露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟

D01:10.13374j.isml00103x.206.06.001 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2006 露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 韩放谢芳王金安 北京科技大学士木与环境工程学院.北京100083 摘要露天转地下开采围岩应力和工程尺度同时影响着地下工程和露天边坡的稳定性.通过三 维数值模拟.揭示了露天边坡内地下开采采场周围和边坡的力学环境.探讨了围岩移动变形、应力 分布和破坏机理，分析了边坡稳定性状况.研究表明，在扰动边坡下进行地下开采，坡脚处的局部 弧形破坏区将进一步恶化，但不会影响边坡的整体稳定性.由于边坡的卸荷作用，导致采场上覆岩 层成拱机制减弱，采空区覆岩存在整体垮冒的可能性。 关键词露天转地下开采：边坡：稳定性：三维数值模拟 分类号TD325 随着露天开采的不断进行，浅部地表的可开 论依据，减少工程损失和人员伤亡， 采资源不断减少，深凹露天开采逐渐过渡转为地 1工程概况 下开采势在必行.在1970一1990年间.西方国家 的矿山总数从1020座增加到1200座，增加了 矿区原始地形较平坦，有极少的低丘陵，最大 17.6%.而露天转地下的矿山从48座增加到98 地势起伏约100m.露天矿东西长6.6km,南北宽 座，增长了104%刂.随着我国深凹露天矿开采 22km,面积1452km2,开采标高一400m.该区 的结束，越来越多的矿山将转入地下开采.目前， 地层主要为第四纪松散砂、土、砾石层，下第三纪 人们对单一的露天开采和地下开采已做了大量的 古新世及始新世的含煤系地层，下白垩纪龙风坎 研究和实践，对单一露天开采边坡岩体的稳定性 组地层及下伏的太古带花岗片麻岩结晶基底. 及变形规律和单一地下开采上覆岩体稳定性及地 经过近百年的开采，该矿上部含煤量近于枯 表变形规律有了深刻的认识2，而对露天转地 竭，下部却蕴藏着丰富的煤层.由于露天开采形 下开采次生应力场对岩体力学场的影响机理的研 成了高边坡，从经济和安全角度考虑，该矿转入地 究还很少.由于露天开采时对岩体的应力场造成 下开采.矿区边坡的几何形态见图1，地质剖面见 扰动，采动结束一段时间后应力达到一个新的平 图2. 衡.在高边坡存在的基础上进行地下开采，再次 地下采面位于井田西北部，标高一297.5m 对岩体造成扰动，形成二次扰动.其对上覆岩体 以上，埋深在露天边坡下200m以上，采场埋深由 稳定性的影响既不同于单一的露天开采，又不同 西向东逐渐变浅，在E100处几乎出露于地表.东 于单一的地下开采，第二次采动影响岩体的应力 西走向长1075m,南北宽40~70m,开采面积约 分布，根据国内外露天转地下开采矿山的经验，边 56757m2.东部以E100为界，西部到W987为 坡稳定性要比单纯露采时降低10%~20%7，可 止，南北部边界分别为露采边坡界面和煤层顶板. 诱发上部边坡体的滑移⑨，对矿山安全生产造成 北部边坡有F1断裂构造通过，F1断层为逆 危害.采用二维数值模拟不能够模拟出开采的空 冲和右旋移动断层，南翼牵引褶曲构造.断裂走 间采动影响效果，因此采用三维数值模拟，对露天 向近东西，倾向北，倾角50°，压扭性断裂，断裂破 转地下开采边坡岩体和采场围岩力学变化规律以 碎带西宽东窄，数米到数十米不等，主要由紫红色 及稳定性进行分析研究.以便给工程施工提供理 断层泥组成，隔水性能良好.牵引主向斜北翼的 绿色泥岩倒转陡倾，并夹有多层软弱褐色页岩夹 收稿日期：2005-12-16修回日期：200602-24 基金项目：教有部高等学校博士学科点专项科研基金(N。 层，呈软弱互层结构的岩体.采区是在特定的不 20040008025) 良地质构造条件下进行设计和开采的， 作者简介：韩放(1962一)，男，高级工程师，博士

露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 韩 放 谢 芳 王金安 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 露天转地下开采围岩应力和工程尺度同时影响着地下工程和露天边坡的稳定性.通过三 维数值模拟, 揭示了露天边坡内地下开采采场周围和边坡的力学环境, 探讨了围岩移动变形、应力 分布和破坏机理, 分析了边坡稳定性状况.研究表明, 在扰动边坡下进行地下开采, 坡脚处的局部 弧形破坏区将进一步恶化, 但不会影响边坡的整体稳定性.由于边坡的卸荷作用, 导致采场上覆岩 层成拱机制减弱, 采空区覆岩存在整体垮冒的可能性 . 关键词 露天转地下开采;边坡;稳定性;三维数值模拟 分类号 TD325 收稿日期:2005 12 16 修回日期:2006 02 24 基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金 ( No . 