D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.05.028 第21卷第5期 北京科技大学学报 Vol.21 No.5 1999年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1999 复合采动下边坡岩体滑移规律 及其数值分析 孙世国 蔡美峰 乔兰 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要在数值分析与实际变形分析的基础上，探讨复合开采影响下岩体内部的应力变化特 点.由于在地下与露天复合开采作用下，岩体变形的叠加作用机制与变化特征取决于2种采矿 的各自开挖量：当边坡角较小时，岩体变形更多地表现出地下采动特性，而在相同地下采动影 响下，随着露天边坡角增大，其相应的变形范围和变形深度均增大：2种开挖量大小直接影响 各单元体主应力矢量大小和方向，并且其中每个开挖量的变化都将使岩体产生不同的破坏特 点和滑移机制， 关键词采动效应：叠加：变形机理；边坡岩体 分类号P642.3 在我国各类矿业开采中，有许多矿山属地 算没有地下开采影响时的边坡岩体应力场分布 下与露天复合开采情况，依据开采的空间对应 特征：然后，再计算有地下开采影响时边坡岩体 关系，2种开采方法的采动影响域中的一部分相 应力场的演变特征，对比两者之间的应力场分 互重叠，致使采动效应相互作用和相互叠加，表 布，再变换不同的边坡角度，进行同样的计算和 现为一种采动效应对另一·个平衡体系的干扰或 分析，从中总结其变化的规律性，为了便于和实 作用，使得2种开挖体系之间相互诱发或相互 际情况对比，计算模型选取抚顺西露天矿北帮 制约，从而组成一个复合动态变化系统.因此，在 W200剖面.该剖面下部有深部井东区，分为东 该系统内的岩体应力状态与变化过程将完全不 区下一路、下二路和下三路，分别于1952年10 同于单一露天开采条件下的边坡岩体变形问 月至1964年4月回采；边坡角大小分别选取该 题.其变形与破坏机制更加复杂，边坡地表变形 剖面1956年(A方案)1986年(B方案)的实际边 速率之大，影响范围之广，持续时间之长是十分 坡角进行计算和分析. 惊人的，严重地影响到矿山生产和周边环境安 由于地下采区中东区下一路、下三路及下 全.研究和探索其变形机制及破坏特点，对此 二路中的一部分（余下部分为高落式采煤法）为 类矿山的后续开采将具有重要的经济和社会意 走向长壁水砂充填采煤法，充填率达70%左右， 义 为了方便起见，在计算中近似地将充填体视为 未开采，将余下的空间视为采空区. 1地下与露天同期采动影响下边坡 由于该剖面为不同力学特性的多岩层组成， 岩体变形机制的数值分析与类比 计算中的力学参数分别选取它们的实验值，并 按弹塑性(Druck-Prager)屈服准则对边坡体进行 1.1有限元计算方案的选择 分析. 为了分析地下与露天复合开采条件下应力 12在地下与露天复合采动彭响下边坡岩体应 场的演变规律与变化特点，对比与单一露天开 力场演变规律 采之间的差别，分别选取2种开采方案中的不 图1和图2分别为2种方案中两种不同采 同边坡角度逐一进行数值分析与对比.首先计 动效应的应力场分布图；表1为几个典型单元 1998-12-23收稿孙世国男，38岁，高工，博士 体应力矢量值及方向变化.在图1中，a图与b图 *国家自然科学基金资助项日No.59674008)第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 复合 采 动 下 边 坡岩 体滑 移规律 及 其数值 分 析 孙世 国 蔡 美峰 乔 兰 北 京科技 大学 资源工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 在数值分析与实 际变形 分析 的基 础 上 ， 探 讨复合 开 采 影 响 下 岩体 内部 的应 力变化特 点 由于 在地 下 与 露天 复合 开 采 作用 下 ， 岩体变 形 的叠 加作 用 机制 与 变化特 征 取 决 于 种 