孙世国,赵雪芳,冯少杰,王 群,易亚楠

(北方工业大学,北京 100144)

急倾斜矿体露天转地下开采边坡滑移机制

孙世国,赵雪芳,冯少杰,王 群,易亚楠

(北方工业大学,北京 100144)

露天转地下开采后，涉及露天与井工开采相互扰动问题，影响因素更加复杂，边坡滑坡风险剧增，掌握露天转地下开采边坡滑移机制对矿山深部资源的开发具有重要意义。本文以北京云冶矿山露天转地下开采为工程背景,通过数值模拟分析方法，研究了地下采区不同区域的开采对不同空间位置边坡稳定性的影响，揭示了两种开挖体系之间相互诱发与相互扰动机制、以及采动影响域相互重叠加的特点。在此基础上，进一步分析了地下开采引起边坡岩体的变形机制。研究结果表明：当开采深度达到240m时，复合边坡的坡角达到最大，边坡处于危险状态之中；区划出的不同开采位置诱发的危险变形区域和实际情况较为吻合。

变形机制；叠加特征；位移矢量；边坡稳定

露天转地下开采边坡岩体的移动变形和稳定性问题已成为一个影响生产安全和环境的突出问题[1-6]，而且这一问题将随着开采向深部延伸更加突出。露天开采时期的大规模开挖，对围岩体造成较大的应力扰动，在此基础上进行地下开采，将引起边坡岩体的进一步变形和破坏，甚至出现滑坡失稳和巷道破坏等灾害[6]。露天转地下开采使得部分边坡岩体和地下围岩体受到二次开采扰动的影响，应力场相互叠加，变形和破坏特性要比单一的地下和露天开采复杂的多，从而提出了许多新的研究课题，露天边坡的破坏特性和由此引起的灾害问题就是其中之一。

本文以北京云冶矿业有限责任公司上峪矿区VII-VII剖面的开采实践为例，通过数值模拟分析方法，分析了露天转地下开采对上部边坡岩体变形的影响规律及其变形机制，从而为保证矿山的安全生产提供科学依据。

1 工程概况

云冶矿区位于密云县城北，大地构造位置位于华北地台北缘中段，四海—长哨营拗陷带与密怀隆起接触带东南侧，东西与北东构造带交汇部位的南侧。由于大型矿床多数为倾斜和急倾斜矿体，埋藏延深较大。凹陷开采深度超过400～500m后继续进行露天扩帮开采，不但经济上不合理，而且造成土地的大面积占用和剥离的大量废石对生态环境的破坏。目前云冶矿区有上峪、麻子坑两矿区在进行露天开采，本文以上峪矿区的VII-VII剖面图(图1)开采工程为例，研究露天转地下开采后边坡岩体变形机制，VII-VII剖面主要是由片麻岩和铁矿石组成，其中上盘为黑云角闪斜长片麻岩，下盘为角闪斜长片麻岩。

图1 VII-VII剖面工程地质图

2 地下开采诱发边坡变形机理分析

本文采用三维数值模拟软件建立数值模型，模型基本尺寸为672m×400m×520m(图2)，即沿倾向672m，沿走向400m，高度为520m；并进行网格划分，节点数目为18900，划分的网格单元数为17997。开采顺序沿倾向由上向下开采，每一步开采深度为20m，共16步，走向宽度取200m。

图2 露天转地下开挖过程中位移矢量图

一般来说，矿产资源回收按采掘方式的不同可分为井工矿开采、露天矿开采及其两者的联合开采。在我国矿产资源开发中主要以井工矿和露天矿采掘方式为主，但由于受剥采比等因素的制约，有许多矿区为井工与露天联合开采。从采掘空间位置分布关系来看，露天边坡位于地下采动影响域内，致使两种采动影响域中的一部分相互重叠，由此造成了两种采动效应相互作用、相互叠加和相互影响，从而构成复合叠加效应[7-9]，使得边坡岩体的变形与破坏模式完全不同于单一露天采动效应下岩体变形问题，其变形机制复杂、变形量大、变形波及范围更广。与单一露天开采相比，复合开采影响下边坡地表变形速率之巨、影响范围之大、持续时间之长十分惊人，严重地影响到矿山生产和周边环境安全。

