常来山 李 欣 牛文杰

(1.辽宁科技大学矿业工程学院;2.鞍钢集团矿业公司)

露天采矿以成本低、生产能力大、安全性好等优点而被广泛采用，为追求投资收益的最大化，一般采用分期开采方式。但露天采场达到一定深度后，下一分期继续采用露天采矿方式会面临诸多的问题，如剥采比增加、初期投资过大、过渡期太长、运距大幅增加、效益指标恶化、排土场容积不足及环保问题制约等，而地下采矿设备及技术的大幅进步，已摆脱了生产能力小、采矿成本过高、安全性较差的制约，因此由露天转入地下开采变成一种非常合理的选择［1-2］，特别是由于环境保护的需要目前已经成为一种趋势。露天转地下开采会带来一系列新的问题有待于研究解决，其中地下开采过程中露天矿边坡岩体变形破坏模式、范围等的预测分析即是一个重要课题［3］，变形破坏是必然的，但突然的整体破坏可能会造成灾难性的后果［4］，本研究基于FLAC的大变形模式对鞍钢眼前山铁矿露天转地下开采后的边坡岩体变形破坏演变过程进行了模拟分析，以期对矿山的安全生产有一定的指导作用。

1 工程概况

眼前山铁矿始建于1960年8月，设计采用露天方式开采，1994年执行2期扩建设计，设计规模为250万t/a，采场长1 410 m，宽570～710 m，封闭圈标高93 m，台阶高度12 m，境界边坡3并段为3 6m，底标高－195 m，后因边坡问题调整至－183 m水平。南帮边坡主要由混合岩组成，节理发育，为硬岩碎裂型结构岩体，北帮为绿泥千枚岩和碳质千枚岩，表现为软岩的特性，属反倾薄层状结构岩体，局部为散体结构。露天开采过程中边坡发生过多次变形破坏，岩石物理力学参数如表1所示。2期露天开采结束后转入地下开采，采矿方法为无底柱分段崩落法，露天坑底人为形成40 m厚松散覆盖岩层。

表1 岩石物理力学参数

2 边坡大变形FLAC模拟

2.1 建立采场岩体FLAC网格模型

根据眼前山铁矿露天采矿境界图及相应资料，以Y4200剖面(如图1)建立FLAC边坡模型，边坡北帮坡顶标高155 m，南帮坡顶标高100 m，坡底标高－183 m，地下模拟开挖阶段高度为180 m。为了减少开挖模拟时模型边界条件的约束对模型计算结果的影响，模型取长1 800 m，高度600 m。根据剖面形状划分网格形成FLAC数值计算模型。

图1 Y4200剖面图

2.2 露天边坡初始应力场计算

首先按原始地貌进行自重应力场的计算，然后模拟露天开采，形成地下开采的初始应力场，位移场与速度场置零，置为大变形模式，为地下开采模拟做好准备。

2.3 地下开采模拟方式

眼前山铁矿地下开采设计方案采用无底柱分段崩落法，阶段高为180 m，分段高18 m。露天开采转入地下开采的过渡期内－183 m形成40 m厚的松散岩石覆盖层，并进行边坡残留矿体的开采，由于松散覆盖层对边坡的变性影响较小，模拟中近似地视为被开挖掉。地下开采模拟从－229 m水平开始，然后按18 m向下依次开挖各分段:－229、－247、－265、－283、－301 m等。

2.4 地下开采模拟结果与分析

图2～图6为5个分段开采后的边坡岩体塑性区图和大变形滑移后的形态。对于南帮边坡岩体，模拟开采到－301 m时，因其强度较高，并未出现大变形的整体滑移，仅在露采中下部边坡表面和地下采场附近的岩体中，表现为开挖瞬间单元进入塑性状态;而后随着应力调整又重回弹性状态的现象，地下开采造成岩体松动变形而形成滚石至岩石松散覆盖层，是无底柱分段崩落法采矿的正常现象。对于北帮边坡岩体，第1分段－229 m开采后，不仅出现大量单元开挖瞬间进入塑性状态而后又调整回弹性状态的现象，采场岩体中也出现了倾斜的剪切破坏带，向上延伸至－100 m水平，倾角54°，厚31.8 m。随着开采剪切破坏带向上延伸，在开采至－249 m时延伸至边坡表面+70 m水平形成滑体，开始向下滑动。开采至－265 m水平时，滑体发展至+100 m水平左右。开采至－283 m水平时滑体向内发展变厚，向上延展至地表坡顶处，边坡面台阶明显下沉，FLAC网格出现变形，坡面附近节点呈现大变形形态。开采至－301 m时，北帮边坡变成1个大的倾斜坡面由露天采场总体边坡角40°降为38°，台阶基本上全部滑落，个别台阶平台已完全消失，滑面倾角51°，地表宽77 m。由于北帮岩体为破碎的软岩，实际的变形破坏过程应为地下采动影响下的逐渐剥落，补充给松散岩石覆盖层，不会形成突然快速的滑坡，对地下开采的安全影响不大，但大量小颗粒碎石补充至岩石覆盖层，对控制损失贫化指标不利。

图2 开挖至－229 m的塑性区及边坡形态

图3 开挖至－247 m的塑性区及边坡形态

3 结论

(1)露天转地下开采将引起边坡岩体的较大变形和滑动，采用FLAC方法的大变形模式来模拟是可行的，可以得出一些较有意义的结论。

图4 开挖至－265 m的塑性区及边坡形态

图5 开挖至－283 m的塑性区及边坡形态

图6 开挖至－301 m的塑性区及边坡形态

(2)眼前山铁矿在转入地下开采的过程中，开挖模拟显示北帮软岩边坡易产生大量滑落，但一般不会形成突然快速的滑坡，对地下开采的安全影响不大，但大量小颗粒碎石补充岩石覆盖层，对控制损失贫化指标不利。

(3)眼前山铁矿南帮硬岩边坡岩体，模拟显示开采初期并未出现大变形和整体滑移，深部开采应进一步关注。

(4)在矿山实际开采中，应加强边坡岩移监测，采取预防措施，防患于未然，保证生产的安全。

［1］ 史秀志，黄刚海，张 舒，等.基于FLAC3D的复杂条件下露天转地下开采空区围岩变形及破坏特征［J］.中南大学学报:自然科学版，2011，42(6):1710-1718.

［2］ 韩现民，李占金，甘德清.露天转地下矿山边坡稳定性数值模拟与敏感度分析［J］.金属矿山，2007(6):8-12.

［3］ 葛勇勇，张红兵，赵洪宝，等.井工开采对露天矿边帮稳定性影响研究［J］.金属矿山，2013(2):32-35.

［4］ 刘占卫，王 健，李述涛.金山矿业露天转地下开采技术分析［J］金属矿山，2013(2):42-45.