露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 中 国 钼 业 收稿日期:第一作者:胡建钊()男高级工程师主要从事有色、黑色和化工矿山的采矿设计工作:.露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究胡建钊(金诚信矿山工程设计院有限公司北京)摘 要:某金属矿山原采用露天开采随着露天开采资源的逐渐枯竭现转为地下开采考虑到地下开采对露天边坡的稳定性必然存在一定的影响 设计在露采最终边坡一侧保留 宽度的保安矿柱以保证露天最终边坡的稳定性 采用数值计算与强度折减相结合的方法选取具有代表性的 条剖面线建立边坡计算模型对边坡原始状态、空场法开采和充填法开采后 种不同工况下的露天边坡模型进行稳定性计算并确定相应工况下边坡的稳定性 最终得出当采用强度不小于 充填体进行充填法开采计算时 个典型边坡的安全系数均大于 处于稳定状态关键词:露天转地下开采边坡稳定数值模拟强度折减法:/中图分类号:文献标识码:文章编号:()():引 言某金属矿采用露天开采多年随着露天坑深度增加露天边坡高度也越来越高且因露天资源枯竭需转为地下开采而地下开采活动会使露天边坡围岩原有的应力应变状态发生改变对露天边坡稳定性造成影响而露天边坡的失稳将直接威胁地下开采的生产安全因此有必要对露天边坡稳定性进行评估 过去边坡的稳定性分析方法主要是极限平衡法这一方法可用于分析具有少量节理切割的块体对于强节理化岩体显得略有不足 该金属矿露天采场主要岩体为千枚岩片理结构较发育若采用极限平衡法对矿山露天边坡进行稳定性分析计算结果可能产生较大的误差针对极限平衡法的不足数值分析方法逐步被引入用于边坡稳定性分析同时随着强度折减理论的发展将强度折减理论与数值计算方法相结合进行计算分析应用于边坡稳定性分析取得了一定的成效强度折减法是通过强度折减计算程序自动求得岩土工程边坡的潜在滑动面以及相应的安全系数为边坡稳定性分析提供依据与分析基础 计算时不断折减岩体的强度直至边坡失稳得到强度折减的系数就是边坡安全系数从物理意义上来说强度折减法是基于材料强度储备的概念其物理意义与极限平衡法的安全系数意义是相同的 因而强度折减法可以说是一种新的安全系数求解方法丰富了极限平衡分析的思想强度折减法能够对具有复杂地貌、地质构造的边坡进行计算并且考虑了岩土体的本构关系及变形对应力的影响能够模拟边坡的变形过程及其滑动面形状以及岩土体与支护结构(锚杆、锚索、衬砌等)的共同作用在求解安全系数时不需要事先假定滑动面的形状也无需进行条分 从工程应用的角度来说强度折减法和极限平衡法均适用于边坡工程的稳定性分析现针对某金属矿露天转地下开采后采用数值模拟和强度折减法相结合的方法选取典型剖面建立单元数值计算模型考虑不同工况下进行最终边坡稳定性计算得到不同工况下各边坡的安全系数为后续地下开采的方案优化提供参考 工程地质条件某金属矿原采用露天开采随着露天开采资源的逐渐枯竭现转为地下开采 矿床属银山背斜断裂裂隙带格架下的中生代陆相火山次火山期后中低温热液裂隙充填型矿床 矿区矿石自然类型划分为细网脉浸染蚀变岩型矿石和致密块状硫化物脉型两种矿石类型矿区大致可分为第四系松散孔隙含水层、双桥山群浅变质岩和火山岩风化带含水层(带)及构造裂隙含水带 个含水层(带)考虑露天坑降雨时可能的渗水情况矿区涌水量为正常涌水量 /最大涌水量 /矿区水文地质条件简单矿体分布在非岩溶地区顶、底板围岩主要为千枚岩其次为火山碎屑岩、熔岩和次火山岩结构较紧密 采区或采空暴露面仅见局部遇构造破碎带有支护较多采区采空暴露面积 高度 没有任何支护历经数年至今仍保持完好矿床工程地质条件属中等类型 模型建立 剖面选取矿体走向近东西平均倾角 以上 以矿体、露采最终边坡、地表和预留保安矿柱等组合的复合三维模型为基础结合露采矿坑的范围选取 个剖面进行查看其空间相对位置如图 所示图 