大新锰矿露天转地下开采边坡稳定性分析

冯春辉，张丽云，潘美浪，玉 皇

（1.中信大锰矿业有限责任公司 大新锰矿分公司，广西 大新 532315；2. 中信大锰矿业有限责任公司 广西 南宁 530029）

大新锰矿露天转地下开采边坡稳定性分析

冯春辉1，张丽云2，潘美浪1，玉 皇1

（1.中信大锰矿业有限责任公司 大新锰矿分公司，广西 大新 532315；2. 中信大锰矿业有限责任公司 广西 南宁 530029）

在露天转地下开采过程中，为了研究大新锰矿边坡岩体稳定性及其对地下开采的影响，分析了该矿的边坡稳定性因素，探讨围岩移动变形、应力分布特征和破坏机理。以大新锰矿典型的中部矿体的回采为工程背景，采用FLAC3D程序创建数值模型，对处在回采的矿房上覆边坡岩体进行失稳分析，给出了再开采过程中容易产生失稳破坏的部位及失稳破坏机理，对今后矿山地下开采提供合理的采矿参数和支护方法。

锰矿床开采；边坡失稳性；露天转地下开采；三维模拟分析

0 前 言

随着我国矿业经济持续稳定发展，露天开采的地表矿产资源日益枯竭，后期探明可采的矿体往地下深部延伸，矿山利用露天转地下开采方式对深部矿体回采。边坡岩体在复杂开采及应力场叠加等条件下受到多次扰动，岩体变形量、位移量增加和应力状态复杂化，造成边坡岩体失稳形式多样化［1］。边坡岩体失稳破坏是一个复杂物理力学变化过程，与地形地貌、岩体结构、构造应力及结构面强度、外力荷载作用及采矿方法等因素有很大关系［2］。边坡失稳问题益发突出，严重威胁矿山安全生产。

目前，随着计算机高速发展，广泛运用数值模拟对露天转地下开采边坡稳定性预测，然后数值模拟简化了真实体，建立模型所需参数的精确度对模拟分析影响较大。结合大新锰矿露天转地下开采特点，对矿房上覆的边坡岩体失稳性分析，目的是为安全生产、安全技术措施。

1 工程概况

广西大新县下雷镇境内的大新锰矿长期的露天开采，地面锰矿资源锐减，目前露天开采已接近最终开采境界，矿石产量不能满足下游深加工需求。为确保大新锰矿正常生产及今后矿山发展要求，须加速推进地才矿石回采。

锰矿为浅海相沉积型矿床，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个矿层组成锰矿体，其中Ⅰ矿层均厚1.72 m、Ⅱ矿层均厚2.36 m和Ⅲ矿层均厚1.68 m。Ⅲ矿层顶板为硅质岩，Ⅰ矿层底板为泥质灰岩、夹泥质岩。Ⅰ矿层与Ⅱ矿层为硅质灰岩的夹层一，均厚约2.5 m；Ⅱ矿层与Ⅲ矿层为锰质泥灰岩或锰质泥岩的夹层二，均厚约0.5 m。矿层倾角变化较大。三层矿展布具有连续性，由西向东矿层埋藏由浅变深，埋藏深在：0 ～ 435 m。

中部地下锰矿体属于倾斜薄矿体，其地质条件较为复杂，多褶皱，矿层变化较大，地质品位约在20％，开采难度相对较大。地表不允许崩落，可选的方法有全面法、房柱法、房柱嗣后充填采矿法等开采方案。充填采矿法成本高、矿块回采能力相对较低和充填作业工艺繁琐，故拟用中深孔留矿法。沿矿体走向布置，其矿块主要参数为：长：60 m，斜长：65 m，采高：矿体垂直厚度，间柱：8 m，底柱：8 m，隔离层：22 m。以开挖的矿块为作为模拟的基本单元，对边坡及矿房间柱应力进行保守计算。

2 构建三维数值模型

FLAC3D数值模拟程序主要应用在岩石力学、岩土力学等特性分析，亦可用于采矿巷道稳定性、矿体边坡岩体等采矿工程，水利枢纽岩体稳定性分析等水利工程研究。采用FLAC3D内置的摩尔—库仑（Mohr-Coulomb）模型，屈服准则公式：

