露天转地下矿山边坡残采及其稳定性研究

1、露天转地下矿山边坡残采及其稳定性研究南丗卿1，李闻杰2，张春正1（1.河北钢铁集团矿业有限公司，063000；2.河北省国控矿业开发投资有限公司，050021）摘要：露天转地下开采矿山关键问题是如何实现平稳过渡，而平稳过渡的关键是产量衔接问题。在过渡期内保持矿石产量的基本稳定而不出现大幅滑坡是矿山在该时期的一项重要工作任务。本文论述了实例矿山为确保过渡期的产量衔接而采取的有效措施，并重点论述了为保证措施的顺利实施所进行的边坡稳定性研究及其制定的确保安全的防治措施方案。本文的研究对露天转地下矿山具有一定借鉴意义。关键词：露天转地下；平稳过渡；边坡残采；稳定性研究0 前言目前，我国黑色金属矿山80

2、%以上的矿石量由露天开采完成，经过数十年的开采，大部分露天采矿的矿山其露天境界内的矿石已将采完，即将面临由露天转入地下开采的问题。由露天开采转入地下开采会遇到许多新的技术问题，而如何实现转折期间的平稳过渡是企业最关心的主要问题。矿山企业的生产经营活动在由露天转地下开采过程中要平稳过渡，而不是出现产量大幅下滑，效益大幅下降的局面。平稳过渡的主要问题是产量的衔接，还包括采矿工艺技术衔接、安全管理技术的转变以及矿山生产管理方式的转变等项内容。矿山由露天转入地下开采，要实现平稳过渡的理想效果和目标，必须针对由露天转地下遇到的问题进行认真分析和研究，制定出相适应平稳过渡的措施方案，依靠可行有效的措施方案

3、，解决影响露天转地下开采过程中的产量衔接问题及其安全技术问题。石人沟铁矿是我国露天转地下开采较早的铁矿山，该矿从2000年开始就着手进行由露天转入地下开采的建设，经过了转地下一期建设、二期建设及当前的三期扩大规模建设。该矿的转地下开采建设过渡期研究制定了一系列有效措施，而最主要的措施是露天边坡残留矿体的安全采出，使矿山产量保持了基本稳定，没有出现大幅下滑，实现了矿山的平稳过渡。1 石人沟铁矿简介石人沟铁矿是1975年建成投产的露天铁矿山，建设规模150万吨，该矿在建设之前的总体规划时即规划了矿山按露天与地下分两期开采，前期采用露天开采，后期转入地下开采。露天开采至20世纪末的1999年，露天境

4、界内的矿石储量已基本采完，急需转入地下开采，因当时铁矿石的市场价格过低，矿山企业处于亏损状态，转地下开采则会增大亏损，因此，迟迟未进行转地下建设，以致延误了转入地下开采的最佳时期，使矿山面临产量失衡的被动局面。该矿截至到2003年露天境界内矿石基本采完，地下采矿刚刚小规模生产出矿，地下矿石产量只有5万吨左右，露天转地下开采的生产衔接出现了问题，在露天境界内矿石彻底采完后，矿山就会出现产量大幅下降、企业生产经营困难的局面。在这种严峻的形势下，为使矿山产量不出现大幅下降，保持在一定的规模水平，矿山研究制定了一系列措施，其中最有效的措施是在对北部边坡内存留的残矿进行了分析研究后，经研究掌握边坡内留有

5、100余万吨的矿石量，如果采取可行措施将该部分矿量安全采出，对矿山过渡期的产量是有效的补充。但是，开采边坡内的矿石，会产生边坡失稳破坏的可能性，边坡一旦失稳，会造成重大的灾害事故，给企业带来灾难。因此，在开采边坡矿体前，必须进行稳定性研究，制定确保边坡稳定的安全措施，在确保安全的情况下才能进行边坡开采。546 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 2010年增刊第1期2 边坡残采稳定性研究2.1岩体物理力学参数确定石人沟铁矿边坡稳定性问题主要因破体内矿体开采会引起边坡岩体内部引起应力重新分布，进而引起边坡失稳破坏，为确保生产安全，必须在边坡

6、内矿体开采前进行边坡稳定性研究，制定保证边坡安全的措施方案。岩体物理力学参数是岩体稳定性研究的前提，因此应首先确定边坡岩体的物理力学。参数的选取是一项复杂的工作，同时岩体力学参数的选取也关系到计算结果的可靠性。岩体由于在漫长的地质历史中，经历了多次地质构造活动，导致了岩体中产生了纵横交错的结构弱面，在不同程度上改变了岩体的强度特征。通常通过工程类比法，从岩石的变形特性和岩体的结构特性来推测岩体的变形特性与强度特性。工程实践表明，岩石和岩体的工程性质之间有很好的互换性。根据石人沟的地质报告和地质资料以及现场的岩体状况分析，根据工程实践经验，可采用0.7的折算系数来确定岩体的弹性模量，采用1.0G

