挂帮矿开采对露天矿边坡稳定性的影响*

赵永岗，章发光，王云，杨晶，李俊鹏，王文才

(1.包钢(集团)公司白云鄂博铁矿，内蒙古 包头 014080；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

在经济快速发展的同时，各类资源消耗速度也在不断加大，从而使得各露天矿开采也在不断向深部发展.随着露天矿开采深度的增加，剥采比越来越大，使得露天开采的经济效益逐步变差，因此越来越多的大型露天矿开始转入地下开采或者对挂帮矿进行回收.在露天矿转入地下开采或挂帮矿回收时，如何确保露天矿边坡稳定也成为各大露天矿共同面临的难题[1-4].

所谓挂帮矿是指露天矿开采境界内的矿体在境外延伸的部分.露天开采的矿山一般均存在挂帮矿体，根据其赋存部位分为端部的或上、下盘的挂帮矿体.由于挂帮矿开采中会扰动露天矿最终边坡，这就会使得露天矿最终边坡的稳定程度有所降低，甚至可能引起大规模滑坡等次生灾害[5-7].

1 研究背景

某铁矿是我国具有代表性的综合性多金属共生矿山，蕴含铁、钪、铌、稀土等多种金属.多年来的开采，一些采场已经进入露天末期开采，急需寻找接续资源.因此，有必要研究其挂帮矿的开采及其对已有边坡的的稳定性影响，为将来最大限度的回收挂帮矿提供参考.

2 数值模型建立及稳定性观测点布置

针对该铁矿的地质资料，确定表1的岩石物理力学参数，据此建立的挂帮矿开采边坡稳定性数值计算模型如图1所示.模型长、宽、高分别为300 m，y方向的长度为40 m，z方向的高度为176 m，模型对x轴和y轴方向进行位移和应力约束，z轴底部进行约束，上部为自由面，模型采用摩尔-库伦本构模型.为了更好的分析挂帮矿开采时对边坡稳定性得影响，在图1模型各台阶中部布置位移观测点，从上到下依次为1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，1-6观测点.

表1 岩石的物理力学参数

图1 挂帮矿开采边坡稳定性数值计算模型

3 挂帮矿开采边坡稳定性影响分析

根据图1的数值计算模型，对挂帮矿开采扰动露天矿最终边坡进行了数值计算，其在开采扰动作用下达到平衡后，得到图2，3的位移云图和应力云图.

图2(a)为挂帮矿开采边坡水平位移云图.由此可以看出，受开采扰动的影响，挂帮矿开采下边坡台阶发生明显的破坏移动现象，从巷道所在台阶依次向上发展.最大水平位移区域位于挂帮矿开采的上一台阶，并逐步向边坡上部台阶减缓；其总体移动趋势是由边坡的内部向边坡面移动.

图2(b)为挂帮矿开采边坡垂直位移云图.由此可以看出，同样受开采扰动和边坡自重的影响，在挂帮矿开采下巷道上部台阶和边坡内部发生明显的破坏移动现象，并且在挂帮矿开采区域形成明显的垂直位移区域，其不同垂直位移的范围由开采区域逐步向边坡四周外呈扩展状.最大垂直位移区域位于挂帮矿开采的上部台阶，并随着与开采巷道高度的高度增大其垂直位移逐渐减小.

图2 挂帮矿开采的位移云图(a)水平位移云图；(b)垂直位移云图

图3(a)为挂帮矿开采边坡水平应力云图.由此可以看出，在挂帮矿开采下，挂帮矿开采巷道的顶板和平硐入口处发生了明显的应力释放现象，致使在采空区处形成了不同方向的应力集中现象，且呈层状分布；由于挂帮矿的开采，致使采空区顶部的应力集中现象比较突出，从而形成了较复杂的次生应力场，引起采空区周围的岩体发生变形和破坏现象，并且破坏现象逐步向边坡内部发展.

图3(b)为挂帮矿开采边坡垂直应力云图.由此可以看出，受挂帮矿开采扰动影响，边坡内部覆岩能量得到释放，致使采空区上部覆岩发生沉降，并使得覆岩应力从采空区逐步向边坡上部发展，且在采空区的顶部其应力集中现象更明显；在应力集中足够大的情况下，可能会使得边坡内部的覆岩向露天矿采场发生滑移，从而影响边坡的稳定性.

图3 挂帮矿开采的应力云图(a)水平应力云图；(b)垂直应力云图

图4为边坡位移曲线图.由此可以看出，整个位移曲线图可以分为两部分，一部分为边坡各台阶稳定状态曲线，另一部分为边坡各台阶在挂帮矿开采下的位移变化曲线.从边坡各台阶位移变化曲线可以看出，边坡各台阶随着开采的进行(即运算步数增加)，位移先呈直线增加，然后增加速度逐步放缓直至趋于定值.这也说明，在挂帮矿开采下，位于采空区顶部(即1～6观测点)的边坡岩体最先发生位移，当采空区垮落的覆岩逐步对边坡台阶形成支撑时位移逐步减缓，直到位移终止.

图4 边坡位移曲线图

采空区上部台阶位移规律相似，即随着开采的进行，采空区上部台阶由下至上依次发生位移，即位于上部的台阶有延迟位移现象，且由于垮落岩体对采空区的支撑，后续垮落台阶的位移明显比其下部台阶的位移小.随着开采的结束(即运算步数终止)，边坡最大位移为采空区顶部，最大位移值为5.0 cm左右，最小位移台阶为边坡最上部台阶，位移值为1.5 cm左右.可见，采空区已经引起了边坡内部及表面的滑移，但边坡表面滑移要小于其采空区顶部的滑移.

4 结论

(1)受挂帮矿开采扰动影响，边坡从采空区所在台阶依次向上发生滑移现象.最大水平移动区域位于挂帮矿开采采空区的上一台阶，逐步向边坡内部和上部台阶减缓，总体移动趋势是由边坡上部台阶和内部向露天矿边坡移动.

(2)受开采扰动影响，采空区上部顶板和平硐入口处发生了明显的应力释放现象，致使采空区顶部形成了不同方向的应力集中现象，且呈层状分布，在应力集中足够大的情况下，可能会使得边坡内部的覆岩向露天矿采场发生滑移，从而影响边坡的稳定性.

(3)采空区上部台阶位移规律相似，即随着开采的进行，采空区上部台阶由下至上依次发生位移，且由于垮落岩体对采空区的支撑，后续垮落台阶的位移明显比其下部台阶的位移小.