王孟來(lái)， 李小雙， 王運(yùn)敏， 李啟航

（1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650600； 2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；4.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；5.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

目前大部分露天磷礦山已轉(zhuǎn)入深凹開(kāi)采階段，礦山進(jìn)入深凹開(kāi)采階段后，采場(chǎng)不斷拓展延伸，導(dǎo)致運(yùn)輸效率降低［1］；邊坡堆積高度逐漸增加，導(dǎo)致邊坡有效管理和后期維護(hù)愈加困難。 礦山由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采后，采場(chǎng)上覆巖體變形和力學(xué)行為復(fù)雜化給礦山地壓管理與安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2］。 因此有必要對(duì)露天開(kāi)挖形成的終了邊坡與地下開(kāi)采耦合作用下的巖體非線性變形機(jī)制進(jìn)行研究。

雖然國(guó)內(nèi)外科研工作者圍繞露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采展開(kāi)了大量卓有成效的研究工作［3－6］，但大都集中于露天邊坡穩(wěn)定性、境界礦柱厚度及隔離層厚度選取等方面［7－9］，對(duì)于露天終了邊坡與地下采場(chǎng)圍巖在房柱法開(kāi)采擾動(dòng)下的相互作用研究較少。 本文結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬與相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)坡高300 m 礦山采用房柱法以三階段開(kāi)采的方式，獲得各測(cè)點(diǎn)位移數(shù)值變化曲線，分析露天終了邊坡與地下采場(chǎng)圍巖之間的關(guān)聯(lián)性。

1 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 相似系數(shù)

模擬實(shí)驗(yàn)在3.0 m×0.30 m×2.0 m（長(zhǎng)×寬×高）規(guī)格的大型多功能平面模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)展開(kāi)，基于相似定理確定相似系數(shù)如下：

1） 模型幾何相似系數(shù)：αL＝1/200；

2） 時(shí)間相似系數(shù)：αt＝≈1/14.1；

3） 容重相似系數(shù)：αr＝0.64；

4） 其他相似系數(shù)：強(qiáng)度比ασ＝1/312.5，外力比αp＝8×10－8，彈模比αE＝1/312.5，泊松比αμ＝1。

5） 模擬試驗(yàn)以工程實(shí)際情況為準(zhǔn)則，模型與原型的支撐條件、約束情況、邊界條件等外界條件保持相似性。

1.2 相似材料選取與參數(shù)確定

依據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)條件，基于以上要求，選取細(xì)河砂為本次模擬的主要材料、碳酸鈣和石膏為膠結(jié)材料、硼砂為緩凝劑、云母粉為分層材料。 水泥、鋸末粉、塑料、機(jī)油作為本次試驗(yàn)的輔助性材料。 云南晉寧周邊典型緩傾斜薄至中厚磷礦床各巖層的相似材料配比參數(shù)見(jiàn)表1。 鋪設(shè)完畢后的300 m 邊坡相似模型見(jiàn)圖1。

圖1 鋪設(shè)完畢后的300 m 邊坡相似模型

表1 相似材料配比參數(shù)

1.3 模型開(kāi)采方案

根據(jù)礦山工程經(jīng)驗(yàn)，以房柱法沿礦體傾向劃分24 m厚度的境界礦柱，然后沿礦體傾向依次劃分礦房礦柱，每劃分礦柱10 m，留設(shè)6 m 連續(xù)礦柱進(jìn)行采場(chǎng)支護(hù)。相似模擬試驗(yàn)將整個(gè)開(kāi)采區(qū)域劃分為3個(gè)開(kāi)采階段，每個(gè)階段包含7個(gè)礦房開(kāi)采和6個(gè)礦柱回采，相鄰開(kāi)采階段以15 m 的階段礦柱為間隔，開(kāi)采順序從第一階段開(kāi)始，開(kāi)采方式沿礦體傾向每2 h 開(kāi)挖一次礦房，開(kāi)挖完后再進(jìn)行礦柱回采，每一階段礦柱回采完畢后進(jìn)行下一階段礦體開(kāi)挖。 每一次礦房或礦柱開(kāi)挖記為一次開(kāi)挖步，便于后面位移分析。 礦體空間系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 礦體開(kāi)挖空間系統(tǒng)圖