7、=的折算系数计算岩体的泊松比，根据公式E2(1+v)计算岩体的剪切模量。经分析计算的出边坡岩体物理力学参数列入表1。边坡岩体物理力学参数表 表1密度名 称弹性模量 泊松比剪切模量(g/cm3)E(GPa)水平方向垂直方向1.331.862.622.871.69v水平方向垂直方向G(GPa)水平方向垂直方向表土层 1.94 1.86片麻岩微风化层 片麻岩未风化层2.69 3.382.74 4.820.4 0.42 0.66 0.520.3 0.33 1.30 0.890.270.240.360.29 1.90 1.310.27 2.15 1.340.38 1.04 0.73磁铁石英岩 3.47

8、5.33断层破碎带 2.61 2.712.2残采边坡数学模型建立 1边坡残采方案的设定初步制定的边坡残采方案为在北部边帮进行平硐追脉开采挂帮矿，设计了1#、2#、3#平硐采矿方案，开采后在坡体内形成采空区。使用ANSYS软件建立平硐追脉开采的边坡三维数学模型，利用ANSYS软件强大的有限元计算功能分析平硐开挖后的边坡是否稳定，分析平硐开挖后对边坡的影响。 2三维有限元模型的建立（1）三维有限元边坡模型根据设定的边坡残采方案，利用1#、2#、3#平硐投影图和平面图以及北部边坡0m终了平面图，以边坡长310m、深200m、高度为135m为模型边界。为了消除边界效应的影响，1#硐左边和3#硐右边边坡

9、长度各取60m和100m，这样边坡总长度达到310m。同样为消除边界效应，各硐室采空区向后取60m，加上采空区和巷道长度共200m，平硐下部岩体厚度12m，根据这些数据采用ANSYS软件建立北部边坡三维模型，如图1所示。2010年增刊第1期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 547图1 石人沟铁矿北部边坡三维模型（2）开挖后的边坡模型根据边坡开采方案中1#、2#、3#平硐平面图（图3），得到平硐数据如表2所示。1#、2#、3#平硐结构数据（m） 表21#硐 2#硐 3#硐项目 巷道 第二段采空区 第三段采空区 巷道 第二段采空区 第三段

10、采空区 巷道 第二段采空区 第三段采空区硐口宽 9 - - 6 - - 5 - - 硐口高 3 - - 3 - - 5 - - 硐高 - 25.5 25.5 - 25 25 - 23 23 硐长 50 30 60 40 40 60 30 40 40 根据1#、2#、3#平硐（图3）资料图和数据，三个平硐分别为开采第一段、第二段和第三段矿体后形成的采空区。1#平硐走向近似垂直于边坡，建立模型时简化为垂直于边坡；2#平硐相对于1#平硐左向旋转8°；3#平硐第一段采空区相对于1#平硐右向旋转14°，第二段采空区又相对于第一段左向旋转100°，而第三段采空区相对于第二段右

11、向旋转90°。为了计算简单，有些曲线或折线看做直线做了简化处理，得到较为规则的相似于采空区的平硐和边坡三维模型，如图2所示。548 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 2010年增刊第1期图 2 北部边坡平硐开采后的边坡三维模型1#、2#、3#平硐位置和形状如图3所示。图3 1#、2#、3#平硐示意图（3）分层模型的建立根据石人沟铁矿的地质资料和工程实践，边坡上部有10m的表土层，表土层下是近20m的片麻岩微风化层，F10断层厚0.5m，建立边坡分层三维模型，如图4所示。2010年增刊第1期 工程勘察 Geotechnical

12、Investigation&Survrying 549图4边坡分层模型2.3 开采结束时边坡自重应力场分析在进行边坡建模后，利用ANSYS软件对边坡内1#、2#、3#平硐开采结束时自重应力场进行了分析与计算。从图5中可以看出，X方向压应力最大值为4.7MPa，比开采第二段矿体时的最大值增加了0.97MPa；拉应力最大值为1.98MPa，比开采第二段矿体时增加了1.741MPa。Y方向压应力最大值为6.06MPa，比开采第二段矿体时增加了2.41MPa；拉应力最大值为0.43MPa，比开采第二段矿体时增加了0.242MPa。Z方向压应力最大值为4.03MPa，比开采第二段矿体时减小了0.