式中 最大主应力-σ1，最小主应力-σ3；内聚力- C；内摩擦角-ϕ；当f ＞0，介质材料出现剪切破坏形式，当f-1≥0时，介质材料出现拉伸破坏。在三维数值模拟过程中采用的矿岩体物理力学特性参数（见表1）。

表1 矿岩物理力学特性参数

以矿岩物理力学特性参数为基础数据，通过转换关系公式（3）、（4），计算出体积模量和剪切模量：

式中 K——体积模量，MPa；

G——剪切模量，MPa；

E——弹性模量，MPa；

μ——泊松比。

结合锰矿地质条件、矿体几何空间形态及中深孔留矿法回采的特点，矿块结构参数为：隔离层：22 m，间柱8 m，模拟分析现状的回采方案对边坡岩体稳定性。以锰矿标高340 m中段地质平面图、10号线地质剖面图等作为基础资料，以10号勘探线边坡岩体的特性、矿房采场参数等工程地质条件，建立露天与地下开采的三维有限元分析数值模型，如图1所示。

图1 几何模型示意

建立的三维矿体模型沿走向布置，如图2所示。

图2 矿体沿走向模型

图2 示意图中用蓝色、绿色表示矿体下盘和上盘的围岩；红色表示矿体。三维数值模型单元为372 000个，节点为399 318个。考虑矿体埋深特性，垂直应力为单位面积上覆岩的自重，原岩应力主要以重应力为主。

3 边坡应力分析及支护措施

3.1 数值模拟应力分析

大新锰矿中部采区目前是由露天转地下开采，因对地下矿体回采致使边坡岩体受到二次扰动。当复杂的应力叠加作用于边坡岩体，超过其承载极限能力时，会出现不同程度上的失稳破坏。图3为280 m 水平中段开采完毕后矿房间柱底部出现应力集中状态，其应力主要来源于隔离层重新分布的重应力，间柱的应力最大不超过5 MPa，回采矿体对边坡及隔离层的切割作用并未造成上盘岩体断层构造两侧产生位移差形成微裂隙，下盘坡体受到的影响很小。

图3 结束回采时矿房间柱最大主应力云

图4为-280 m 水平中段开采完毕后矿房间柱底部应力出现了应力集中形态，随着矿体不断进行回采，矿房间柱底部存在一定的拉应力，表明容易出现受拉破坏，但从数值模拟结果发现间柱底部的最大拉应力并未超过矿房间柱底部的最大拉应力，表明矿房间柱在开采完毕后是稳定的，未受到拉应力的破坏，进而得知边坡岩体在最大拉应力方向未出现因拉应力造成的明显破坏。由此从图上可知受开采和重力影响边坡稳定性趋于保持安全稳定。

沿倾向垂直位移分析：图5为280 m开采完毕后沿着倾向垂直位移应力形态，在地下矿体的回采过程中，上盘的边坡岩体会出现沿倾向垂直位移。由数值模拟分析结果可知矿体上盘沿倾向垂直位移的最大值约在10 mm，并未给上盘岩体造成大面积下沉而出现崩落垮塌现象，与实际开采过程中相一致。

图4 结束回采时矿房间柱最小主应力云

图5 矿体回采结束时沿倾向垂直位移云

大新锰矿中部即10号勘探线露天转地下开采矿体回采结束后，上盘围岩位移量约为10 mm，下盘围岩位移量不明显，上下岩体位移量偏小，未对边坡失稳破坏有影响。数值模拟分析表明在矿块结构参数与实际相同的情况下，在地下矿床回采过程中，边坡岩体处于相对稳定状态，数值模拟结果与实际相近。

3.2 灾变机理与控制措施

对大新锰矿露天转地下边坡失稳数值模拟分析研究表明，在回采矿体时，矿体两侧的上下盘边坡岩体并未发现因采矿的进行而出现局部或整体崩落失稳现象，而是开采到一定深度后上盘边坡岩体出现整体沿着倾向滑移，给地下开采矿体造成反复动力冲击危害［3］。