20040008025) 作者简介:韩放( 1962—) , 男, 高级工程师, 博士 随着露天开采的不断进行, 浅部地表的可开 采资源不断减少, 深凹露天开采逐渐过渡转为地 下开采势在必行 .在 1970 —1990 年间, 西方国家 的矿山总数从 1 020 座增加到 1 200 座, 增加了 17.6 %, 而露天转地下的矿山从 48 座增加到 98 座, 增长了 104 %[ 1] .随着我国深凹露天矿开采 的结束, 越来越多的矿山将转入地下开采.目前, 人们对单一的露天开采和地下开采已做了大量的 研究和实践, 对单一露天开采边坡岩体的稳定性 及变形规律和单一地下开采上覆岩体稳定性及地 表变形规律有了深刻的认识[ 2 6] , 而对露天转地 下开采次生应力场对岩体力学场的影响机理的研 究还很少 .由于露天开采时对岩体的应力场造成 扰动, 采动结束一段时间后应力达到一个新的平 衡.在高边坡存在的基础上进行地下开采, 再次 对岩体造成扰动, 形成二次扰动 .其对上覆岩体 稳定性的影响既不同于单一的露天开采, 又不同 于单一的地下开采, 第二次采动影响岩体的应力 分布, 根据国内外露天转地下开采矿山的经验, 边 坡稳定性要比单纯露采时降低 10 %～ 20 %[ 7] , 可 诱发上部边坡体的滑移[ 8] , 对矿山安全生产造成 危害 .采用二维数值模拟不能够模拟出开采的空 间采动影响效果, 因此采用三维数值模拟, 对露天 转地下开采边坡岩体和采场围岩力学变化规律以 及稳定性进行分析研究, 以便给工程施工提供理 论依据, 减少工程损失和人员伤亡 . 1 工程概况 矿区原始地形较平坦, 有极少的低丘陵, 最大 地势起伏约100m .露天矿东西长6.6km, 南北宽 2.2 km, 面积 14.52 km 2 , 开采标高 -400 m .该区 地层主要为第四纪松散砂 、土 、砾石层, 下第三纪 古新世及始新世的含煤系地层, 下白垩纪龙凤坎 组地层及下伏的太古带花岗片麻岩结晶基底 . 经过近百年的开采, 该矿上部含煤量近于枯 竭, 下部却蕴藏着丰富的煤层 .由于露天开采形 成了高边坡, 从经济和安全角度考虑, 该矿转入地 下开采.矿区边坡的几何形态见图 1, 地质剖面见 图 2 . 地下采面位于井田西北部, 标高 -297.5 m 以上, 埋深在露天边坡下 200 m 以上, 采场埋深由 西向东逐渐变浅, 在 E100 处几乎出露于地表.东 西走向长 1 075 m, 南北宽 40 ～ 70 m, 开采面积约 56 757 m 2 .东部以 E100 为界, 西部到 W987 为 止, 南北部边界分别为露采边坡界面和煤层顶板. 北部边坡有 F1 断裂构造通过, F1 断层为逆 冲和右旋移动断层, 南翼牵引褶曲构造.断裂走 向近东西, 倾向北, 倾角 50°, 压扭性断裂, 断裂破 碎带西宽东窄, 数米到数十米不等, 主要由紫红色 断层泥组成, 隔水性能良好 .牵引主向斜北翼的 绿色泥岩倒转陡倾, 并夹有多层软弱褐色页岩夹 层, 呈软弱互层结构的岩体 .采区是在特定的不 良地质构造条件下进行设计和开采的. 第 28 卷 第 6 期 2006 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.6 Jun.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.06.001

。510· 北京科技大学学报 2006年第6期 13-2 143T 141 17 28 17-2* F断只600 W987 T075 -2 地下开挖 10 50 400 E100 050 图1三维边坡计算简图（单位：m) Fig I Schematic plot of the 3D model of the slope Unit m) 的质黄灰岩 模型（如图4）.考虑到岩石的尺寸效应，对岩石实 验参数进行了适当的折减，计算采用的岩石力学 度秋岩 参数和断层力学参数分别见表1和表2. 量色泥岩 同填材料 简母贝 断层 回采工作面 蓝从岩 图2地质剖面图 Fig.2 Gedlogic sectional profile 2模拟计算 图3地下开采前边坡图 2.1模型建立 Fig.3 Slope before underground mining 计算采用三维有限差分程序FLAC3D.计算 0-0 模型x方向长1400m,y方向宽1050m,z方向 高600m.共划分为156118个单元，168188个节 莫尔一库仑准 点.模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动， 则与应变软化 上部为自由面.图3为地下开挖前三维数值 模型. 依据现场取样和岩石力学实验结果，岩石在 不同围压条件下具有明显的弹塑性变形特征.当 岩石发生破坏后，表现为应变软化特征，即随着变 e 形的继续发展，残余强度逐渐降低，最终下降到峰 图4岩石的力学特性 值强度的20%左右.因此，采用非线性应变软化 Fig.4 Mechanical character of rocks