采矿 的各 自开挖 量 当边 坡角较小 时 ， 岩 体变 形 更 多地表现 出地下采动特性 ， 而 在相 同地下 采动影 响下 ， 随着露天 边坡 角增 大 ， 其相 应 的变 形 范 围和 变 形 深 度均增大 种 开 挖 量大小直接 影 响 各 单元 体主 应 力矢 量 大小和 方 向 ， 并且其 中每 个开挖量 的变 化 都将 使岩 体产 生 不 同 的破坏特 点和滑移机制 关键词 采动效应 叠 加 变形机理 边坡岩体 分 类号 在 我 国各 类 矿 业 开 采 中 ， 有许 多矿 山属 地 下 与露天 复合 开 采情 况 ， 依据 开 采 的空 间对 应 关 系 ， 种 开 采方 法 的采动 影 响域 中的一 部分 相 互 重 叠 ， 致 使采 动 效 应 相 互 作 用 和 相 互 叠 加 ， 表 现 为一 种采动 效应 对 另 一 个平衡 体系 的干 扰或 作用 ， 使 得 种 开 挖 体 系之 间相 互 诱 发或 相 互 制 约 ， 从 而 组 成 一 个 复合 动态 变化 系统 因此 ，在 该系统 内的岩 体应 力 状态 与变 化 过 程 将 完全 不 同 于 单 一 露 天 开 采 条 件 下 的 边 坡 岩 体 变 形 问 题 其变形 与破 坏 机 制更 加 复杂 ， 边 坡地 表 变形 速率之大 ， 影 响 范 围之 广 ， 持 续 时 间之 长 是 十 分 惊 人 的 ， 严 重 地 影 响到 矿 山生 产和 周 边环 境 安 全 ‘，〕 研 究和 探 索 其 变 形 机制 及 破 坏 特 点 ， 对 此 类矿 山的后 续开 采将具 有 重要 的经 济和 社会 意 义 地下 与露 天 同期采 动影 响下 边坡 岩 体 变形 机 制 的数值 分 析 与类 比 有 限 元 计 算方 案 的选 择 为 了分 析地 下 与露 天 复合 开 采条件 下 应 力 场 的演 变 规 律 与变化 特 点 ， 对 比 与单 一 露 天 开 采之 间 的差 别 ， 分 别 选 取 种开 采 方案 中的不 同边 坡 角 度 逐 一 进 行 数 值 分 析 与 对 比 首先 计 一 一 收稿 孙 世 国 男 ， 岁 ， 高工 ， 博士 申 国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目 伽 算 没 有地 下 开 采 影 响 时 的边坡 岩 体应 力 场 分布 特征 然后 ， 再 计算有地下 开采影 响时边坡岩体 应 力场 的演 变特 征 ， 对 比两 者 之 间 的应 力场 分 布 ， 再变换不 同 的边坡 角 度 ， 进行 同样 的计 算和 分析 ，从 中总 结其变化 的规 律性 为 了便于 和 实 际情况对 比 ， 计 算模 型 选取 抚顺 西 露 天矿 北 帮 剖面 该剖面 下 部 有深 部 井 东区 ， 分 为东 区 下 一 路 、 下 二 路和 下 三 路 ， 分 别 于 年 月 至 年 月 回采 边 坡 角 大 小 分 别选取 该 剖面 年 方 案 、 年 方 案 的 实 际边 坡 角进行 计 算和 分 析 由于 地 下 采 区 中东 区 下 一 路 、 下 三 路及 下 二 路 中的一 部分 余 下 部 分 为 高落 式采煤法 为 走 向长 壁 水 砂 充 填 采煤法 ， 充填 率达 左 右 ， 为 了方便起 见 ， 在计 算 中近似地 将充填 体视 为 未 开 采 ，将 余 下 的空 间视 为采 空 区 由于 该剖 面 为不 同力学特性 的多岩 层 组 成 ， 计 算 中 的力 学 参 数分 别 选 取 它 们 的实验值 ， 并 按 弹 塑 性 一 屈 服准 则 对 边 坡 体进行 分 析 在 地 下 与露 天 复合采 动 影 响 下 边 坡 岩 体应 力场 演 变规律 图 和 图 分别 为 种 方案 中两 种 不 同采 动 效 应 的应 力场 分 布 图 表 为几 个典 型 单元 体应 力矢 量 值及 方 向变化 在 图 中 ， 图与 图 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．05．028