挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2012.07.005 第34卷第7期 北京科技大学学报 Vol.34 No.7 2012年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2012 挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的 影响 谭玉叶2》杜建华，2)区 宋卫东12》杨陆海》梅林芳》 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 3)武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉430080 ☒通信作者，E-mail:du_jianhua(@hotmail.com 摘要以大治铁矿高陡边坡下2挂帮矿回采为工程背景，首先采用GEO-SLOPE软件对挂帮矿开采中边坡稳定性进行了分 析：然后通过现场监测及模型相似实验相结合的手段，研究矿柱及围岩的应力及位移变化规律，探讨了挂帮矿充填法开采对 采场围岩稳定性的影响.研究表明挂帮矿所在露天初始边坡经过扩帮及内部开采后，安全系数平均值由1.274下降至1.005， 边坡稳定性较差：目前空区采场矿柱及围岩稳定性较好，但必须对现有采空区进行充填，改变空区及矿柱应力集中状态，才能 进行矿柱及顶底板矿石回采 关键词露天开采：挂帮矿：充填：边坡稳定性：监测 分类号TD325 Effect of a filling method for mining the hanging wall ore on high-steep slope and surrounding rock stability TAN Yu-ye2),DU Jian-hua),SONG Wei-dong )YANG Lu-hai,MEI Lin-fang) 1)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Wuhan Iron Steel Group Mining Co.Ltd.Wuhan 430080,China Corresponding author,E-mail:du_jianhua@hotmail.com ABSTRACT Taking the mining of the 2*hanging wall ore in Daye Iron Mine by a filling method as an engineering background,the change of high-steep slope stability in the mining process was analyzed first in this paper.Then through using on-site monitoring together with similar material simulate experiments,the stress and displacement changing rules of rock pillars and surrounding rock were studied to discuss the effect of mining the hanging wall ore using the filling method on the surrounding rock stability.The results show that the average value of slope safety coefficient decreases from 1.274 to 1.005 after slope expansion and mining.This indicates that the slope stability is poor.Although the rock pillars and surrounding rock are stable currently,the existing mined-out areas must be filled to change the stress concentration state before the mining of pillar ore and the roof floor ore. KEY WORDS open pit mining:hanging wall ore:filling:slope stability:monitoring 露天开采结束后，残留在露天境界周围的剩余 露天开采后，己形成的高陡边坡处于极限平衡状态， 矿量即为挂帮矿.据统计，挂帮矿占开采总储量的 开采挂帮矿势必影响到边坡的安全及稳定. 5%~16%1-习.最大限度地回收挂帮矿，可延长矿 武钢大治铁矿2"挂帮矿体位于东露天采场北 山服务年限，缓解矿山短时间内转产及安排大量闲 帮，为尖山主矿体的残留矿，赋存标高-144~ 置职工的压力.然而，一般情况下，矿山经过多年的 -168m.挂帮矿所在边坡垂直高度达300m以上， 收稿日期：201105-22 基金项目：“十一五”国家科技支撑重大计划资助项目(2006BABO2A02)