剖面线及矿体相对位置根据初步选取的剖面位置在三维矿业软件中切出相应的剖面综合各剖面的回采区域大小及回采区域所处露采最终境界的相对位置等因素最终选取、个典型剖面建立单元数值计算模型进行稳定性计算 数值模型建立 矿岩力学参数选择岩性主要包括绢云母化千枚岩、砂质千枚岩和斑岩其主要力学参数见表 表 岩体和充填体力学参数岩石类型密度/()泊松比单轴抗压强度/单轴抗拉强度/内聚力/内摩擦角/()变形模量/绢云母化千枚岩 砂质千枚岩 砂质千枚岩(含绢云母)斑岩 砂质千枚岩()砂质千枚岩()砂质千枚岩(含矿)绢云母化千枚岩(含矿)强度充填体 第 卷 第 期胡建钊:露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究 边坡岩体本构模型边坡稳定性问题主要是力与强度的问题对于有限元强度折减法而言通常选用理想弹塑性模型作为边坡土体本构模型而屈服准则的选取又直接影响到稳定系数的计算选取的屈服准则不同所计算出的系数不同 结合矿区实际边坡边坡岩体本构模型选择理想弹塑性体建立模型后使用 屈服准则判断的岩体的破坏情况 数值模型建立根据选取的、个典型剖面然后合理选取剖面建模范围 使用三维建模工具将剖面模型导入其中建立可供 有限差分数值计算使用的网格模型并依据不同岩性进行模型中的区域分组 建立的三维模型尺寸为 模型共划分 节点和 单元 计算模型见图 图 典型剖面 网格模型从图 可以看出 种颜色分别表示矿体、采空区、保安矿柱和岩石 典型剖面沿矿体走向布置可以最大程度的展示矿体剖面位于矿体西部而 和 剖面均位于矿体东部和 剖面布置在矿体上下盘位置和 剖面一起揭示了采场采空区和矿体上下盘位置最终边坡的情况 模拟方案及模拟结果分析 模拟方案考虑在露天坑底留设 保安矿柱评价地下充填法开采对露采最终边坡的稳定性影响 采场主要参数为:采场采用沿走向布置中段高度为 采场长为 采场宽为矿体厚度 共选择 个采空区其中 个采空区位于矿体东部 个采空区位于矿体西部进行以下 种工况下边坡的稳定性计算分析()原始边坡地下矿未开采时最终边坡的稳定情况()空场法开采矿体后最终边坡的稳定情况()充填法开采矿体后最终边坡的稳定情况 数值模拟结果分析根据模拟方案剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图 图 剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图 图 剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图 图 边坡剪应变增量云图表明了边坡可能出现的潜在滑动面的大致位置从图 图 可以看出:采用空场法开采后边坡剪应力发生较为明显的变化其值一般呈逐步增大的趋势 而采用充填法开采后边坡剪应力值一般呈略微下降的趋势空场法开采后对剪应变增量的集中区域产生影响改变了潜在滑动面可能出现的位置而充填法开采则影响不大图 剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图中 国 钼 业 年 月图 剖面空场法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 剖面空场法边坡剪应变增量云图和最大主应力云图第 卷 第 期胡建钊:露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究图 剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 剖面空场法边坡剪应变增量云图和最大主应力云图 边坡最大主应力云图可以反映出每种工况下边坡的主应力分布情况从图 图 可以看出采用空场法开采后最大主应力发生较为明显的变化其值呈逐步增大的趋势 采用充填法开采最大主应力则一般呈下降的趋势空场法和充填法开采和最大主应力关系见图 从图 可以看出:剖面采用充填法开采后最大主应力由 微降至 而采用空场法开采后最大主应力由 增加到 剖面采用充填法开采后最大主应力由 增加至 