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