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

如圖3 所示，采用PhotoInfor 和PostViewer 數(shù)字照相測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相似模型各巖層應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共8個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要分布在露天邊坡和采場(chǎng)上方位置。 沿礦層傾斜法線方向在頂板均勻布置5 條位移觀測(cè)線（1～5），共30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。 頂板起始觀測(cè)線到采場(chǎng)的垂直距離為20 cm（實(shí)際礦山工程中為20 m），隨后頂板觀測(cè)線沿法線方向距采場(chǎng)垂距以長(zhǎng)度20 cm 依次增加（L1～L6）。

圖3 應(yīng)力及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.1 采動(dòng)影響下采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布特征

各階段開(kāi)挖與回采應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖4。 由圖4可知，礦山由露天轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采后，邊坡巖體及采場(chǎng)覆巖受到地下礦體的開(kāi)挖擾動(dòng)，第一階段開(kāi)挖時(shí)，邊坡受到壓應(yīng)力，隨著開(kāi)采推進(jìn)，壓應(yīng)力線性增大；第二階段開(kāi)挖時(shí)，邊坡受到壓應(yīng)力繼續(xù)增大，但增幅小于第一階段；第三階段開(kāi)挖時(shí)，第二階段采場(chǎng)頂板發(fā)生大范圍垮塌造成采場(chǎng)應(yīng)力急劇調(diào)整，第10 步到第13 步開(kāi)挖壓應(yīng)力值減小，直至維持在某一固定值水平。

圖4 各階段開(kāi)挖與回采應(yīng)力變化

2.2 采動(dòng)影響下位移變化特征

各階段開(kāi)挖與回采垂直位移情況見(jiàn)圖5。 由圖5可知，第一階段采場(chǎng)開(kāi)挖完后，采場(chǎng)上方頂板覆巖出現(xiàn)不同程度下沉，且測(cè)線1 上各測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響最大，其他測(cè)線各點(diǎn)豎向位移變化不大。 第二階段采場(chǎng)開(kāi)挖完后，在第一階段開(kāi)采擾動(dòng)基礎(chǔ)上，繼續(xù)受到二階段礦體開(kāi)挖擾動(dòng)，其覆巖垂直下沉量持續(xù)增加。 第二階段采場(chǎng)覆巖豎向位移量整體大于第一階段，測(cè)線3 處豎向位移量變化更為明顯。 第三階段采場(chǎng)礦體開(kāi)挖完后，上覆巖層繼續(xù)受到開(kāi)挖擾動(dòng)力的作用，由非充分采動(dòng)階段發(fā)展到較為充分采動(dòng)階段，豎向位移進(jìn)一步增加。 位于第三階段采場(chǎng)中部上方的測(cè)線5，最大豎向位移為－5.62 mm，對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程最大豎向位移值為112.4 cm。

圖5 各階段開(kāi)挖與回采垂直位移曲線

2.3 采動(dòng)影響下礦體變形破壞特征

各階段回采過(guò)程采場(chǎng)覆巖變形情況見(jiàn)圖6。 第一階段礦房開(kāi)挖完后，采場(chǎng)整體穩(wěn)定，上覆巖層未出現(xiàn)裂紋，隨著第一階段礦柱回采逐步進(jìn)行，采場(chǎng)頂板巖體開(kāi)始小范圍冒落，且裂縫帶高度不斷向上發(fā)展。 到第二階段礦房開(kāi)挖，采場(chǎng)覆巖較第一階段整體下沉更明顯，且采場(chǎng)中部上覆巖體出現(xiàn)零星的小范圍裂隙帶，但裂隙帶未發(fā)生貫通。 第二階段礦體全部開(kāi)挖完后，第二階段采場(chǎng)上覆巖層出現(xiàn)一定程度的彎曲下沉。 第三階段礦柱全部回采完畢后，第一、二階段覆巖層及頂板彎曲程度加劇，直至發(fā)生垮塌，采場(chǎng)覆蓋破壞形式最終呈現(xiàn)出“拱”形。