采用空场法开采后最大主应力由 增加到 剖面采用充填法开采后最大主应力由 大幅降低至 采用空场法开采后最大主应力由 中 国 钼 业 年 月 增加到 采用充填法开采后最大主应力下降趋势明显大大提高了边坡稳定性增强了采场开采的安全性而采用空场法开采后最大主应力表现出大幅度增加的规律导致露天边坡不稳定降低了采场开采的安全性总体来说相对空场法开采采用充填法开采对缓解边坡最大主应力有较好的效果可以提高露天边坡稳定有利于安全回采图 剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图图 空场法和充填法开采和最大主应力关系 不同工况条件下露天最终边坡安全系数某金属矿由露天转为地下开采采场垂直矿体走向布置同时勘探线剖面垂直矿体走向 采用原始边坡、空场法开采和充填法开采 种工况下露天最终边坡的稳定性计算分析根据前述建立的数值计算模型导入 设定模型的边界条件、不同岩性物理力学参数采用强度折减法以计算不收敛为判据进行最终边坡稳定性计算得到不同工况下各边坡的安全系数 见表表 种工况下露天最终边坡安全系数模型编号原始边坡空场法开采充填法开采边坡 边坡 边坡 露天转地下开采后最终露天边坡稳定性分析 安全系数是评价边坡稳定性的主要指标是较复杂的系统工程且一般边坡安全系数的计算与边坡研究的深度和广度、研究方法、所选参数的代表性和可靠性、边坡高度与坡角堆及对边坡工程地质和水文地质条件等诸多因素的认识程度有关 安全系数限值的确定要综合考虑现场评估、工程类比及有关设计规范依据滑坡防治工程勘察规范中的滑坡稳定性状态划分当边坡安全系数大于 边坡处于稳定状态从表 的计算结果并结合该金属矿实际情况整体上看 个典型剖面的原始边坡安全系数都在 以上根据滑坡防治工程勘察规范中的滑坡稳定性状态划分可以知道矿山原始边坡整体处于稳定状态如果采用空场法开采矿体剖面边坡安全系数为 边坡处于不稳定状态和 剖面边坡的安全系数处于安全临界状态(安全系数 时)由此说明矿体不能采用空场法回采否则境界最终边坡会不稳定当采用充填法并且充填体强度不小于 时、和剖面边坡的安全系数均大于 边坡处于稳定状态 结 论为确定露天边坡的稳定性选取了 种不同工况下的露天边坡并采用数值模拟软件建立了矿体三维模型进行稳定性计算通过分析不同工况下的剪应变增量云图和最大主应力云图可得到以下结论:第 卷 第 期胡建钊:露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究()原始边坡因没有采动因素干扰滑动面处于稳定状态最大主应力无变化对边坡无影响 边坡安全系数大于 边坡处于稳定状态()采用空场法开采边坡剪应力呈逐步增大的趋势大大增加了滑坡的风险 同时最大主应力同样呈逐步增大的趋势 个剖面边坡安全系数均小于 边坡处于不稳定状态因此空场法不适用()采用充填体强度不小于 的充填法开采边坡剪应力值呈下降的趋势滑动面处于稳定状态而最大主应力一般呈下降的趋势 个剖面边坡安全系数均大于 边坡处于稳定状态()虽然采用一定强度的充填体进行充填法开采可以保持边坡总体稳定但在矿山生产过程中仍需严格控制边坡坡度做好边坡稳定性监测工作发现边坡存在较大裂隙时及时进行加固避免裂隙扩大造成边坡失稳加强雨季露天边坡监测和安全防控()综合利用强度折减法和数值分析方法能科学准确的对露天边坡稳定性状况做出评判同时为地下安全开采提供了依据研究的方法和结果对相似条件下的露天边坡稳定性分析具有一定的借鉴意义参考文献 董贺伟.基于极限平衡的不同类型边坡稳定性分析计算方法探讨.有色金属(矿山部分)():.刘艳章蔡原田张 奎等.露天转地下开采充填体变形参数对边坡稳定性影响研究.矿冶工程():.焦满岱刘涛柴衡山.基于强度折减法的高陡露天边坡稳定性分析 .矿业研究与开发():.周后友池恩安欧阳天云等.爆破荷载作用下露天边坡稳定性分析.爆破():.冯德润.基于赤平投影 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