13、81MPa；拉应力最大值为0.783MPa，比开采第二段矿体时增加了0.189MPa。开采结束时，1#、2#、3#平硐采空区的体积分别为19170m3、11280m3和28240m3。采空区的增加，加大了采空区周围岩体的拉应力，使边坡岩层处于应力调整中。从X方向和Y方向来看，在1#、2#、3#硐室上部的拉应力不仅范围比开采第二段矿体时更大了，断层上部几乎都呈现拉应力，而且拉应力最大值也分别比开采第二段矿体时增加了。实践表明，岩体的破坏主要是岩体受到拉应力所造成的，因此，X方向和Y方向拉应力范围和最大值的增加会使硐口被拉伸破坏的可能性加大，因此，应当加强硐口的加固，加强采空区顶板的支护和管理。虽

14、然三个方向拉应力最大值都有所增加，但增加值不是很大，没有出现较大的应力集中现象，残采后的边坡整体仍处于稳定状态。550 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 2010年增刊第1期（a）X方向应力等值线图（b）Y方向应力等值线图2010年增刊第1期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 551（c）Z方向应力等值线图图5 开挖第三段矿体边坡应力等值线图2.4 位移与应力变化分析1边坡平硐开采时X、Y、Z方向位移变化情况平硐追脉开采时的位移变化分为两种情况：一是各方向最大位移变化情况，二是边

15、坡总体位移变化情况。 各方向最大位移变化情况（mm） 表3 各方向位移X方向最大位移 项目 开采前 开采第一段 开采第二段 开采结束 正向 29.63 30.37，增0.74 29.33，减1.04 29.75，增0.42 发生部位 断层附近 三个平硐中间 三个平硐上部 三个平硐上部负向 1.07 1.08，增0.01 0.97，减0.09 0.99，增0.02发生部位Y方向最大位移 发生部位发生部位Z方向最大位移 坡顶左前角 1硐室下部 坡顶后部中间 坡顶左前部 坡顶左前部 坡顶右前角 正向 0.33 0.42，增0.09 2.20，增1.78 1.98，减0.22 3硐室下部 3#二段矿体

16、处 3#采空区 坡顶后部中间 坡顶后部中间 坡顶后部中间 负向 64.73 65.44，增0.71 67.76，增2.32 67.93，增2.49 正向 3.43 5.82，增2.39 10.51，增4.69 10.53，增0.02 发生部位 1#平硐上部 1#、2#平硐间 断层处 1#、2#平硐上部负向 3.91 4.80，增0.99 9.15，增5.35 11.69，增2.54发生部位 3#平硐上部 3#平硐上部 断层处 1#、2#平硐上部从X、Y、Z各方向的位移和边坡总体位移分析，得到如下结论：（1）通过ANSYS建立石人沟铁矿残采边坡三维数学模型，进行数值模拟计算分析表明：石人沟铁矿露

17、天边坡进行平硐追脉开采后，对整体边坡影响不是很大，残采边坡整体是安全稳定的。（2）最大一段采空区位于3#平硐第三段，达到15360m3，由于采空区上部断层的存在，Y方向负向（向下）和Z方向的位移变化较大，与每一步开采前后相比位移最大值都是增加的，位移增加量达到25倍，位移最大值多发生于三个平硐上部和断层附近，因此，平硐硐口和采空区顶板应成为安全管理的重点，加强支护和维护，防止硐口塌落和顶板破坏。（3）随着边坡向前追脉开采，巷道不断加长，采空区体积不断增大，从而使边坡岩层位移逐渐增大，特别是断层附近位移变化较明显，因此，应当加强边坡管理，采取必要的防范措施；采空区使F10断层的552 工程勘察

18、Geotechnical Investigation&Survrying 2010年增刊第1期初始平衡状态被打破，反过来，断层的变形又影响巷道及采空区顶板的安全，所以应当加强顶板管理，根据实际情况采取必要的支护和防护措施。 2.边坡平硐开采时X、Y、Z方向应力变化情况表4列出了X、Y、Z方向压应力和拉应力最大值变化情况。各方向压应力和拉应力变化情况（MPa） 表4开采 阶段压应力 最大值开采前 2.3 第一段 2.12减0.18第二段 3.73增1.61第三段 4.7增0.97X方向应力拉应力 最大值 1.22 0.293 减0.927 0.239 减0.054 1.98 增1.741