从变形矢量图(图2)和露天转地下开采引起的边坡变形区域示意图(图3)可知，上部复合边坡的岩体由于受到露天开采扰动的影响，从而产生变形，其位移矢量方向为u1(图3)；上部自然边坡岩体因蠕变作用、受风化作用、地下水侵蚀及岩体流变性等因素的影响，会产生变形，其位移矢量方向为u2(图3)。那么在如此条件下进行地下开采，边坡岩体内部的应力场必然发生变化，从而导致边坡岩体的扰动，产生新的变形。如图3所示，其中复合边坡与自然边坡由于地下开采引起的位移矢量大小及方向为wi，两者的位移合成矢量为vi；但是合成后位移矢量的方向根据开采区域空间位置[10-11]及边坡体的空间位置的不同而不同。通过数值模拟得出边坡开采到240m深时复合边坡与自然边坡发生与初始位移方向相反的变形，因此，将上盘开采影响区域划分为I、II两个区域(图3)。

如图3所示，对于整个边坡体而言，位移合成矢量的方向是由开挖量大小及边坡岩体的空间相对位置等决定。当地下开挖量达到一定程度时，在倾向主断面内的复合边坡上P1点的位移合成矢量与自然边坡上P2点的位移合成矢量方向肯定不一致，究其原因为边坡体上不同空间位置的两种采动影响大小和方向不同。其中就复合边坡而言，由图4可知，开采至240m时，其合成矢量的水平位移达到最大，边坡坡角达到最大；而自然边坡中两种采动影响的合成矢量水平位移在开采至240m以后逐渐减小，见图5。

图3 露天转地下开采引起的边坡变形区域示意图

图4 复合边坡与自然边坡水平位移对比值

图5 露天转地下开采引起的边坡变形机制分析示意图

一般情况下，合成矢量更多的表现为较大的采动影响属性；如P1点合成的方向仍然指向采空区，也就是说该单元体的边坡将向着地下采空区的方向移动，但是这与单一的地下开采有着本质的区别，表现在合成后的位移矢量方向一般不再指向地下采区的几何中心或最大下沉点[12]，主要是因为地表面为非平面，除上部边坡岩体自身的蠕变之外，当地下开采到达一定程度时，岩体受到破坏，从而诱发上部边坡岩体产生滑移；由此可知，经过合成与叠加作用，合成矢量的方向将偏离地下采空区的几何中心。从边坡稳定以及边坡变形产生的后果角度来考虑，在I区内(图3)，就其水平位移值来说，复合边坡的水平位移值即P1点呈递增规律，结果是使其坡角增大，仅仅从这方面考虑对其边坡是不利的；而自然边坡的水平位移即P2点呈递减规律，结果是使其坡角减小，但从这个角度考虑对其边坡是有利的。在II区内(图5)，就其水平位移值而言，复合边坡的水平位移值即P1点呈递减规律，结果是使其坡角减小，仅仅从这方面考虑对其边坡是有利的；而自然边坡的水平位移即P2点呈递增规律，结果是使其坡角增大，但从这个角度考虑对其边坡是不利的。

3 不同开挖量影响下上覆岩体的移动规律

从变形过程来看，沉降量基本形成统一的下沉中心，且两侧沉降量明显小于下沉盆地中心，这符合岩移规律和变化特征。从水平位移变化过程来看，开采20m时，位移量小，移动范围较小，对山体的滑移变形影响尚未显露出来。随着开采厚度的增大，山体产生整体的滑移变形，两者的叠加构成了整体的移动变形，其变形如图6所示。此外，由于矿体赋存条件属于急倾斜，上盘岩体以类似于悬臂梁的形式向采空区产生弯曲变形和破坏，而下盘区类似于斜坡，所以，上盘区域的移动变形范围远大于下盘区的变形量值和范围。其变形图见图6、图7。

