露天转地下开采下矿山边坡稳定性难点解析

         露天转地下开采下矿山边坡稳定性难点解析

                               ,李小双, ,滕琳, 王燕, ,胡涛

                     齐鲁理工学院土木工程学院 山东 济南 250200

摘要：目前,我国露天开采的矿山普遍面临一个共同的问题,即随着露天开采的延深,剥离费用会不断增加,所形成的高陡边坡将给矿山安全带来严重威胁，从而造成采矿成本不断增加,从安全和经济方面考虑,这些矿山需从目前的露天开采转为最终的地下开采。矿山由露天转地下开采后，边坡及坑底周围岩体与地下开采组成一个复合动态变化体系，其变形和力学行为极为复杂，局部呈现出典型的非线性特征。

关键词：露天转地下；采动响应；动态演化特征；力学分析模型；形态方程

引言：“十二五”末期以来，我国露天矿主产区的露天矿山均进入深凹露天开采阶段，部分矿区甚至已经转入地下开采阶段。特别是重要经济区、生态功能区、重点流域的连续层状矿床，呈缓倾斜、薄至中厚、软夹层的赋存状态。由于其成矿年代久远、历经多次地质构造与浅部露天采矿作业扰动，局部呈现典型的松散体特征，矿体顶板与围岩节理、裂隙发育，属于典型的不稳定岩体类型。其矿山由露天转入地下开采后，矿体上盘附近还矗立有露天开采形成的层状高陡岩质边坡，该类型露天边坡的存在对地下开采工程产生重要影响。因此，现阶段需通过现场调研、相似材料模拟试验、数值模拟试验和理论研究，对复杂地质赋存条件下矿床露天转房柱法地下开采后，地下开采与边坡耦合作用下体响应的演化特征及其动态效应进行系统深入研究，以揭示露天层状高陡岩质边坡与地下采场围岩及其上覆岩体的非线性变形机制与动态失稳机理。相关成果对我国复杂地质赋存条件下矿山露天转地下后地压管理与控制及露天边坡的安全维护具有重要的学术意义和实际应用价值。

 1.露天转地下开采的特点

自上世纪50年代以来，全世界现已建有有色金属、钢铁、煤炭、黄金、化工等各类露天矿山1500余座。按矿山当前生产能力计算，露天开采在各类非能源固态矿床开发中所占的比重约为：有色金属矿50%，铁矿87%，化工原料矿71%，建材矿山近100%。经过几十年持续高强度的开采，绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段，大部分矿山正在或者已经转入地下开采。露天矿进入深凹开采阶段后，一方面采场水平不断延深，采场作业尺寸逐渐缩小，工作平台宽度变窄，运输距离增加，运输效率降低，矿山生产能力下降，作业成本显著增加；另一方面露天边坡越来越高，边坡控制和管理的难度愈加困难，对生产的威胁日益加剧。此外采场的环境污染越来越严重，劳动、作业条件日益恶化，劳动生产率显著降低。露天开采具有的投产快、基建投资少、安全指数高、损失贫化指标好等优势逐步丧失。因此，随着露天坑的延伸扩大，剥采比增幅显著，并形成了深凹底坑和陡峭的露天终了边坡，使得矿山开采不仅技术难度加大，而且无经济效益可言，这些因素迫使深凹露天开采矿山转入地下开采。

2.矿山边坡安全特性

露天转地下开采是一项复杂的系统工程，它不是一个孤立“转”的过程，需要把露天和地下作为一个整体，通过科学规划和完美衔接，实现总体安全高效开采。露天开采平稳过渡到地下开采最为关键的岩石力学难题是：同一岩体（区段）经历数个应力场的作用，使其应力与变形机制十分复杂，局部呈现典型的非线性、突发特点，给露天边坡的安全维护与地下采场地压的安全管理与控制带来严重挑战。矿山露天转地下开采后，露天终了边坡及坑底周围岩体与地下开采组成统一的复合开采系统。露天终了边坡及坑底周围岩体在露天开采时期受到开挖卸荷的应力扰动，在局部地段产生应力集中，并在破体内形成潜在滑坡体。在此基础上再转入地下开采阶段，地下矿体开挖对其造成二次扰动，并随着开挖空间的推进，二次扰动效果的动态叠加，不断地影响并改变其应力与变形状态。同时，露天边坡及坑底周围岩体受扰动后的应力重新分布与变形破坏变化对地下开采也产生重要影响，使得两个体系之间的危害相互诱发，从而组成一个复合动态变化系统。