19、Y方向应力 压应力 最大值 3.01 2.75 减0.26 3.65 增0.9 6.06 增2.41拉应力 最大值Z方向应力 压应力 最大值拉应力 最大值0.397 2.62 0.492 0.166 减0.231 0.188 增0.022 0.43 增0.2422.75 增0.13 4.84 增2.09 4.03 减0.810.297 减0.195 0.594 增0.297 0.783 增0.189从表4中看出，随着追脉开采深度和采空区的不断增大，边坡各方向主应力最大值和最小值大都增加，有的增加幅度较大，但都没有达到边坡岩体的抗拉强度极限值，也没有产生应力集中现象， 边坡开采后总体稳定性分析结

20、果总结如下：（1）石人沟铁矿露天边坡进行平硐追脉开采没有破坏边坡岩体整体结构，边坡仍处于安全稳定状态。 （2）随着边坡向前追脉开采，巷道不断加长，采空区体积不断增大，从而使边坡断层附近及其上部岩体拉应力逐渐增大，在Y方向上，开采结束与开采第二段矿体时拉应力最大值的增量，是开采第二段矿体与第一段矿体时拉应力最大值增量的2倍，增大了采空区、断层及其上部岩层下沉的趋势，由于岩体主要是受拉应力破话，因此应当加强采空区的支护，加强顶板管理，降低或消除拉应力对顶板和断层的影响。（3）边坡在开采第一段矿体时，在Y方向上1#平硐硐口上部出现拉应力，2#平硐硐口上部也出现拉应力，但较小，3#平硐硐口上部刚刚出现

21、受拉的迹象。在开采第二段矿体时，在Y方向上1#、2#、3#平硐硐口上部都出现拉应力，而且拉应力都呈现增大的趋势，不仅如此，在X方向上三个硐口上部也均出现拉应力。当开采结束时，在Y方向上1#、2#、3#硐口上部拉应力都继续增大，这表明随着时间的推移，硐口有破坏的趋势。因此，在开采后，应当及时加强平硐硐口的支护，防止硐口坍塌和滑落。 3 残采边坡安全措施的制定边坡平硐追脉开采后虽然边坡岩体没有受到破坏，边坡整体是稳定的，但从数值模拟分析结果来看，由于F10断层的存在，平硐硐口和局部采空区顶板出现拉应力，因此，应当根据现场实际情况，采取不同的措施对平硐硐口和局部顶板进行必要的治理和加固。常用的边坡治

22、理措施主要有：（一）削头减载措施削头减载是将边坡上部一定范围内覆盖层或岩体削掉，以降低边坡总高度，其作用是减少边坡可能发生滑动破坏的下滑力。石人沟铁矿露天边坡坡顶可以削去部分表土层，以减少表土层的流失和下滑。（二）排水和截水措施水压对边坡稳定有极为重要的影响，因为水压会使边坡的稳定性减小，因此减小水压可使边坡的稳定性加大。在坡顶修筑引水沟和排水沟，把地表水和大气降水引入排水沟排到远离边坡的安全地带，不要使坡顶水顺坡面流淌，这样会使水沿坡面裂隙大量渗入坡体内，使水压的危害从坡顶转入下一水平。2010年增刊第1期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survry

23、ing 553排水措施可分为坡内排水措施和表面排水措施两种。坡内排水措施包括在边坡内设置的排水平硐、排水竖井，或在排水平硐和排水竖井内打的排水孔，以及在边坡表面上打的排水孔。坡内排水措施可降低坡内的地下水位，减小作用在边坡滑体上的水荷载。一般来讲，坡内排水措施是一种较有效的边坡处理措施之一。残采边坡应当把平硐内的地下水尽快排出，减少水的危害。石人沟铁矿露天边坡由于平硐追脉开采的地势较高，又由于露天最终开采水平为0m，降低了边坡地下水位，在平硐内没有出现地下水。表面排水措施包括在坡顶和坡面上构筑必要的排水沟和截水沟，拦截边坡以外的水流进入坡体，使地表水和大气降水集中排出，减小裂隙水压力对边坡稳定

24、的不利影响。表面排水措施是岩质高边坡加固处理中一种快捷、经济和有效的措施。截水措施包括作防渗帷幕、防渗墙等。在边坡滑体的适当位置做防渗帷幕和防渗墙可降低边坡内的地下水位，减小作用在边坡滑体上的水荷载，从而提高边坡的安全度。应在边坡坡顶表土层修筑排水沟，在边坡外缘设置截水沟，采取表面排水措施；使用粘土填平坡顶沟渠，夯实坡顶表土层，做好坡顶坡面的防渗处理，杜绝地表水和大气降雨经过表面张裂隙流入边坡内。（三）锚固措施锚固措施采用预应力锚杆或锚索支护。预应力锚固是采用预应力锚索、锚杆或钢丝对岩体进行加固，通过对可能失稳的岩体主动施加压力，提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力（通过提供正压力、反向力实现），从

