿体分为Ⅴ#、ⅤI#、ⅤIII#，ⅤII#矿体品位较差，为流层状辉长岩夹层。离散元数值模拟试验中使用的岩体力学参数和节理力学参数由课题组根据前期现场调查、室内岩石力学试验，结合矿山前期相关研究报告中的岩石和岩体力学参数综合分析确定，详见表2和表3。
表2 节理力学参数
表3 岩石力学参数
《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）中规定：采空区公路地基稳定性评价标准应根据公路工程地基容许变形值确定。以采空区公路地表水平变形作为指标对公路稳定性和岩移范围进行分析，即公路路基水平变形大于6 mm/m时，公路不可以再使用；
水平变形大于6 mm/m的云图区域为岩体岩移范围。
2.2.1 Ⅴ#剖面为地质原型构建数值模型
以Ⅴ#纵剖面为地质原型的数值模型，分8步开采 Ⅴ#矿体和 ⅤI#矿体。Ⅴ#矿体在 1400 m 以上的部分作为缓冲垫层，不予开采。数值模型见图6。按计划开挖完毕后的结果见图7。Ⅴ#剖面模型块体长度为 25 m，在 Ⅴ#剖面的模型中，查找距离边坡最远且相邻块体间距大于0.15 m时西侧块体的坐标，以该块体所在位置坐标作为边坡岩移破坏范围的边界。剖面开挖导致地表塌陷范围见图8。由图8可知，西侧公路路基发生轻微的变形，由于断层的存在对岩移具有阻隔作用，开采1200 m以上矿体，Ⅴ#勘探线方向上的岩移并未对西侧公路造成破坏。
图6 V#纵剖面模型
图7 V#纵剖面按计划开挖完毕后岩体移动
图8 V#剖面开挖导致地表塌陷范围
2.2.2 27#剖面为地质原型构建数值模型
以27#勘探线剖面为地质原型的数值模型，分5步开采 Ⅴ#矿体和 ⅤI#矿体。Ⅴ#矿体在 1380 m 以上的部分作为缓冲垫层，不予开采。数值模型见图9。按计划开挖完毕后的结果见图10。27#剖面模型块体长度为20 m，查找距离边坡最远且相邻块体间距大于0.12 m时西侧块体的坐标，以该块体所在位置坐标作为边坡岩移破坏范围的边界，分析结果见图11。27#剖面构建的模型在回采过程中会导致倮密路周围岩体发生 2.08～23.13 m的水平位移，路面最终将产生累计0.73 m宽的张拉裂缝，该公路在这种情况下将被破坏。
图9 27#剖面模型
图10 27#剖面模型按计划开挖完毕后岩体移动
图11 27#剖面开挖导致地表塌陷范围
2.2.3 新切剖面为地质原型构建数值模型
新切剖面走向为142.901°，与露天坑西北帮走向垂直。以新切剖面为地质原型的数值模型，分 4步开采 Ⅴ#矿体和 ⅤI#矿体。Ⅴ#矿体在 1330 m 以上的部分作为缓冲垫层，不予开采。数值模型见图12。按计划开挖完毕后的结果见图13。在新切剖面的模型中，查找距离边坡最远且相邻块体间距大于0.06 m时西侧块体的坐标，以该块体所在位置坐标作为边坡岩移破坏范围的边界，模拟结果见图14。根据新切剖面构建的模型，在回采过程中会导致倮密路周围岩体发生0.05～6.76 m的水平位移，路面将产生张拉裂缝，倮密路在这种情况下将被破坏。
图12 新切剖面模型
图13 新切剖面模型按计划开挖完毕后岩体移动
图14 新切剖面开挖导致地表塌陷范围
根据以上3个剖面的计算结果，在尖山采场平面图中圈定回采 1200～1300 m矿体和挂帮矿，按设定的开挖步骤圈定岩石移动范围，如图15所示。
由图15可知，黄色加粗线段为不留矿柱情况下回采至 1300 m的岩石移动范围，线段西部与F317断层走向一致，北段已经包括倮密路回头弯段。红色加粗线段为不留矿柱情况下回采至1200 m的岩石移动范围。蓝色加粗线段为留设矿柱回采至1200 m岩石移动范围。红色细线段为留设矿柱回采至 1042 m岩石移动范围。洋红色线段为原初步设计岩石移动界线，即最终错动界线。
图15 3DEC模拟开挖导致岩石移动范围对比
2.3 基于相似模拟试验分析边帮稳定性和岩移范围
室内相似模拟试验是研究采动影响下采场围岩和覆岩变形的重要手段之一。本文根据其他学者的研究成果[25-26]，按照一定的应力相似比配制相似材料。材料由洗干净的河沙、石灰粉、石膏粉、碳酸钙粉末和云母粉按一定比例混合而成。相似材料模型按照矿体赋存倾角、矿岩分层厚度以及相似条件所需的密实程度逐层夯实填筑，模型尺寸为：长1.8 m×宽 0.2 m×高 1.7 m。在模型内部水平布置19个压力盒以监测开挖过程中的应力变化情况，在模型侧面布设260个位移测点。模型干燥后先按现状边坡的形态开挖，而后的回采范围和顺序为：Ⅴ#和ⅤI#矿体在海拔1330 m以上的部分作为覆盖层，不予开采；
第1步回采海拔1300～1330 m之间的Ⅴ#和ⅤI#矿体；
第2步回采海拔1300 m～1330 m之间、60°压矿线以上的Ⅴ#和ⅤI#矿体；
第3步回采海拔1200 m以上、（60～65）°压矿线之间的Ⅴ#和ⅤI#矿体；
第 3步回采海拔 1200 m以上、（60～65）°压矿线之间的 Ⅴ#和 ⅤI#矿体；
第 4步回采海拔1200 m 以上、（65～70）°压矿线之间的 Ⅴ#和 ⅤI#矿体；
第5步回采海拔1300 m至露天坑地的ⅤIII#矿体；
第6步回采海拔1250～1300 m至露天坑地的ⅤIII#矿体。模型开采方案布置如图16所示。
图16 试验模型采场开挖方案
试验结果显示，Ⅴ#和ⅤI#矿体按70°移动角回采至1200 m后，短期内边坡岩体崩落对倮密路回头弯处不产生影响；
经过一定时间的发展，其岩移变形范围将包括倮密路回头弯处；
上盘岩体崩落显现一定的突发性，符合反倾岩石边坡破坏特征[28]；
ⅤIII#矿体回采至1250 m时对露天边坡稳定性不产生明显影响。第6步回采后模型中应力变换情况见图17。模型开挖与变形存在着一定的时间效应。
图17 模型在第6次开挖过程中的应力场变化
（1）现状边坡具有一定的稳定性，即露天采矿至 1300 m的条件下，露天边坡具有稳定性，坡顶倮密路的运行是安全的；
（2）FLAC3D、3DEC以及相似模拟试验结果均显示：回采 1200 m以上矿体，露天坑西北边帮会发生变形破坏，且破坏范围包含了坡顶倮密路回头弯；
（3）受断层 F317和 F316的阻隔作用影响，西北帮边坡移动破坏局限在F317以东，对露天坑西侧的倮密路段不构成威胁；
（4）数值模拟和相似模型各具优点，数值模拟可以给出数值上更为精确的岩体移动范围和破坏程度，相似模拟试验则可以显现出反倾边坡破坏特征和岩体移动破坏具有的时间效应，这与现场实际情况较为吻合。
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