圖6 各階段回采過(guò)程采場(chǎng)覆巖變形情況

3 FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 三維建模

300 m 邊坡模型尺寸水平方向長(zhǎng)度600 m，走向方向長(zhǎng)度300 m，垂直方向高度450 m，整個(gè)模型共包含623 934個(gè)節(jié)點(diǎn)和603 550個(gè)單元。 坡高300 m 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采三維模型如圖7 所示。

圖7 坡高300 m 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采三維模型

3.2 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)確定

本次數(shù)值模擬所使用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了便于數(shù)據(jù)處理和計(jì)算結(jié)果分析，需要對(duì)模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。 與相似模擬試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，共設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于露天終了邊坡的坡頂、坡腰和坡腳及地下采場(chǎng)各開(kāi)采階段和間柱中部，具體布置見(jiàn)圖8。

圖8 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.4.1 應(yīng)力演化規(guī)律

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采不同開(kāi)采階段應(yīng)力分布規(guī)律如圖9所示。 由圖9可知，第一階段礦體開(kāi)挖完后，最大垂直應(yīng)力僅出現(xiàn)在采空區(qū)前端，其值為20.3 MPa，采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力為4.1 MPa。 第二階段礦體開(kāi)挖完后，采場(chǎng)范圍擴(kuò)大導(dǎo)致采場(chǎng)頂板應(yīng)力進(jìn)一步釋放，應(yīng)力降低區(qū)域的范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在回采區(qū)前后兩端，為31.8 MPa，且范圍和大小相較第一階段有所增加，此時(shí)采場(chǎng)頂板最大垂直應(yīng)力為3.8 MPa。第三階段礦體開(kāi)挖完成后，采場(chǎng)頂板應(yīng)力相較第二階段進(jìn)一步釋放，應(yīng)力降低區(qū)域的范圍也在動(dòng)態(tài)前移，最大垂直應(yīng)力為43.0 MPa，僅出現(xiàn)在第二個(gè)階段礦柱的右下側(cè)，采場(chǎng)頂板最大垂直應(yīng)力為4.8 MPa。

圖9 各階段礦體開(kāi)挖后應(yīng)力分布

3.4.2 位移變化規(guī)律

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采不同開(kāi)采階段位移變化特征如圖10 所示。 圖10 表明，第一階段礦體開(kāi)挖完后，采空區(qū)最大垂直位移沉降為34.3 cm，邊坡坡腳處最大向上位移量為15.0 cm。 第二階段礦體開(kāi)挖后，最大垂直位移相較第一階段有一定幅度增加，達(dá)到70.5 cm，且采場(chǎng)頂板位移沉降最大點(diǎn)位置有一定程度前移，位移沉降范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，此時(shí)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡坡腳向上位移量為12.3 cm。 第三階段礦體開(kāi)挖完后，最大垂直位移沉降相較第二階段大幅增加，且由于礦層存在一定傾角，最大位移沉降點(diǎn)位置偏離第二階段采空區(qū)中部向下，達(dá)到113.3 cm，此時(shí)第一階段和第二階段采空區(qū)由于受到第三階段礦體開(kāi)挖擾動(dòng)，位移沉降進(jìn)一步增加，達(dá)到比較充分的采動(dòng)階段，采場(chǎng)頂板可能出現(xiàn)離層、冒落和垮塌，此時(shí)邊坡坡腳處向上位移量為12.5 cm。

