孙世国 宋腾飞 刘维东 肖 剑

（1.北方工业大学土木工程学院，北京100144；2.中冶交通建设集团有限公司，北京100011）

在井工开采转为露天开采的过程中，前期井工开采后采空区次生应力场和露天开采诱发的应力场的演化都在不同程度地影响岩体边坡［1-5］。由于井工开采会影响坡体稳定性，应力场、各层覆岩顺序也会随之发生变化、岩体的整体强度会降低。这将直接影响到露天开采形成的边坡稳定［6-11］。因此边坡的安全性需要考虑井工开采与露天开采的综合作用。本研究以紫金山金铜矿为背景，从地下采空区顶板厚度承载能力的可靠性出发探索侧上部边坡失稳的可能性及安全生产与灾害控制问题，从而预防灾害发生。

1 工程概况

紫金山金铜矿地势复杂，矿床区海拔在500 m以上。初期采用露井联采方式，后期完全露天开采，据资料显示高陡边坡最大高差约为434 m。经过前期的井工开采，已经形成的多个矿房海拔均在520 m左右。

边坡地质情况较为特殊，岩石结构较为复杂，经过长时间的风化腐蚀，采场内有多条较长区域性断层，形成羽状结构面100多条，节理裂隙分布密集且数量较大，这些影响因素都会干扰对岩体边坡的稳定性、完整性的判断。

矿区主要由高达60%以上的中细粒花岗岩以及安玢岩、角砾岩组成。采场边坡的岩体主要有块状、散体、镶嵌等结构。

2 不同顶板厚度沉降变形诱发西帮边坡稳定性分析

2.1 数值模拟分析法确定采空区顶板安全厚度

经过前期调查审核确定金铜矿矿房跨度约为15 m，应用几种理论方法计算，得出的最小顶板安全厚度如表1所示，且厚度的平均值为13.83 m。安全顶板厚是按照平均跨度计算的，是为了满足采空区最小跨度安全时所采用的的安全厚度，只能作为参考使用，且选取的安全厚度均要大于表1中几种算法计算出的结果。由于采空区中跨度并不是均匀的，且跨度最大差值存在一定差距，平均值只能满足较小跨度的安全，在大跨度时顶板安全厚度将不再满足此值，故在选取时会选择多组数据进行对比，才能界定出来较为安全的顶板厚度。故在下文选取了几组不同顶板厚度进行对比分析。

有限差分法的突出优势就是能够较好模拟复杂岩体的应力—应变关系，本文采用FLAC 3D对工矿进行分析，研究了井工转露天开采下采空区不同顶板厚度对边坡稳定的影响。

图1为井工采区与露天边坡位置关系分布图，井采区包含460 m中段和560 m中段（如图2所示），表2为矿区各地层物理岩石力学参数。

根据工程中实际矿房分布图，模拟选取的地下采空区有较为明显的特性，此区域也非常具有代表性，据资料显示：矿房长度为30～120 m，跨度为15 m左右。由于边坡轮廓和地质结构的特殊性，采用MIDAS建立模型，导入FLAC 3D后进行分析。计算模型范围长宽高为2 000 m×135 m×950 m。模型如图3所示。

顶板破坏的形式一般拉伸破坏、剪切破坏2种形式。顶板发生剪切破坏的同时塑性区一般情况下也会贯通。

因露天开采不断延深，对矿房造成的损伤也会随深度的不同而改变，现模拟采空区不同顶板厚度（68 m、56 m、44 m）并进行塑性区破坏分析。从图4中可以看出不断向深部开采的过程中顶板的厚度不断减小下的塑性区破坏变化情况。剪切应力塑性区分布也比较有特点，其主要分布在坡脚处以及矿柱周围。坡脚与顶板两端在露天开采过程中会受到剪切应力作用。顶板两帮剪切塑性区区域大小与中间矿柱剪切塑性区呈负相关，当顶板厚度减小时，中间柱塑性区增加，坡脚塑性区则减小，主要原因是顶板厚度改变、自重减少导致受到的拉应力减小。