 3.露天转地下开采的相关问题

“十五” “十一五” “十二五”与“十三五”期间我国科研工作者从露天转地下开采后地下开采对边坡的变形破坏影响机制、露天转地下开采后边坡的失稳机理与变形特性、露天转地下开采后的过渡方案、露天转地下开采后坑底覆盖层与隔离顶柱的稳定性与适宜厚度、露天转地下开采后地下采场结构参数与围岩变形破坏特征等方面进行了大量的研究工作，取得了较为丰硕的研究成果。但由于矿山露天转地下开采是一项复杂而庞大的系统工程，会遇到许多采矿安全方面的技术问题。同时由于各类矿山地质采矿赋存条件、采矿工艺、采矿方法和开采技术差异较大，加之露天边坡与地下开采环境的复杂性和不确定性，当前露天转地下开采后矿山边坡与地下采场围岩及其上覆岩体的应力分布特点、变形破坏特征及失稳机理的研究成果尚未形成系统的理论体系，露天转地下开采后边坡岩体与地下开采相互作用下的岩体力学行为与工程响应特征问题依旧是一个影响安全生产的突出问题。

目前国内外露天转地下开采的研究对象主要集中在倾斜与急倾斜厚大脉状或者块状金属矿床的铁矿、铜矿，极少涉及缓倾斜薄至中厚层状非金属矿，研究内容的焦点主要集中在具体技术问题研究（露天转地下后的地下采矿方法与采场结构参数、露天坑覆盖层与隔离顶板厚度、露天与地下过渡期的开拓方式与采矿方法）与地下开采对露天边坡的影响效应及作用机制理论研究（地下开采影响下边坡稳定性及其评价方法、地下开采影响下边坡岩体的移动与变形破坏规律、地下开采扰动下边坡岩体的致灾机理），而关于露天转地下开采后露天边坡对地下开采的影响效应及作用机制（边坡的坡高与坡角对地下开采的影响效应）、露天转地下开采后岩体应力场、位移场、变形破坏场的演化过程及其动态变化特征、露天转地下开采后地下采场围岩及上覆岩体变形破坏演化的形态特征方面的研究涉及较少。露天矿边坡对地下采场围岩及其上覆岩体的应力分布、移动破坏模式及其稳定性有何影响，影响到何种程度，未形成理论上的统一认识，边坡与地下开采耦合作用下的岩体非线性变形机制及动态失稳机理缺乏足够认知，无法为露天转地下开采后采场地压管理与控制及露天边坡的安全维护提供科学依据与指导。

4.矿山露天转地下开采的关键科学问题

（1）层状高陡岩质边坡与房柱法地下开采耦合作用下岩体的采动演化特征露天转地下开采是边坡与地下开采所组成的“露井二元复合采动系统”应力场、位移场、变形破坏场不断演化的过程，所有矿山压力现象都是随着矿体采出、应力重新分布及岩体的位移运动与变形破坏所引起。因此研究露天转地下开采后层状高陡岩质边坡与房柱法地下开采耦合作用下岩体的采动演化（应力场、位移场、变形破坏场）特征，是揭示露天转地下开采后边坡与地下开采耦合作用机理的重要关键基础科学问题。

（2）露天转地下开采后岩体采动演化的动态效应

矿物开采（露天或者地下空间开挖）后，造成岩体应力重新分布，引起周边与上覆岩体的移动与变形破坏，并在岩体中形成离层、弯曲、垮塌、片帮、采动裂隙。层状高陡岩质边坡及坑底周围岩体与地下采场围岩及其上覆岩体应力场、位移场、变形破坏场的演化是一贯穿露天转地下开采始末的动态过程，岩体位移场、变形破坏场的演化势必影响到岩体应力场的形成、发展、演化和失稳过程，而岩体应力场演化又影响岩体位移场与变形与破坏的演化过程，上述几者在开采过程中的内在关系仍不清楚，故有必要开展露天转地下开采后岩体采动演化的动态效应研究，查明应力场、位移场、变形破坏场的各主要影响因素，从而阐明各因素相互间的支配关系，进而构建相应的岩体力学分析模型，并提出其采动失稳的力学条件判据，最终揭示边坡与地下开采耦合作用下非线性变形机制与动态失稳机理。

   5.结束语

综上所述，有关的国内外行业正在对露天采矿技术进行深入研究。目前，我国的露天转地下矿山很多。基于岩体力学理论、弹塑性力学理论、矿压理论、Reissner 中厚板理论，采用数学化归分析法，引入 Trimble GX 3D 扫描仪、PhotoInfor 和 PostViewer 数字照相测量系统等先进监测手段，采用现场调研、相似材料模拟试验、FLAC3D数值模拟试验与理论研究分析相结合的综合研究方法，开展复杂地质赋存条件下缓倾斜含软夹层薄至中厚磷矿床转房柱法地下开采后，层状高陡岩质边坡与地下开采耦合下岩体响应的演化特征及动态效应研究，拟揭示露天转地下开采后边坡及坑底周围岩体、地下采场围岩及其上覆岩体的非线性变形机制与动态失稳机理，在当前条件下是完全可行的。因此，我们应该对这些矿山进行全面和切实的研究，以便找到合理和科学的采矿方法和措施，提高采矿工作的效率和水平。

基金项目：山东省自然科学基金（ZR202112040076)；山东省高等学校“青创人才引育计划”(边坡安全管控与灾害预防技术创新团队)项目。                                   

作者简介：李小双(1983-)，男．湖北随州人，齐鲁理工学院教授．主要从事矿山边坡稳定性方面的研究。E-mail: 464965743@qq.com