25、而提高边坡的抗滑稳定安全度。在预应力锚固措施中，预应力锚索的应用最为广泛，其主要的特点是施工方便快捷、占用场地少和加固效果好。石人沟铁矿在局部采空区可以使用预应力锚索或锚杆加固，减小断层对采空区顶板的危害。（四）防护边坡防护包括植物防护和工程防护。1植物防护植物防护是在坡面上栽种树木、植被、草皮等植物，通过植物根系发育，起到固土作用，防止水土流失。石人沟铁矿可以在残采边坡坡顶、坡面的表土层种植草皮或其它植被，采取植物防护措施，防止土质边坡被雨水冲刷危及整个边坡，达到稳定边坡的作用。2工程防护工程防护主要有喷射素混凝土防护和挂网锚喷防护。喷射素混凝土防护是对于稳定性较好的岩质边坡，可在其表面喷射

26、一层素混凝土，防止岩石继续风化、剥落，达到稳定边坡的目的，这是一种表层防护处治措施。挂网锚喷防护是对于软质岩石边坡或石质坚硬但稳定性较差的岩质边坡，在边坡坡面上铺设钢筋网或土工塑料网等，向坡体内打入锚杆(或锚钉)将网钩牢，向网上喷射一定厚度的素混凝土，对边坡进行封闭防护。石人沟铁矿残采边坡硐口可以根据硐口岩性和稳定性程度采取相应的喷射素混凝土或挂网锚喷防护措施。（五）控制爆破在地下开采爆破时，应控制一次爆破装药量和每段装药量，减小爆破震动对残采边坡的冲击和破坏。（六）现场监测为实现残采边坡的安全管理，必须加强残采边坡的观测与监控，重点监测边坡平硐硐口附近、断层以及边坡中上部岩体位移变化，根据边

27、坡位移情况采取相应的治理措施。4 边坡矿体开采实践在对边坡稳定性问题进行了研究并制定出安全对策后，确定了边坡残矿回收方案。该方案实施后，554 工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 2010年增刊第1期过渡期间的4年内从北区边坡内采出的残留矿石量达78多万吨，这部分矿石量的安全采出，有效地补充了露天转地下过渡期的产量不足。石人沟铁矿 2004年至2007年矿石产量统计表（万吨） 表5通过对统计表进行分析，从2004年至2007年地下工程采矿合计占4年总出矿量的43.96%，如果仅靠此来维持矿山生产，是远远不够的，会造成矿山产量的大幅下滑。经

28、过边坡稳定性研究并制定安全技术措施后，进行了边坡残采，使矿山每年的矿石产量均维持在85万吨以上，铁精粉产量维持在30万吨以上，从表中可以看出，边坡残采在过渡期对矿山年产量的平均贡献率达到了21.66%。5 结束语露天转地下矿山的关键问题是平稳过渡问题，矿山要实现平稳过渡必须研究制定有效的措施方案。从石人沟铁矿露天转地下开采已实现平稳过渡所取得的经验来看，露天边坡残留矿体的安全采出是对过渡期矿石产量的有效补充，是实现平稳过渡产量衔接的可行措施。边坡岩体稳定性问题必须提前进行研究，数值模拟分析与计算的方法是边坡稳定性研究的有效方法。在研究制定了可靠的安全技术措施方案，确保边坡安全的情况下才能顺利地

29、将边坡矿体采出。参 考 文 献1.姜德义，朱合华，杜云贵编著.边坡稳定性分析与滑坡防治.重庆：重庆大学出版社，2005.32.蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程.北京：科学出版社,2002.83.王建锋，李世海等.重庆武隆“五一”滑坡成因分析.中国工程科学, Vo1.4,No.4,22-28,20024.南世卿，石人沟铁矿露天转地下开采建矿模式和采矿方法的研究，矿业快报，2006，5：28-305.万德庆，艾立新，周会志. 露天转井下开采的平稳过渡措施J.矿业快报，2001,(363):5-6.6.李斯基. 露天转地下开采不停产过渡的探讨J.冶金矿山设计与建设,1999,31(5):3-8.7.常兴建,耿付顺, 赵兴东. 境界矿柱厚度确定方法研究J.有色矿冶，2003,19(5):7-8.8.李 欣,李俊华. 石人沟铁矿露天转地下开采中的难点及对策J.矿业快报，2002,(397):4-6.9.李定欧. 露天转地下开采矿山防洪排水的探讨J. 冶金矿山设计与建设,1997,29(3):6-11.10.张永彬,赵兴东,马天辉,等.露天转地下境界顶柱稳定性分析J.采矿技术, 2003,3(2):29-31.Slo