第2期 宋卫东等：深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律 .149 于北坡应力较大，裂纹比南坡裂纹密集，开采一84m 处理采用废石回填，即：随着开采深度的下降，及时 水平以前，裂纹很少，多数是挂帮矿开采产生的张拉 回填露天矿坑底出现的塌陷坑，始终保持坑底回填 裂缝.开采到一120m水平以下，剪切裂缝开始增多 的碎石面在士0m水平. 并水平发展，向上延伸至地表 2.3结果对比与分析 2数值模拟分析 计算结果包括最大主应力、最小主应力、塑性 区、位移矢量和水平位移等值线等.主要从边坡岩 2.1建模 体的位移变化、应力值变化规律和塑性区分布大小 应用数值分析软件，以I一2地质剖面为原型建 三个方面与物理实验进行对照 立数值模拟计算模型，模型宽700m,高550m,模拟 (1)地表沉降，数值模拟得到的地表沉降值可 至地下一300m深处，以开采设计的错动角值为依 以对照物理实验中百分表的数值，选取物理实验中 据确定模型的宽度，当最终采深为一120m,上盘预 采深为一120m时的数据，见表4通过误差分析可 留安全距离130.3m,下盘预留安全距离226m.采 看出，物理实验和数值模拟数值上有些差异，但趋势 用位移边界条件，模型左右两侧限制水平位移，底部 是相同的，北坡前期沉降不多，后期加快，南坡沉降 限制垂直位移.模型竖向荷载主要为自重荷载，侧 比较平稳， 压系数1.2 表4地表沉降对比 下盘有一条较大断层F25,模型在断层附近分 Table 4 Contrast of surface subsidence 为A和B两个区，A区横向划分为60个网格，B区 最终沉降加 划分为192个网格，模型总网格为252×183= 实验 百分 百分 百分 百分 46116个，网格最大长宽比不超过2：1，如图7所示， 方法 表1位置 表2位置 表3位置 表4位置 图中虚线代表岩性分界线，带圈的数字表示岩性编 物理实验 0.99 1.5 1.05 2.08 号，模型中下部分斜线填充体代表铁矿石，露天坑底 数值模拟 1.12 1.45 0.96 1.87 的交叉线代表回填的碎石土 误差% 13.13 3.33 8.57 10.10 226 130.3 410.250P 350.250 -195.250 与相似材料物理模型相比，数值模拟其所涉及 9 F25 的围岩种类较为详细，特别是在F25断层的设置上 B 更为准确，局部位移相差偏大与以上两个因素有直 接关系 D (2)应力值变化.开采至一60m水平时，最大 7-120 D 主应力为25.3MPa是压应力，由于回填体的侧向 支撑作用，在坡脚未出现拉应力，最大剪应力为 2 130. 9.0MPa开采至一84m水平时，最大主应力下降到 410.-3008 -350.-300 21.6MPa为压应力.最大剪应力仍为9.0MP开 图7数值模型示意图（单位：m) 采至一120m水平时，最大主应力增加到25.5MPa Fig 7 Nuerical smulation model (unit m) 是压应力.最大剪应力仍为9.0MPa左右， 通过模拟计算可以得出如下结论：该剖面由于 模型中各岩性的物理参数取值和物理实验相 矿体的水平厚度较大，开采过程中应力的释放较为 同，见表1和表2采用应力解除方法实测的构造应 迅速，应力集中系数较低，开采初期围岩所承受的 力场为：大理岩垂直构造应力为1.63MPa闪长岩 采动应力增加剧烈，当开采到一定深度和范围之后， 为1.807MPa取平均值可得1.7MPa已知岩体泊 伴随着围岩应力得到释放，应力水平有所下降，之 松比为0,24则2种岩体的平均水平构造应力为 后，随着开采深度的进一步增加，采动应力值又有所 0.54MPa 上升，该结论与物理模型的应力盒监测数值变化是 2.2开采方案 相符的， 模拟计算按照无底柱分段崩落法的分层开采方 (3)塑性区分布，该部分主要与物理实验的近 案进行，每次开采高度为12m按照“充分开采，从 景摄影测量做对比，考察整体位移趋势、破坏形式和 上至下，依次开采的原则进行模拟，露天塌陷坑的 错动范围第 2期 宋卫东等： 深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律 于北坡应力较大‚裂纹比南坡裂纹密集‚开采 —84ｍ 水平以前‚裂纹很少‚多数是挂帮矿开采产生的张拉 裂缝．