1.第一步开挖；4.第四步开挖；8.第八步开挖；12.第十二步开挖；16.第十六步开挖图6 VII-VII剖面地表及水平监测线沉降变形值分布曲线

图7 VII-VII剖面地表及水平监测线沉降相对变化值柱状图

就地表监测线而言，平均每开挖20m，平均沉降量增加122.47%；开挖深度由20m增加到80m时，其最大沉降较原来增加了284.85%，开挖深度由80m增加到160m时，其最大沉降较原来增加了89.61%，开挖深度由160m开挖到320m时，其最大沉降量较原来增加了51.99%。由其剖面图示可得，其矿体储存的角度较大，属于急倾斜矿体的开采，因此取两条水平监测线进行对比，水平监测线1在标高300m处，平均每开挖20m，平均沉降量增加144.60%；水平监测线2在标高100m处，其平均每开挖20m，平均沉降量增加27.60%。对于开采到160m深时，地表监测线、水平监测线1及水平监测线2的最大沉降变化如下：水平监测线1较地表监测线最大沉降增加了0.58%；水平监测线2较地表监测线最大沉降减小了104.90%。水平监测线1、2变化量见图7。

通过数值模拟，同时还对竖向监测线的水平位移进行了分析，得出了剖面上盘、下盘及上部边坡的滑移趋势。从图8可知，完全位于下盘内的竖向监测线1的变形很小，而竖向监测线2、3、4均有在上盘的部分，其变形远远大于下盘区域的变形。对竖向监测线3而言，其水平变形属于最剧烈的部分，其水平位移变化为平均每开挖20m增加47.10%，其变化量较竖向沉降比，此剖面变形以竖向沉降为主；竖向监测线3中由20m开挖到80m，其最大水平位移量较原来增加了878.57%，由80m开挖到160m时，其最大水平位移较原来增加了162.84%，由160m开挖到320m时，其最大水平位移量较原来增加了58.12%。竖向监测线1、2、3、4、5的水平位移变化量如图9所示。

1.第一步开挖；4.第四步开挖；8.第八步开挖；12.第十二步开挖；16.第十六步开挖图8 VII-VII剖面竖向监测线水平变形值分布曲线

图9 VII-VII剖面竖向监测线水平位移相对变化值柱状图

通过对VII-VII剖面竖向监测线水平位移、地表及水平监测线沉降相对变化值柱状图的数据分析以及对VII-VII剖面水平、竖向监测线变形值分布曲线的对比得出此剖面开采产生变形最剧烈的位置为地下采区中间上盘部分；而且随着开采的进行，矿山的应力应变变化量越来越小，将要处于平衡状态，即矿山的开采就是一个动态平衡的演变过程。

4 地下开挖诱发地表破坏范围的界定及可能诱发的次生灾害

由上述分析可知两种不同的采动效应在不同的边坡体空间位置以及不同的开采位置所产生的结果是不同的。在I区域内，复合边坡的水平位移随着开采的进行呈递增状态，加速了其边坡由稳定到不稳定的过程，对边坡本身来讲是不利的，但其边坡的滑移在其开采范围内，产生的危险性是相对较小的；但在II区域内，自然边坡的水平位移随着开采的进行呈递增状态，导致其坡角逐渐增大并加速其下滑，且自然边坡的滑移并不在开采范围内，所以自然边坡滑移会产生较大的危险性，如滑坡、泥石流、堰塞湖等较大灾害，给矿山的安全生产带来重大的威胁。

根据“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”的规定，及有关地表变形破坏范围的规定，其倾斜、曲率和水平变形值分别为：3mm/m、0.2×10-3/m 、2mm/m文根据数值模拟结果中的三个变形计算值中的最大值，划出其危险变形区域如图10所示，其中上山移动角为41°，下山移动角为55°；其移动范围如图10所示，说明整个山体位于危险区域内，随着开采厚度的增大，当开采厚度达到240m时，水平移动值达到最大值，之后开始递减，说明从240m至320m段的开采，山峰的移动方向相反(图4)，即山体受山坡外侧矿体的开采，产生滑移变形的方向指向露天采场的外侧，即指向自然山坡坡脚下，一旦产生滑坡易诱发环境破坏或自然流水通道的堵塞。

然而，露天转地下开采的许多工程设施位于其危险变形区内，为了保障其安全性，需要强化动态监测，实时掌握其动态发展趋势，避免破坏性滑坡产生次生灾害。

图10 危险区域划分图(单位：m)