图 1 三维边坡计算简图( 单位:m) Fig.1 Schematic plot of the 3D model of the slope ( Unit:m) 图 2 地质剖面图 Fig.2 Geologic sectional profile 2 模拟计算 2.1 模型建立 计算采用三维有限差分程序 FLAC 3D .计算 模型 x 方向长 1 400 m, y 方向宽 1 050 m, z 方向 高600 m .共划分为 156 118 个单元, 168188 个节 点.模型侧面限制水平移动, 底面限制垂直移动, 上部为自由面 .图 3 为地下开挖前三维数值 模型 . 依据现场取样和岩石力学实验结果, 岩石在 不同围压条件下具有明显的弹塑性变形特征.当 岩石发生破坏后, 表现为应变软化特征, 即随着变 形的继续发展, 残余强度逐渐降低, 最终下降到峰 值强度的 20 %左右 .因此, 采用非线性应变软化 模型( 如图 4) .考虑到岩石的尺寸效应, 对岩石实 验参数进行了适当的折减, 计算采用的岩石力学 参数和断层力学参数分别见表 1 和表 2 . 图 3 地下开采前边坡图 Fig.3 Slope before underground mining 图 4 岩石的力学特性 Fig.4 Mechanical character of rocks · 510 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 6 期

Vol.28 No.6 韩放等：露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 511 表1岩石力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rocks 体积质量 弹性模量 泊松比 内摩擦角 粘结力， 抗拉强度， 岩石名称 y(kg°m-3) E/MPa 9/( c/MPa Gy/MPa 人工填土 2200 20 030 32 01 0001 绿色泥岩 2200 1200 024 35 1.25 1.25 油母页岩 2100 3400 026 33 19 1.0 煤 1300 1200 030 35 1.25 08 凝灰岩 2400 10500 023 为 45 215 砂质凝灰岩 2600 6000 028 43 375 1.5 表2断层力学参数 律，综合位移速度、相对位移、破坏场、剪切应变等 Table 2 Mechanical parameters of a fault 多种因素对边坡及采场周围岩体稳定性进行定性 法向刚度，切向刚度 断层 摩擦角，粘结力，抗拉强度 研究. K/ K/ 名称 91°) c/MPa GT/MPa 23.1应力场分析 (MPa'm (MPa'm) 2200 1500 26 04 00001 地下采区在边坡下200m内，属于浅部开采. 采区上部覆盖油母页岩、绿色泥岩和人工回填土 2.2模拟过程 由于岩土体较软，在开采过程中采空区上部压力 严格按照边坡开挖历史逐年进行开挖模拟 拱9成拱机制较弱，岩体重量全部作用在采区上 真实反应地下开采前岩体的力学场状态，为研究 方，由工作面围岩和支架承担.岩体均处于压应 地下开采后岩体力学场的变化规律及稳定性分析 力状态，应力分布符合自上而下逐渐增大的基本 提供现实可靠的依据.地下采区范围如表3所 规律，在N580~N870范围内岩体应力呈倾斜分 示，模拟计算分步进行开挖：前60m按照每步推 布，与边坡倾斜相一致，其他区域基本呈水平分 进10m进行计算，分为6步；60~420m基本按照 布，与边坡开挖应力分布规律相同.采场周围应 每步推进20m进行计算，分为18步：420~575m 力在2.5MPa到5.0MPa之间，如图5所示. 基本按照每步推进40m进行计算，分为4步：575 23.2位移场分析 ~1075m按照每步推进50m进行计算.分为10 ()边坡地表沉陷规律.地下开采部分地段 步.地下开采整个计算共分为38步，49000个时 处于边坡回转处的下方，此处边坡位移较大，故截 步 取该处剖面对边坡地表沉陷规律进行研究.图6 表3地下开采范围 和图7分别给出了沿工作面走向和垂直工作面走 Table 3 Underground mining range 向剖面地下开采前后边坡地表沉陷情况.从沿工 走向开采范围/m 开采宽度/m 开采高度/m 作面走向剖面看，在采区上方边坡全部受到开采 70 20 影响，沉陷最大值为35cm,出现在距工作面开切 0-235 70 10 眼水平距离234m的边坡处.在垂直于工作面走 235-275 变窄 10 向剖面上，采面下帮一侧边坡影响范围为125m, 275-345 55 10 上帮一侧边坡影响范围达到240m,地表沉陷最 345-420 变窄 10 大值并非出现在采区的中部，而是出现在采区偏 420-770 % 10 边坡底的一侧，距采面中部8m处，最大下沉值为 770-1075 50 10 328cm.图7还可看出，地下开采对边坡岩体水 平移动影响范围与垂直移动影响范围大体相同， 2.3计算结果与分析 边坡主要以垂直位移和沿y方向的水平位移为 数值模拟可定性分析力学场演变规律和岩土 主，沿y方向的水平位移略小于垂直位移 体的稳定性，但难以位移量作为边坡稳定状态的 (2)边坡重要干线位移量及移动速度分析. 定量判断标准.应用数值模拟着重分析边坡内地 位移和移动速度是表征边坡稳定性的重要指标， 下开采上覆坡岩体和采场周围岩体力学场变化规 因此以地表位移最大的剖面为研究对象，分析重