开采到 —120ｍ水平以下‚剪切裂缝开始增多 并水平发展‚向上延伸至地表． 2 数值模拟分析 2∙1 建模 应用数值分析软件‚以Ⅰ--2地质剖面为原型建 立数值模拟计算模型．模型宽 700ｍ‚高 550ｍ‚模拟 至地下 —300ｍ深处．以开采设计的错动角值为依 据确定模型的宽度‚当最终采深为 —120ｍ‚上盘预 留安全距离 130∙3ｍ‚下盘预留安全距离 226ｍ．采 用位移边界条件‚模型左右两侧限制水平位移‚底部 限制垂直位移．模型竖向荷载主要为自重荷载‚侧 压系数 1∙2． 下盘有一条较大断层 Ｆ25‚模型在断层附近分 为 Ａ和 Ｂ两个区．Ａ区横向划分为 60个网格‚Ｂ区 划分 为 192个 网 格‚模 型 总 网 格 为 252×183＝ 46116个‚网格最大长宽比不超过2∶1‚如图7所示． 图中虚线代表岩性分界线‚带圈的数字表示岩性编 号‚模型中下部分斜线填充体代表铁矿石‚露天坑底 的交叉线代表回填的碎石土． 图 7 数值模型示意图 （单位：ｍ） Ｆｉｇ．7 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ（ｕｎｉｔ：ｍ） 模型中各岩性的物理参数取值和物理实验相 同‚见表 1和表 2．采用应力解除方法实测的构造应 力场为：大理岩垂直构造应力为 1∙63ＭＰａ‚闪长岩 为 1∙807ＭＰａ‚取平均值可得 1∙7ＭＰａ．已知岩体泊 松比为 0∙24‚则 2种岩体的平均水平构造应力为 0∙54ＭＰａ． 2∙2 开采方案 模拟计算按照无底柱分段崩落法的分层开采方 案进行‚每次开采高度为 12ｍ．按照 “充分开采‚从 上至下‚依次开采 ”的原则进行模拟．露天塌陷坑的 处理采用废石回填‚即：随着开采深度的下降‚及时 回填露天矿坑底出现的塌陷坑‚始终保持坑底回填 的碎石面在 ±0ｍ水平． 2∙3 结果对比与分析 计算结果包括最大主应力、最小主应力、塑性 区、位移矢量和水平位移等值线等．主要从边坡岩 体的位移变化、应力值变化规律和塑性区分布大小 三个方面与物理实验进行对照． （1） 地表沉降．数值模拟得到的地表沉降值可 以对照物理实验中百分表的数值‚选取物理实验中 采深为 —120ｍ时的数据‚见表 4．通过误差分析可 看出‚物理实验和数值模拟数值上有些差异‚但趋势 是相同的‚北坡前期沉降不多‚后期加快‚南坡沉降 比较平稳． 表 4 地表沉降对比 Ｔａｂｌｅ4 Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 实验 方法 最终沉降／ｍ 百分 表 1位置 百分 表 2位置 百分 表 3位置 百分 表 4位置 物理实验 0∙99 1∙5 1∙05 2∙08 数值模拟 1∙12 1∙45 0∙96 1∙87 误差／％ 13∙13 3∙33 8∙57 10∙10 与相似材料物理模型相比‚数值模拟其所涉及 的围岩种类较为详细‚特别是在 Ｆ25断层的设置上 更为准确‚局部位移相差偏大与以上两个因素有直 接关系． （2） 应力值变化．开采至 —60ｍ水平时‚最大 主应力为 25∙3ＭＰａ‚是压应力．由于回填体的侧向 支撑作用‚在坡脚未出现拉应力．最大剪应力为 9∙0ＭＰａ；开采至 —84ｍ水平时‚最大主应力下降到 21∙6ＭＰａ‚为压应力．最大剪应力仍为 9∙0ＭＰａ；开 采至 —120ｍ水平时‚最大主应力增加到 25∙5ＭＰａ‚ 是压应力．最大剪应力仍为 9∙0ＭＰａ左右． 通过模拟计算可以得出如下结论：该剖面由于 矿体的水平厚度较大‚开采过程中应力的释放较为 迅速‚应力集中系数较低．开采初期围岩所承受的 采动应力增加剧烈‚当开采到一定深度和范围之后‚ 伴随着围岩应力得到释放‚应力水平有所下降．之 后‚随着开采深度的进一步增加‚采动应力值又有所 上升．该结论与物理模型的应力盒监测数值变化是 相符的． （3） 塑性区分布．该部分主要与物理实验的近 景摄影测量做对比‚考察整体位移趋势、破坏形式和 错动范围． ·149·