圖10 各階段礦體開(kāi)挖后位移變化

3.4.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采不同開(kāi)采階段塑性區(qū)分布情況如圖11 所示。 圖11 表明，第一階段礦體開(kāi)挖完后，塑性區(qū)主要分布在采場(chǎng)四周，此時(shí)采場(chǎng)中部因礦體開(kāi)挖卸荷而受到拉應(yīng)力作用，塑性區(qū)主要表現(xiàn)為張力破壞，兩端則因受到剪切應(yīng)力，塑性區(qū)表現(xiàn)為剪切破壞，同時(shí)，坡腳存在少量零星的張拉破壞塑性區(qū)。 第二階段礦體開(kāi)挖完后，塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)育至邊坡臨空面，此時(shí)整個(gè)地下采場(chǎng)處于一個(gè)比較危險(xiǎn)的臨界失穩(wěn)狀態(tài)。 到第三階段時(shí)，第一階段采場(chǎng)塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)育充分，已貫通至邊坡臨空面，此時(shí)整個(gè)地下采場(chǎng)及邊坡體已處于失穩(wěn)狀態(tài)，第一階段采場(chǎng)上覆巖體很可能會(huì)受到外界輕微的擾動(dòng)而發(fā)生垮塌進(jìn)而導(dǎo)致多米諾骨牌效應(yīng)，造成整個(gè)采場(chǎng)及邊坡失穩(wěn)垮塌。

圖11 各階段礦體開(kāi)挖塑性區(qū)分布

4 討 論

1） 在相同地質(zhì)賦存條件下，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡坡高300 m 時(shí)，三階段礦體開(kāi)挖后，數(shù)值模擬得出的頂板最大豎直位移沉降值為113.3 cm，相似模擬試驗(yàn)測(cè)得的最大豎直位移沉降值為－5.62 mm（對(duì)應(yīng)的實(shí)際工程最大豎直位移沉降值為112.4 cm），結(jié)果大致吻合。

2） 數(shù)值模擬與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果均表明，隨著采空區(qū)范圍逐漸增大，采場(chǎng)覆巖受采動(dòng)影響區(qū)域也隨之?dāng)U大，采場(chǎng)上覆巖層最大位移沉降值及采動(dòng)影響帶（裂隙帶和垮塌帶）均線性增大，且隨著礦體開(kāi)挖推進(jìn)而動(dòng)態(tài)前移。

3） 在相似模擬試驗(yàn)中，采場(chǎng)覆巖的破壞形式從采空區(qū)直接頂板開(kāi)始，先是覆巖下沉彎曲，產(chǎn)生零星裂縫帶，然后裂縫帶發(fā)生貫通導(dǎo)致其下方巖體冒落破壞，并逐步向深部巖層發(fā)展，最終覆巖變形破壞形式呈現(xiàn)出“拱”形。 這與數(shù)值模擬中采場(chǎng)覆巖位移云圖呈現(xiàn)的“拱”形相對(duì)應(yīng)。

5 結(jié) 論

1） 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)得到該磷礦床各主要巖層巖石力學(xué)參數(shù)。

2） 采場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力隨著礦體開(kāi)挖推進(jìn)不斷進(jìn)行重新分布，并持續(xù)沿礦層傾向向前方巖體動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，在前方形成應(yīng)力增壓區(qū)，最終達(dá)到新的平衡。 三階段礦體開(kāi)挖完后，采場(chǎng)覆巖位移沉降值隨距采場(chǎng)垂距增加而減小，最終位移云圖呈現(xiàn)出“拱”形。

3） 坡高300 m 時(shí)，在相同地質(zhì)賦存條件下，相似模擬試驗(yàn)測(cè)得的頂板最大豎直位移沉降值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本相同。 露天轉(zhuǎn)地下三階段開(kāi)挖時(shí)，后一階段礦體開(kāi)挖會(huì)對(duì)前一階段已開(kāi)挖采場(chǎng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及變形破壞場(chǎng)產(chǎn)生影響。