第 34 卷 第 7 期 2012 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 7 Jul． 2012 挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的 影响 谭玉叶1，2) 杜建华1，2) 宋卫东1，2) 杨陆海2) 梅林芳3) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 3) 武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉 430080 通信作者，E-mail: du_jianhua@ hotmail． com 摘 要 以大冶铁矿高陡边坡下 2# 挂帮矿回采为工程背景，首先采用 GEO--SLOPE 软件对挂帮矿开采中边坡稳定性进行了分 析; 然后通过现场监测及模型相似实验相结合的手段，研究矿柱及围岩的应力及位移变化规律，探讨了挂帮矿充填法开采对 采场围岩稳定性的影响． 研究表明挂帮矿所在露天初始边坡经过扩帮及内部开采后，安全系数平均值由 1. 274 下降至 1. 005， 边坡稳定性较差; 目前空区采场矿柱及围岩稳定性较好，但必须对现有采空区进行充填，改变空区及矿柱应力集中状态，才能 进行矿柱及顶底板矿石回采． 关键词 露天开采; 挂帮矿; 充填; 边坡稳定性; 监测 分类号 TD325 Effect of a filling method for mining the hanging wall ore on high-steep slope and surrounding rock stability TAN Yu-ye 1，2) ，DU Jian-hua1，2) ，SONG Wei-dong 1，2) ，YANG Lu-hai 2) ，MEI Lin-fang3) 1) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines ( Ministry of Education of China) ，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China 2) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Wuhan Iron ＆ Steel Group Mining Co． Ltd． ，Wuhan 430080，China Corresponding author，E-mail: du_jianhua@ hotmail． com ABSTRACT Taking the mining of the 2# hanging wall ore in Daye Iron Mine by a filling method as an engineering background，the change of high-steep slope stability in the mining process was analyzed first in this paper． Then through using on-site monitoring together with similar material simulate experiments，the stress and displacement changing rules of rock pillars and surrounding rock were studied to discuss the effect of mining the hanging wall ore using the filling method on the surrounding rock stability． The results show that the average value of slope safety coefficient decreases from 1. 274 to 1. 005 after slope expansion and mining． This indicates that the slope stability is poor． Although the rock pillars and surrounding rock are stable currently，the existing mined-out areas must be filled to change the stress concentration state before the mining of pillar ore and the roof ＆ floor ore． KEY WORDS open pit mining; hanging wall ore; filling; slope stability; monitoring 收稿日期: 2011--05--22 基金项目: “十一五”国家科技支撑重大计划资助项目( 2006BAB02A02) 露天开采结束后，残留在露天境界周围的剩余 矿量即为挂帮矿． 据统计，挂帮矿占开采总储量的 5% ～ 16%［1--2］． 最大限度地回收挂帮矿，可延长矿 山服务年限，缓解矿山短时间内转产及安排大量闲 置职工的压力． 然而，一般情况下，矿山经过多年的 露天开采后，已形成的高陡边坡处于极限平衡状态， 开采挂帮矿势必影响到边坡的安全及稳定． 武钢大冶铁矿 2# 挂帮矿体位于东露天采场北 帮，为尖山主矿体的残留矿，赋 存 标 高 － 144 ～ － 168 m． 挂帮矿所在边坡垂直高度达 300 m 以上， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.005

