熊金波 左小华 徐文彬3

（1. 江西铜业股份有限公司永平铜矿；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院）

目前，我国许多露天矿随着开采深度的增加，开采的范围越来越小，对矿山的生产能力约束越来越强，产量难以得到保证［1］。据统计资料显示，露天开采境界外矿体约占露天境界内矿石储量的5%～16%，回采这部分矿石对保证矿山产量和延长矿山服务年限具有重要意义，而开采境界外矿体时保证高陡边坡的稳定性是此类矿山所需解决的问题［2］。境界外矿体开采对边坡稳定性的影响主要为爆破扰动、采空区应力释放［3-4］。

矿体开采将导致围岩应力重新分布和部分岩体应力集中，同时边坡的稳定性也因矿体开采而降低［5］。数值模拟是解决矿山岩石力学问题的一种常用手段，冯帆等［6］使用FEM/DEM 数值模拟软件，以山东黄金红岭铅锌矿为背景，研究巷道在无结构面、不同结构面长度以及侧压系数时巷道采动破坏行为；何环莎等［7］联合使用Midas 和Flac3D对4 种矿柱形状进行模拟分析，根据结果选择圆形矿柱；胡高建等［8］采用Mathews 稳定性图解法研究了红岭矿房上盘围岩稳定性，进行了区域稳定性划分；张钦礼等［9］基于尖点突变理论和顶板-矿柱失稳的简化力学模型，研究矿山失稳机理且对采场稳定性进行分析；赵兴东［10］采用极限跨度法等理论方法验算隔离矿柱尺寸，根据修正方案应用Flac3D对其稳定性进行分析计算；任玉凤等［11］采用DDA 研究诱导冒落法回采海南铁矿挂帮矿，为矿体安全开采和边坡失稳预测提供技术支持；王熙忠［12］利用ANSYS 分析宝日希勒露天矿边坡稳定性，优化了边坡参数；赵强等［13］应用ANSYS模拟不同采矿方法开采对边坡和隔离带的影响，选择了整体安全系数较高的上向水平分层充填法。

基于上述研究成果，结合永平铜矿西部凸型边坡，且矿体由南往北与边坡的距离逐渐减小至出露边坡的赋存条件，采用有限元模拟软件ANSYS 对其开采过程中的稳定性进行模拟计算，探究开采不同中段时空区群和边坡的稳定性，以期为相似的露天境界外矿体开采提供参考。

1 工程概况

随着开采年限的逐渐增加，永平铜矿矿区露天境界逐渐接近终了境界，露天矿场维持出矿量的难度越来越大，因此，需开采境界外西部边坡下的矿体以维持矿山产量和延长矿山服务年限。

西部边坡为凸型高陡边坡，走向北偏西，境界外矿体走向北偏东，长度约626 m，倾向南东，倾角约51°～72°，矿体厚度最小为4.2 m，最大为22.57 m，平均为10.21 m。矿体围岩为混合岩，矿岩总体稳固性属中等，深部坑道系统地质条件总体较好。因边坡走向北偏西，而矿体走向北偏东，即采场边坡处境界矿柱宽度往北逐渐减小，并且边坡凸出位置位于W4～W7 采场处，该部分采场所对应边坡的倾角相应增加，如图1所示。为了研究境界外矿体空区群和西部边坡的稳定性，拟采用ANSYA 软件对开采矿区西部盘区0，+50，+100和+150 m阶段进行数值模拟研究。

2 模型的建立

根据Ⅳ挂帮矿赋存条件圈定模拟范围1 200 m×800 m（长×宽），而后依据范围内边坡高程点图，联用Surfer 和Rhino 建立边坡三维曲面模型，设置下部边界为-200 m，上部边界为坡面，建立边坡几何模型。根据1～13 勘探线剖面图建立Ⅳ矿体，而后沿矿体倾角划分上下盘，接着将矿体-200～0 m 部分设定为充填体，将各模型的材料属性赋予各部分，材料属性如表1所示。然后对几何模型进行网格划分，控制生成矿体单元边长为2 m，其余部分边长为20 m，采用自由划分方式划分网格，数值模型如图2所示。将地应力沿东西向、南北向进行正交分解后施加至有限元模型相应面，以侧面和底部为边界，限制侧面和底部位移，最后施加g=9.81 m/s2的重应力。