表 1 岩石力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rocks 岩石名称 体积质量, ρ/ ( kg·m -3 ) 弹性模量, E/ MPa 泊松比, ν 内摩擦角, φ/ (°) 粘结力, c/ MPa 抗拉强度, σT / MPa 人工填土 2 200 20 0.30 32 0.1 0.001 绿色泥岩 2 200 1 200 0.24 35 1.25 1.25 油母页岩 2 100 3 400 0.26 33 1.9 1.0 煤 1 300 1 200 0.30 35 1.25 0.8 凝灰岩 2 400 10 500 0.23 45 4.5 2.15 砂质凝灰岩 2 600 6 000 0.28 43 3.75 1.5 表 2 断层力学参数 Table 2 Mechanical parameters of a fault 断层 名称 法向刚度, K n / ( MPa·m -1 ) 切向刚度, K s / ( MPa·m -1 ) 摩擦角, φ/ (°) 粘结力, c/ MPa 抗拉强度, σT / MPa F1 2 200 1 500 26 0.4 0.000 1 2.2 模拟过程 严格按照边坡开挖历史逐年进行开挖模拟, 真实反应地下开采前岩体的力学场状态, 为研究 地下开采后岩体力学场的变化规律及稳定性分析 提供现实可靠的依据 .地下采区范围如表 3 所 示, 模拟计算分步进行开挖:前 60 m 按照每步推 进10m 进行计算, 分为6 步 ;60 ～ 420 m 基本按照 每步推进 20 m 进行计算, 分为 18 步 ;420 ～ 575 m 基本按照每步推进 40 m 进行计算, 分为 4 步 ;575 ～ 1 075 m 按照每步推进 50 m 进行计算, 分为 10 步.地下开采整个计算共分为 38 步, 49 000 个时 步. 表 3 地下开采范围 Table 3 Underground mining range 走向开采范围/ m 开采宽度/ m 开采高度/ m 0 ～ 235 70 20 70 10 235 ～ 275 变窄 10 275 ～ 345 55 10 345 ～ 420 变窄 10 420 ～ 770 40 10 770 ～ 1 075 50 10 2.3 计算结果与分析 数值模拟可定性分析力学场演变规律和岩土 体的稳定性, 但难以位移量作为边坡稳定状态的 定量判断标准.应用数值模拟着重分析边坡内地 下开采上覆坡岩体和采场周围岩体力学场变化规 律, 综合位移速度、相对位移、破坏场、剪切应变等 多种因素对边坡及采场周围岩体稳定性进行定性 研究 . 2.3.1 应力场分析 地下采区在边坡下 200 m 内, 属于浅部开采. 采区上部覆盖油母页岩、绿色泥岩和人工回填土, 由于岩土体较软, 在开采过程中采空区上部压力 拱[ 9] 成拱机制较弱, 岩体重量全部作用在采区上 方, 由工作面围岩和支架承担 .岩体均处于压应 力状态, 应力分布符合自上而下逐渐增大的基本 规律, 在 N580 ～ N870 范围内岩体应力呈倾斜分 布, 与边坡倾斜相一致, 其他区域基本呈水平分 布, 与边坡开挖应力分布规律相同.采场周围应 力在 2.5 MPa 到 5.0 MPa 之间, 如图 5 所示. 2.3.2 位移场分析 ( 1) 边坡地表沉陷规律 .地下开采部分地段 处于边坡回转处的下方, 此处边坡位移较大, 故截 取该处剖面对边坡地表沉陷规律进行研究 .图 6 和图 7 分别给出了沿工作面走向和垂直工作面走 向剖面地下开采前后边坡地表沉陷情况 .从沿工 作面走向剖面看, 在采区上方边坡全部受到开采 影响, 沉陷最大值为 35 cm, 出现在距工作面开切 眼水平距离 234 m 的边坡处.在垂直于工作面走 向剖面上, 采面下帮一侧边坡影响范围为 125 m, 上帮一侧边坡影响范围达到 240 m, 地表沉陷最 大值并非出现在采区的中部, 而是出现在采区偏 边坡底的一侧, 距采面中部 8 m 处, 最大下沉值为 32.8 cm .图 7 还可看出, 地下开采对边坡岩体水 平移动影响范围与垂直移动影响范围大体相同, 边坡主要以垂直位移和沿 y 方向的水平位移为 主, 沿 y 方向的水平位移略小于垂直位移 . ( 2) 边坡重要干线位移量及移动速度分析. 位移和移动速度是表征边坡稳定性的重要指标, 因此以地表位移最大的剖面为研究对象, 分析重 Vol.28 No.6 韩放等:露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 · 511 ·

