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 ·