边坡失稳破坏机理为：开采地下矿体扰动原岩应力分布平衡状态，回采地下矿体时，边坡受到的动应力时刻平衡调整，当应力状态调整至屈服应力状态时，边坡会出现一定程度的微裂隙。地下回采矿房的深度逐增，露天岩体受到的应力调整到新的平衡点，边坡岩体微裂隙扩展至裂隙增多，应变能不断积累［4］。应变能超过边坡岩体的承载极限时，应变能释放造成岩体裂隙贯通，进而形成动力冲击灾害。受到损害的边坡岩体经过一定的稳定期后，随着地下开采深度不断增加，边坡岩体应力重新调整，累积的应变能进入活动期，进而导致边坡岩体受到二次损伤，边坡岩体累积的能量释放时会造成具有冲击性的地质灾害，严重威胁矿山正常、安全生产。

在地下开采过程中边坡引发的地质冲击灾害必须采取有效措施确保正常安全作业。回采地下矿体后须向露天坑回填废石，确保回填体具有一定强度，使得边坡应变能释放，避免发生地质灾害；同时露天开采到一定水平时，应利用爆破措施将边坡岩体有序强制崩溃，释放累积的应变能，避免岩体形成巨大滑移，综合治理［5］。

4 结 论

以大新锰矿340中段10号勘探线的锰矿石回采为研究对象，通过LFAC3D数值模拟分析，以露天转地下开采的大新锰矿为研究对象，得到几个结论。

1）对深部矿床的回采，矿体上覆两侧的边坡岩体在自重和外力的作用下表现出位移增大，而目前锰矿开采深度并未足够大，进而再数值模拟过程中表现出来的位移小，边坡岩体亦是未出现严重变形或是有坡体失稳部位，处于相对稳定状态。为保证采矿作业安全，须多注意观测矿房间柱、顶板以及隔离层的稳定性，加强控制爆破，减小岩体蠕变引发的滑坡危险。

2）失稳崩塌主要原因是由岩体在自重应力以及外力荷载共同作用下出现的剪切破坏，在矿房的上盘岩体中表现相对明显。边坡岩体的抗压性大于比其抗剪性、抗拉性，因此失稳破坏形式最可能表现为剪切破坏。

3）数值模拟分析垂直位移表明回采后的上盘钙质泥岩发生的位移较大，下盘岩体位移相对偏小，主要是由岩体的密度、坚硬程度等物理力学参数决定的。三维模型数值模拟分析表明大新锰矿在露天转地下开采的过渡期，边坡岩体表现出稳定性良好，与实际情况接近。

［1］ 孙世国，蔡美峰，王思敬. 露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探讨［J］.岩土力学与工程学报， 2000， 19，（1）：126-129.

［2］ 王思文，张绪杰，宋玉金 .露天矿边坡稳定性的安全因素分析及防治建议［J］.露天采矿技术， 2011， （3）：21-23.

［3］ 宋卫东，杜建华，杨幸才.深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律［J］.北京科技大学学报，2010， 32（2）：145-151.

［4］ 于崇，李海波，李国文等. 大连地下石油储备库地应力场反演分析［J］.岩土力学， 2010， 31（12）： 3984-3990.

［5］ 荆永滨，王李管，贾明涛，等. 基于TetGen的复杂FLAC3D模型可视化建模方法［J］. 岩土力学， 2010， 31（8）： 2655-2660.

Study on the Slope Stability under Condition of Open to Underground M ining System in Daxin M anganse

FENG Chunhui1，ZHANG Liyun2，PAN Meilang1，YU Huang1
（1.Citic Dameng Mining Industries Limited，Daxin Manganse Mine Branch， Daxin，Guangxi 532315，China；2.Citic Dameng Mining Industries Limited，Nanning，Guangxi 530029，China）

Daxin manganese in combined m ining to underground in order to study the stability of slope rock mass and its influence on underground orebody m ining， studied and analyzed the factors of the slope stability of the mine， probes into the surrounding rock deformation， stress distribution and failure mechanism. Smoothly for mine production safety， and provide a scientif c value. In the eastern part of the daxin manganese ore body m ining as the engineering background， using FLAC3D program to establish a three dimensional numerical model of orebody to underground， on the stability of open pit slope engineering in daxin manganese ore and the simulation results are analyzed， and gives the prone to instability in the process of manganese ore in m ining area and instability mechanism， puts forward the reasonable supporting proposals to underground m ining in the future.

Manganese ore deposit；Slope stability；Open pit to underground m ining； Three dimensional simulation analysis

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.014

2016-06-15

冯春辉（1986-），男（壮族），广西天等人，助理工程师，研究方向：采矿工程，手机：18677928155，E-mail：286873810@qq.com.