。512 北京科技大学学报 2006年第6期 -21,089一 2.0 20000--17500 -17.500 -15.000 15.000 12 00 0.000 10.000- 7500 00 3.000 000= 2.500 -2500- 1.5802 图5最大主应力场及应力矢量场 Fig 5 Maximum principal stress and vectors 情况下，地下开采造成边坡产生一定的位移，随工 切眼 作面远离各干线边坡岩体移动速度均趋于零，因 此不会影响边坡的稳定性，边坡整体处于稳定状 态.另外，也说明了逆断层的存在不会影响边坡 的稳定性 - 表4地下开采结束后剖面监测点位移和速度统计表 -20 25 x方向水平位移 Table 4 Displacement and velocity of tracing points on the section 30 一方向水平位移 profile of the slope after underground mining ★一年直位移 y方向最 y方向 :方向 :方向 T200-1000-800-600-400-2000 200 位置 大水平位 速度/ 最大垂直 速度/ 河点位学m 移/m (m's位移/m(仁m'一 图6沿工作面走向边坡地表沉陷 阳角 052 076 032 0.50 28÷ Fig 6 Surface subsidence along the working face 阴角 045 057 027 3.60 阳角 355 870 1.55 4.88 141# 阴角 335 822 151 4.96 4 17-1- 阳角 892 5459 219 18.63 17-2 421 1入2# 阴角 5.37 37.11 1.86 98.94 阳角 9.08 41.88 251 1896 171# 阴角9.06 3859 259 19.78 阳角 222 8232 686 33.93 ◆x方问水平位移 21# 阴角 146 4248 327 21.06 日y方向水平位移 垂直位移 (3)上覆岩体移动规律.图8和图9是采区 0 上覆岩体受地下采动影响位移发展情况.采区上 550 750 950 11501350 湖点位置m 方30m范围内为计算模拟的冒落带.在工作面 前方150m处，采区上覆岩体首先受到采动的影 图7垂直工作面走向边坡地表沉陷 Fig 7 Surface subsidence across the working face 响产生水平移动，工作面前方120m处围岩开始 产生垂直位移.工作面推过后顶板垂直位移迅速 要运输干线所在的边坡移动及其稳定情况（见 增加，采空区上覆岩体以垂直位移为主.工作面 表4.结果表明，在不考虑渗流和降水等因素的 后方465m处覆岩垂直移动趋于平稳.水平移动

图 5 最大主应力场及应力矢量场 Fig.5 Maximum principal stress and vectors 图 6 沿工作面走向边坡地表沉陷 Fig.6 Surface subsidence along the working face 图 7 垂直工作面走向边坡地表沉陷 Fig.7 Surface subsidence across the working face 要运输干线所在的边坡移动及其稳定情况( 见 表 4) .结果表明, 在不考虑渗流和降水等因素的 情况下, 地下开采造成边坡产生一定的位移, 随工 作面远离各干线边坡岩体移动速度均趋于零, 因 此不会影响边坡的稳定性, 边坡整体处于稳定状 态.另外, 也说明了逆断层的存在不会影响边坡 的稳定性 . 表 4 地下开采结束后剖面监测点位移和速度统计表 Table 4 Displacement and velocity of tracing points on the section profile of the slope after underground mining 位置 y 方向最 大水平位 移/ cm y 方向 速度/ (μm·s -1 ) z 方向 最大垂直 位移/ cm z 方向 速度/ (μm·s -1 ) 28 # 阳角 0.52 0.76 0.32 0.50 阴角 0.45 0.57 0.27 3.60 14-1 # 阳角 3.55 8.70 1.55 4.88 阴角 3.35 8.22 1.51 4.96 17-2 # 阳角 8.92 54.59 2.19 18.63 阴角 5.37 37.11 1.86 98.94 17-1 # 阳角 9.08 41.88 2.51 18.96 阴角 9.06 38.59 2.59 19.78 21 # 阳角 22.2 82.32 6.86 33.93 阴角 14.6 42.48 3.27 21.06 ( 3) 上覆岩体移动规律.图 8 和图 9 是采区 上覆岩体受地下采动影响位移发展情况 .采区上 方30 m 范围内为计算模拟的冒落带 .在工作面 前方 150 m 处, 采区上覆岩体首先受到采动的影 响产生水平移动, 工作面前方 120 m 处围岩开始 产生垂直位移 .工作面推过后顶板垂直位移迅速 增加, 采空区上覆岩体以垂直位移为主.工作面 后方 465 m 处覆岩垂直移动趋于平稳 .水平移动 · 512 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 6 期