随着顶板厚度逐渐改变，顶板抗拉压性能改变，承重能力变低，顶板中部的变形逐渐变大，最终塑性区贯通破坏。中间矿柱剪切塑性区增加。矿柱承受上部顶板的重力，且可以看出随着顶板厚度的递减坡脚剪应力塑性区也在不断减小，但顶板上剪应力塑性区随即开始发生且发生区域也较有规律性，均发生在矿柱上方以及矿柱上方周围处。从图中可看出塑性区在贯穿过程中的延伸也具有较强规律性，塑性区从开始发生到贯通破坏区都是从第1根矿柱、第2与第3根、第4与第5根上方产生斜裂纹，当顶板厚度达到44 m时塑性区完全贯通即发生破坏。

当顶板厚度为44 m时，顶板将发生断裂破坏，厚度为56 m时，塑性区未贯通，所以最小安全厚度应在44～56 m之间。通过厚度折减法在计算中不断调整顶板厚度来得出最小安全顶板厚度，由图4中顶板厚度44 m、45 m的剪切破坏塑性区破坏图显示，顶板厚度为45 m时塑性区未贯通，并由此确定顶板的最小安全厚度为45 m。

2.2 不同顶板厚度沉降变形诱发西帮边坡稳定性分析

图5是露天开采不断延深，不同顶板厚度下水平应力变化云图。由于自重作用和地表荷载的作用，顶板将产生不同程度的弯曲。随着露天开采延深，地表的压应力也随顶板厚度改变逐渐变小，这些压力的改变也使得采空区顶部产生的拉应力增大，拉应力区域也由坡脚逐渐向矿柱密集处延伸，承受压应力的区域也逐渐从坡脚周围处变化到矿柱正上方。可以清晰看出坡脚发生拉应力的位置在改变，这也充分说明了坡脚在逐渐改变

这是因为顶板厚度的改变使得顶板自重减小的同时，开采位置也在改变，顶板沉降的同时坡角的位置和坡脚都将发生改变，此时顶板与坡角之间的拉应力逐渐减小，而对顶板的压应力也随着局部坡脚的增大而增大。采空区域的顶板因受到较大压应力而破坏，这时断裂使得侧壁与边坡成为一体，并导致坡角增大，坡脚处产生应力集中并产生剪应力破坏，从而导致滑坡。

3 西帮边坡稳定性分析

图6为顶板厚度由68 m到44 m西帮滑面图。通过对比图6中68 m、56 m、45 m、44 m 4种不同的顶板厚，可以看出随着顶板厚度的不断减小对边坡的影响范围也在逐渐扩大。顶板厚度大小与影响范围之所以呈负相关，是因为在井工转露天开采时，随着开采深度逐渐加深，顶板周围岩体发生不同程度的形变，顶板也将会发生不等距的沉降，顶板内部弯矩、剪力等力学性能也发生相应改变。且由于顶板厚度的减小，顶板刚度发生变化、承载能力减弱，较薄顶板会发生较大形变，会对坡脚周围土体产生较大影响，所以边坡滑道位置也发改变。所以顶板厚度改变会对边坡稳定性产生不同程度的影响。

表3是不同顶板厚度下西帮边坡稳定性计算结果，分析对比表中的数值可以得出，在井工转露天开采时，顶板的厚度与岩体边坡的安全系数呈正相关，顶板厚度减小，安全系数也随之递减。在开采深度逐渐延深，边坡的安全系数改变，稳定定性受到较大影响。当顶板厚度达到45 m时安全系数也接近于1，此时西帮边坡处于临界状态，即顶板厚45 m是最小的安全厚度。

4 结 论

以工程实例为背景，通过数值模拟方法系统研究了井工转露天开采工况下顶板厚度从68 m逐渐减小至44 m时顶板的安全性，以厚度折减法计算出45 m为顶板最小安全厚度，且经过数值模拟验证合理。同时研究了井工转露天时不同顶板厚度对上部边坡稳定性的影响规律，并得出当顶板变薄时上部边坡稳定系数变小，以及随着顶板变薄边坡应力场的演化特点，得出随着顶板变薄坡脚处塑性破坏区增大，从而导致边坡稳定性安全系数逐渐变小。因此在井工转露天开采过程中，为了确保安全生产需要确保顶板有足够的厚度，避免作业设备和人员坠入老井采区及滑坡灾害发生。