表1 材料岩石力学参数统计表

3 开采顺序

有限元数值模拟开采顺序按照永平铜矿所采用的分段嗣后充填采矿法的开采方案进行，即从0 m 中段向上依次开采+50，+100，+150 m 中段，根据Ⅳ矿体开采爆破动载安全分析结果，将在0 和+50 m中段布置W0～W9 采场，+100 m 中段布置W0～W8 采场，+150 m 中段布置W0～W6采场。回采矿房时留设间柱，间柱宽度为4 m，位于穿脉巷道上方，矿房不留设顶底柱。

4 数值模拟分析

4.1 应力分析

开采0，+50，+100，+150 m 阶段时的最大主应力分别为26.7，20.9，22.4，25.2 MPa。由于篇幅有限，此处仅展示0 m 中段W0～W9 部分采场及4 个中段W4采场的边坡应力分布情况，分别如图3和图4所示。

由图3 可以看出，在开采0 m 中段W0～W9 采场时，边坡应力变化较小，最大值为2.96 MPa。由于西部边坡为凸型边坡，坡度由南往北呈先增加后减小的趋势，边坡处应力相应地也呈现先增加后减小的趋势。采场顶板靠西侧与采场底板靠东侧存在应力集中现象，最大为26.7 MPa。由于Ⅳ矿体总体走向北偏东，西部边坡走向北偏西，由南往北采场越来越靠近边坡，且边坡高度由W0 采场处开始先增加，至W5采场处向北逐渐减小，各采场随着走向由南往北应力集中现象逐渐减弱，采空区和边坡稳定性也增加。

由图4可知，开采各中段的W4采场时，边坡部位应力相差较小，所受压应力σc=0～5.9 MPa。采场顶底板处出现应力集中现象，顶板处应力为20.9～26.7 MPa，底板处应力为6.95～8.89 MPa，采场围岩应力集中分布范围随着开采高度的增加而减小。

4.2 位移分析

开采0，+50，+100，+150 m 阶段时的最大位移都在边坡靠近坡顶处，分别为0.117，0.113，0.115 和0.164 m。由于篇幅有限，位移分析仅展示0 m中段部分采场及对应坡面的变形规律，如图5所示。

由图5 可知，采场边坡临近坡面处位移ε＞0.1 m的分布范围由南往北呈先增大后减小的趋势，这是因为西部边坡坡顶位于W4 采场上方，边坡由南往北于东西方向的坡度先增加后减小，在自重应力场中边坡位移量随着坡度的增加而增大，当由南往北开采至W7 采场时，边坡处εmax＜0.1m。采场上覆岩层高度和采场与边坡的位置关系对采场围岩变形影响较大，采场围岩变形量和顶板处较大变形分布面积由南往北呈先增加后减小的趋势，规律与边坡高度变化情况相符，最大位移量为0.095 m；同时可知，在覆岩高度逐渐减小时，采场顶板处围岩变形量大小和分布范围基本不变，这是因为采场与边坡的距离随着向北延伸而逐渐减小。

各中段W4采场边坡变形规律如图6所示，可知，采场阶段高度对边坡位移具有较大影响，主要表现为大位移分布范围随着采场阶段高度的增加而减小，同时边坡变形由坡顶垂向下沉逐渐转向沿边坡倾向向下，这是由于采场随着阶段高度的增加而逐渐向西偏离顶部坡顶。同时，采场围岩位移量随着开采高度的增加而呈现先增加后减小的规律，最大为0.09 m。

5 结 论

（1）开采同一中段的不同采场时，边坡处应力由南往北呈现先增加后减小的趋势，采场顶板靠西侧与采场底板靠东侧存在应力集中现象，各采场应力集中现象沿走向由南往北也呈先增加后减小的规律，采空区稳定性也相应变化；在自重应力场中边坡位移量大的部位集中在坡顶位置，采场上覆岩层高度和采场与边坡的位置关系对采场位移量影响较大，采场围岩位移大小和顶板处较大位移分布范围由南往北呈先增加后减小的趋势，规律与边坡高度变化情况相符。

（2）开采同一位置不同阶段的采场时，边坡部位应力相差较小，采场顶底板处应力集中范围随着开采高度的增加而减小；大位移分布范围随着采场阶段高度的增加而减小，同时边坡位移方向由坡顶垂直向下逐渐转变为沿边坡倾向倾斜向下。

（3）对0 和+50 m 中段W0～W9 采场、+100 m 中段W0～W8 采场以及+150 m 中段W0～W6 采场开采过程进行数值模拟，结果收敛且未发生失稳大变形，即开采上述采场可保证边坡和采场稳定。