Vol.28 No.6 韩放等：露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 513。 增加较缓，采面后方500m覆岩水平位移趋于稳 定.图中表明，采空区上覆岩体自下而上（冒落带 以上)垂直位移逐渐减小、水平位移逐渐增大，边 -5 坡处水平位移最大为2698cm,但仍小于它的垂 -10 直位移(31.7cm).由垂直位移图可以看出，下位 -◆一5m 米-25m 岩体位移大于上位岩体位移，说明上覆岩体已产 45m 3无现山山4 -20 -e-75m 生离层现象 25 e-105m 一边坡 04 300 -2000200400600800 -5 作面距测点距离/m -0 图9采区覆岩水平位移 -15 -20 ◆-5m Fig 9 Horizontal displacement of the roof strata 2 米-25m above the mining panel -30 -45 m e-75m -35 23.3破坏场分析 日-105m En66060060568000600000 40 边坡 图10和图11是剖面岩体破坏场情况.由图 -200 0 200400 600 800 可见，地下开采是在边坡局部曾经发生破坏的情 1工作面距测点距离/m 况下进行的，该破坏带呈圆弧型，从坡脚处向坡体 图8采区覆岩垂直位移 内部扩展，采区位于破坏带下部.由于露天开采 Fig 8 Vertical displacement of the roof strata 的影响，岩体卸载主要发生剪切破坏，靠近边坡处 above the mining panel 局部发生拉伸破坏. None tengon-p ear-n lension-n shear tension- ca-p hear-p tension-p ension-n shear-p tension-p tension-n tension-p c115o0-P 图10地下开采前剖面破坏场分布 图11地下开采后制面破坏场分布 Fig 10 Failure zones before underground mining Fig.11 Failure zones after underground mining 图12和图13显示，当工作面推进至该剖面 生剪切破坏，破坏带直通边坡表面.采空区四周 时，采空区上部围岩至边坡处剪切应变增量和剪 围应力达到岩体抗拉强度造成岩体的拉伸破坏. 切应变率较大，分别达到3.67×107和2.5× 上部拉破坏区与边坡处拉破坏区相连.综合前面 107s1,说明当工作面推过时，采空区上部围岩 对采空区上部不同深度围岩相对位移的分析可 卸荷，由于在不同方向岩体卸荷不均匀造成应力 知，采空区上覆岩体垮落. 差，从而剪应力变大.当达到岩体强度极限时发

增加较缓, 采面后方 500 m 覆岩水平位移趋于稳 定.图中表明, 采空区上覆岩体自下而上( 冒落带 以上) 垂直位移逐渐减小、水平位移逐渐增大, 边 坡处水平位移最大为 26.98 cm, 但仍小于它的垂 直位移( 31.7 cm) .由垂直位移图可以看出, 下位 岩体位移大于上位岩体位移, 说明上覆岩体已产 生离层现象. 图 8 采区覆岩垂直位移 Fig.8 Vertical displacement of the roof strata above the mining panel 图 9 采区覆岩水平位移 Fig.9 Horizontal displacement of the roof strata above the mining panel 2.3.3 破坏场分析 图 10 和图 11 是剖面岩体破坏场情况.由图 可见, 地下开采是在边坡局部曾经发生破坏的情 况下进行的, 该破坏带呈圆弧型, 从坡脚处向坡体 内部扩展, 采区位于破坏带下部 .由于露天开采 的影响, 岩体卸载主要发生剪切破坏, 靠近边坡处 局部发生拉伸破坏. 图 10 地下开采前剖面破坏场分布 Fig.10 Failure zones before underground mining 图 11 地下开采后剖面破坏场分布 Fig.11 Failure zones after underground mining 图 12 和图 13 显示, 当工作面推进至该剖面 时, 采空区上部围岩至边坡处剪切应变增量和剪 切应变率较大, 分别达到 3.67 ×10 -7 和 2.5 × 10 -7 s -1 , 说明当工作面推过时, 采空区上部围岩 卸荷, 由于在不同方向岩体卸荷不均匀造成应力 差, 从而剪应力变大.当达到岩体强度极限时发 生剪切破坏, 破坏带直通边坡表面.采空区四周 围应力达到岩体抗拉强度造成岩体的拉伸破坏. 上部拉破坏区与边坡处拉破坏区相连.综合前面 对采空区上部不同深度围岩相对位移的分析可 知, 采空区上覆岩体垮落 . Vol.28 No.6 韩放等:露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟 · 513 ·

。514 北京科技大学学报 2006年第6期 (2)地下采动使远离工作面的煤层上部围岩 水平方向先受到扰动，当工作面推过该区域时垂 直移动显著，水平移动缓慢增大，工作面远离该区 域时垂直移动先趋于稳定. 1-55851x10mt00 25000×10to50000×10P (3)逆断层的存在不会影响边坡的稳定性. 7000x10to10000xi0 2500×10to15000× (4④)综合边坡移动速度、围岩相对位移量、破 7500×10to20000×10 2500×10to25000×10 坏场、剪切应变等多因素分析边坡稳定性，认为所 7500×0o3.0000×10 2500×10to35000×10 研究的露天转地下开采造成上覆岩体离层发生塌 3.7500×10to38827×107 落，但不会影响边坡的整体稳定性。 图12剖面剪切应变增量 Fig 12 Shear strain increment on section 参考文献 【刂佚名.联合法开采金属矿床的前景.世界采矿快报，1998， 147:22 [习孙世国。边坡岩体内部变形监测现状与未来发展方向。勘 察科学技术，1998(2)：39 [习冯锦艳，王金安，蔡美峰。露天高陡边坡角优化设计及稳定 性分析.中国矿业，2005,14(4)：45 000 [4陈清运，蔡嗣经，明士祥，等.地下开采地表变形数值模拟 研究.金属矿山，20046：19 0 [习徐水太，饶运章，潘建平.地下开采引起地表移动和不均匀 沉降的机理分析.有色金属.2004.56(2)：19 【(宋卫东，王金安，匡忠样.程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定 图13剖面剪切应变率 性数值模拟.北京科技大学学报2000,22(4)：292 Fig 13 Shear strain rate on section 【了李鼎权.论露天转地下开采的若干特点.金属矿山1994 (2):9 3 结论 [阁孙世国，蔡美锋，王思敬.露天转地下开采边坡岩体滑移机 制的探讨.岩石力学与工程学报2000,19(1)：126 (1)边坡下浅部地下开采，由于围岩卸荷作 【9身钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制.北京：煤炭工业出版 用，采空区上覆岩体成拱机制较弱，覆岩稳定性 社，1984：85 较差. 3-D numerical simulation on the stability of rocks in transferred underground mining from open-pit HAN Fang,XIE Fang,WANGJinan Civil and Envirommental Engineering Schoo,University of Science and Technobgy Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Both the stress environment and the size of underground excav ation influence the stability of the mining face and the slope.Numerical analysis of FLAC was used to reveal the stress environment around the excavation in the slope,discuss the strata movement,stress distribution and failure mechanism, and analyze the stability of the slope affected by underground excav ation.The results show that lcal curved failure zones may become worse during underground mining under the disturbed slope,but the stability of the slope as a whole will not be changed.For the unloading effect,the arching mechanism in the roof strata is weakened,and the probability of catastrophic collapse exists in roof strata above the mining zone. KEY WORDS transferred underground mining from open-pit;slope;stability;3-D numerical simulation