·732 北京科技大学学报 第34卷 局部边坡角高达60°，其高陡状况为国内外罕见，且 130 整个矿体被几乎与边坡走向正交的F13大断层所横 12010 1109- 穿，这成为其开采时所面临的最大安全隐患B) 1008 90 2挂帮矿于2001年开始，采用露天人工滑架深 孔凿岩、高陡帮开采和露天坑底出矿的方式开采. 706 605 2006年改用浅孔留矿空场法开采，在-144m水平 504 40 采场内部形成高13m、面积1202m2的大空场，空场 3 中留有不规则矿柱.2008年，采用上向水平分层胶 02 10 12 结充填采矿法回采，由于充填系统无法按期投入使 03% 406080100120140160180 200 用，在-156m水平又形成了一个高12m、面积 800m2的采空区.目前，2"挂帮矿还剩有10万多t 图2边坡扩帮及内部开采后模型图（单位：m) Fig.2 Model diagram of side expansion and intemal mined slope 矿石，如果继续回采必须先对现有采空区进行处理， (unit:m） 以免边坡失稳，故设计采用上向水平分层嗣后全尾 砂胶结充填采矿法进行回采. 定性出发，必须充填采空区，改善边坡的受力状态， 本文采用相似材料实验方法模拟充填开采过 再进行后续矿石回采 程，研究2挂帮矿开采对高陡边坡及采场围岩稳定 表1边坡稳定性安全系数计算结果表 性的影响，并结合矿山现场监测情况，为挂帮矿安全 Table 1 Calculation results of slope safety factor 开采提供生产指导 计算方法 初始状态 扩帮及内采后 L.265 0.930 1边坡稳定性分析 Ordinary法 摩根斯顿法 1.279 1.015 2挂帮矿经过多次扩帮及内部开采，目前不但 Bishop法 1.266 1.021 边坡角较陡，且边坡下部空场暴露面积较大.本文 Janbu普遍条分法 1.284 1.052 采用GEO-SLOP分析软件，对露天初始边坡及扩帮 平均值 1.274 1.005 和内部开采后的边坡稳定性情况进行对比分析.模 型及计算结果如图1和2所示，不同计算方法得出 2现场监测 的安全系数如表1所示. 2.1监测目的及方法 岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过 程，岩质边坡工程由稳定状态向不稳定状态的突变， 必然具有某种前兆.现场岩变征兆主要通过现场监 测方法获取D,并通过监测结果分析得出结论.现 5 场监测一般采用断面收敛监测、位移监测和应力监 4 测等多种手段，以做出比较准确和可靠的分析与判 3 2 断，真正达到对围岩与充填体以及边坡稳定性预测 1 预报的目的P-0 27 本次现场监测使用KSE-Ⅱ-2型压力计监测矿 图1初始露天边坡稳定性分析图（单位：m) 柱及围岩应力变化，使用JSS30A型数显巷道收敛计 Fig.I Stability analysis diagram of the original open slope (unit 测量矿柱及围岩位移变化.通过现场监测手段随时 m) 监测现场地压和位移的变化情况，以保证在安全条 由分析结果可知：露天初始边坡较稳定，安全系 件下最大限度的回采2挂帮矿剩余矿石. 数平均值为1.274，根据《岩土工程勘察规范》中的 2.2监测点布置 规定是安全的：然而经过扩帮以及内部开采后， (1)应力监测点布置.通过现场调查分析，应 边坡平均稳定性系数仅为1.005，且较为保守的 力监测点均布置在可以现场操作的应力集中区，以 Ordinary法计算出安全系数小于I,边坡稳定性差， 便能够及时通过现场空区应力变化情况预测空区矿 处于极限平衡状态.从维持现有边坡的完整性及稳 柱、围岩及顶板的稳定情况.本次监测于-156m水

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 局部边坡角高达 60°，其高陡状况为国内外罕见，且 整个矿体被几乎与边坡走向正交的 F13 大断层所横 穿，这成为其开采时所面临的最大安全隐患［3--4］． 2# 挂帮矿于 2001 年开始，采用露天人工滑架深 孔凿岩、高陡帮开采和露天坑底出矿的方式开采． 2006 年改用浅孔留矿空场法开采，在 － 144 m 水平 采场内部形成高 13 m、面积 1 202 m2 的大空场，空场 中留有不规则矿柱． 2008 年，采用上向水平分层胶 结充填采矿法回采，由于充填系统无法按期投入使 用，在 － 156 m 水平又形成了一个高 12 m、面 积 800 m2 的采空区． 目前，2# 挂帮矿还剩有 10 万多 t 矿石，如果继续回采必须先对现有采空区进行处理， 以免边坡失稳，故设计采用上向水平分层嗣后全尾 砂胶结充填采矿法进行回采． 本文采用相似材料实验方法模拟充填开采过 程，研究 2# 挂帮矿开采对高陡边坡及采场围岩稳定 性的影响，并结合矿山现场监测情况，为挂帮矿安全 开采提供生产指导． 1 边坡稳定性分析 2# 挂帮矿经过多次扩帮及内部开采，目前不但 边坡角较陡，且边坡下部空场暴露面积较大． 本文 采用 GEO--SLOP 分析软件，对露天初始边坡及扩帮 和内部开采后的边坡稳定性情况进行对比分析． 模 型及计算结果如图 1 和 2 所示，不同计算方法得出 的安全系数如表 1 所示． 图 1 初始露天边坡稳定性分析图 ( 单位: m) Fig． 