5 安全开采防控措施

考虑到上峪采场露天转地下开采过程中，其深部矿体开采将诱发自然山体的滑坡，因此，需要采取相应的防控措施，主要包括以下几个方面。

1)采取开采控制措施。考虑到采动效应的叠加作用特点，在开采设计过程中，应该避免过分集中对某一采区大规模放矿的开采方法，可采取小规模分散式放矿模式，避免一次性破坏性作用诱发山体滑坡。

2)采取充填的方式。由于考虑到集中在某一区域集中开采产生较大变形，可以采用充填采空区的方法减小变形，以避免产生上覆建筑物、自然环境以及开采设备、条件等的破坏。

3)加强防洪体系的构建。由于地下开采作用，在山体上肯定要产生许多张拉裂缝，雨季降雨会渗入裂缝岩体中，从而降低岩体力学参数，因此，构建有效的防洪体系，可以减少雨水的渗入量，从而减小滑坡的概率。

4)强化动态变形的实时监测体系的构建。掌握山体变形的有效手段之一是动态监测，依据监测结果和相关的动态分析，可以根据变形情况，然后采取相应的防范措施，从而避免或减小山体滑坡对下游的影响和生态环境的破坏。

6 结论

1)通过对云冶上峪矿区露天转地下开采引起的边坡变形机制分析可知，当开采深度达到240m时，复合边坡的坡角达到最大，边坡处于危险状态之中；而当开采深度大于240m时，自然边坡的坡角逐渐增大，自然边坡的危险性随之逐渐增大。

2)通过数据分析可知，在露天转地下开采过程中，从水平位移变化过程来看，随着开采厚度的增大，山体产生整体的滑移变形，两者的叠加构成了整体的移动变形；由于矿体赋存条件属于急倾斜，上盘岩体以类似于悬臂梁的形式向采空区产生弯曲变形和破坏，而下盘区类似于斜坡，所以，上盘区域的移动变形范围远大于下盘区的变形量值和范围。

3)由于边坡岩体位移矢量具有三维特性，且位于不同位置或不同区域的位移矢量的特性是不同的，因此，边坡体位移合成矢量方向是由地下开采量的大小以及该边坡体空间位置决定的，并不能单纯地确定其移动方向指向坑内或地下采区。

4)针对山体边坡而言，由于矿山开采引起的山体边坡变形过大，可能会产生滑坡、泥石流、堰塞湖等地质灾害。因此，应加强边坡变形的监测预警，并建立预警体系；同时，可利用边坡加固技术提高边坡岩体的稳定性。

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The slope sliding mechanism by mining steep deposit in transferred underground mining from open-pit

SUN Shi-guo,ZHAO Xue-fang,FENG Shao-jie，WANG Qun，YI Ya-nan

(North China University of Technology，Beijing 100144,China)

After underground mining from open-pit，Open- pit and underground mining interact with mutual disturbance,more complex factors，the risk of the Landslide increases.Knowing the mechanism of mining steep deposit in transferred underground mining from open-pit has a great significance for the development of mining resources in the deep.This article is based on yunye mine underground mining from open-pit in Beijing by the numerical simulation analysis method studying the effects of mining underground area in different regions with different spatial positions slope stability.And it reveals the induced by each other and mutual interference mechanism between the open pit mining and underground mining and the characteristics of exploited influencing scopes superimposed and included.On this basis，further analysis of the deformation and mechanism of rock slope caused by underground mining is made.The results prove that：when mining depth of 240m，the Composite Slope slope angle reaches the maximum，and the state of the slope is at risk；deformation of different divisions of dangerous mining is more consistent with the actual situation.

deformation mechanism；overprint characteristic；displacement vector；slope stability

2014-04-08

国家自然科学基金项目资助(编号：41172250)；国家十二五科技支撑项目资助(编号：2012BAK09B06)；北京市科研基地建设-科研创新平台、北京市科技成果转化项目、北京市创新团队提升计划项目联合资助

孙世国(1959-)，男， 教授，博士后，博士生导师，北方工业大学矿山安全与岩土工程研究中心主任，土木工程一级学科责任教授，国家和北京市政府安全生产专家组成员，中国岩石力学与工程学会理事，国际工程地质与环境协会中国专家组成员。E-mail：ssg918@163.com。

TU42;TD852

A

1004-4051(2015)03-0106-05