图 12 剖面剪切应变增量 Fig.12 Shear strain increment on section 图 13 剖面剪切应变率 Fig.13 Shear strain rate on section 3 结论 (1) 边坡下浅部地下开采, 由于围岩卸荷作 用, 采空区上覆岩体成拱机制较弱, 覆岩稳定性 较差 . ( 2) 地下采动使远离工作面的煤层上部围岩 水平方向先受到扰动, 当工作面推过该区域时垂 直移动显著, 水平移动缓慢增大, 工作面远离该区 域时垂直移动先趋于稳定 . ( 3) 逆断层的存在不会影响边坡的稳定性. ( 4) 综合边坡移动速度、围岩相对位移量 、破 坏场 、剪切应变等多因素分析边坡稳定性, 认为所 研究的露天转地下开采造成上覆岩体离层发生塌 落, 但不会影响边坡的整体稳定性 . 参 考 文 献 [ 1] 佚名.联合法开采金属矿床的前景.世界采矿快报, 1998, 14( 7) :22 [ 2] 孙世国.边坡岩体内部变形监测现状与未来发展方向.勘 察科学技术, 1998( 2) :39 [ 3] 冯锦艳, 王金安, 蔡美峰.露天高陡边坡角优化设计及稳定 性分析.中国矿业, 2005, 14( 4) :45 [ 4] 陈清运, 蔡嗣经, 明士祥, 等.地下开采地表变形数值模拟 研究.金属矿山, 2004( 6) :19 [ 5] 徐水太, 饶运章, 潘建平.地下开采引起地表移动和不均匀 沉降的机理分析.有色金属, 2004, 56( 2) :19 [ 6] 宋卫东, 王金安, 匡忠祥.程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定 性数值模拟.北京科技大学学报, 2000, 22( 4) :292 [ 7] 李鼎权.论露天转地下开采的若干特点.金属矿山, 1994 ( 2) :9 [ 8] 孙世国, 蔡美锋, 王思敬.露天转地下开采边坡岩体滑移机 制的探讨.岩石力学与工程学报, 2000, 19( 1) :126 [ 9] 钱鸣高, 刘听成.矿山压力及其控制.北京:煤炭工业出版 社, 1984:85 3-D numerical simulation on the stability of rocks in transferred underground mining from open-pit HAN Fang, X IE Fang, WANGJ inan Civil and Environmental Engineering School, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT Bo th the stress environment and the size of underground excav ation influence the stability of the mining face and the slope .Numerical analysis of FLAC 3D was used to reveal the stress environment around the excavation in the slope, discuss the strata movement, stress distribution and failure mechanism, and analyze the stability of the slope affected by underg round excav ation .The results show that local curved failure zones may become worse during underground mining under the disturbed slope, but the stability of the slope as a w hole w ill no t be changed .Fo r the unloading effect, the arching mechanism in the roof strata is weakened, and the probability of catastrophic collapse exists in roof strata above the mining zone . KEY WORDS transferred underg round mining from open-pit ;slope ;stability ;3-D numerical simulation · 514 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 6 期