1 Stability analysis diagram of the original open slope ( unit: m) 由分析结果可知: 露天初始边坡较稳定，安全系 数平均值为 1. 274，根据《岩土工程勘察规范》中的 规定是安全的［5--6］; 然而经过扩帮以及内部开采后， 边坡平均稳定性系数仅为 1. 005，且 较 为 保 守 的 Ordinary法计算出安全系数小于 1，边坡稳定性差， 处于极限平衡状态． 从维持现有边坡的完整性及稳 图 2 边坡扩帮及内部开采后模型图 ( 单位: m) Fig． 2 Model diagram of side expansion and internal mined slope ( unit: m) 定性出发，必须充填采空区，改善边坡的受力状态， 再进行后续矿石回采． 表 1 边坡稳定性安全系数计算结果表 Table 1 Calculation results of slope safety factor 计算方法 初始状态 扩帮及内采后 Ordinary 法 1. 265 0. 930 摩根斯顿法 1. 279 1. 015 Bishop 法 1. 266 1. 021 Janbu 普遍条分法 1. 284 1. 052 平均值 1. 274 1. 005 2 现场监测 2. 1 监测目的及方法 岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过 程，岩质边坡工程由稳定状态向不稳定状态的突变， 必然具有某种前兆． 现场岩变征兆主要通过现场监 测方法获取［7--8］，并通过监测结果分析得出结论． 现 场监测一般采用断面收敛监测、位移监测和应力监 测等多种手段，以做出比较准确和可靠的分析与判 断，真正达到对围岩与充填体以及边坡稳定性预测 预报的目的［9--10］． 本次现场监测使用 KSE--Ⅱ--2 型压力计监测矿 柱及围岩应力变化，使用 JSS30A 型数显巷道收敛计 测量矿柱及围岩位移变化． 通过现场监测手段随时 监测现场地压和位移的变化情况，以保证在安全条 件下最大限度的回采 2# 挂帮矿剩余矿石． 2. 2 监测点布置 ( 1) 应力监测点布置． 通过现场调查分析，应 力监测点均布置在可以现场操作的应力集中区，以 便能够及时通过现场空区应力变化情况预测空区矿 柱、围岩及顶板的稳定情况． 本次监测于 － 156 m 水 ·732·

第7期 谭玉叶等：挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响 ·733· 平矿柱(1)、-156m水平空场北帮(4)、-144m 40 ◆1号占 水平矿柱(3)和-144m水平空场南帮(2)共布置 —2号点 3号点 应力监测点四个，如图3和图4所示. 4号点 (2)位移监测点布置.在-156m水平矿柱上 3.0 布置五个位移监测点，-144m水平布置四个监测 点，如图3和4所示. 2.5 4# 、1号点 206 30 6090120150180 监测时间风 2号点 图5应力监测曲线图 7号点 Fig.5 Monitoring curves of horizontal stress 9号点 8号点 采空区800多平方米 坡角变陡，边坡稳定性下降造成-144m水平矿柱 承受压力较大； ●一应力监测点 O一位移监测点 (4)应力随着采矿活动的进行而不断发生变 化，从图5中可知在3月份监测期间对-156m水平 进行拉底及撬顶作业过程中，1"、2监测点应力变化 图3 -156m水平应力及位移监测点布置 明显，应力均变大，截止7月份，2监测点应力变化 Fig.3 Location of monitoring points for horizontal stress and dis- 幅度约为0.7MPa,应力变化明显，其原因是监测期 placement in the -156m mining level 间在没有对空区进行及时充填的前提下强行出矿， 造成-156m水平应力变化明显，矿柱承受应力 较大. 整体看来，2"挂帮矿矿柱及围岩稳定性较好，应 5号点 4号点 力曲线趋于稳定.建议后续开采时必须先充填，待 2#● 充填体有一定的强度后再回收矿柱及顶底板，并加 3号点 强后期监测，以便能够及时了解2”挂帮矿各水平的 6号点 应力分布及围岩矿柱的稳定情况，指导安全作业 2.3.2位移监测结果分析 ●一应力监测点 。一位移监测点 由于现场作业破坏部分测点，对剩下的六个测 点的位移监测进行数据统计分析，位移变化曲线见 图4-144m水平应力及位移监测点布置 图6. Fig.4 Location of monitoring points for horizontal stress and dis- placement in the -144 m mining level 2.3监测结果分析 监测设备安装完成后，定期采集数据，从2010 目-10 年1一7月共进行了七次监测数据采集 -15 +一1号点 2.3.1应力监测结果分析 -2号点 -20 ·一3号点 应力监测结果如图5所示 4号点 (1)由应力监测图可知应力计安装完成后，数 -25 一5号点 +一6号点 据需要一段时间才能够稳定，2"挂帮矿矿柱及围岩 300 306090120150180 监测时间d 应力变化在2.4~3.7MPa范围内： (2)-156m水平矿柱比北帮受力大，主要由 图6位移监测曲线 Fig.6 Monitoring curves of displacement 于该水平空区面积较大，矿柱承担了主要应力： (3)-144m水平矿柱的应力变化曲线处于最 (1)-156m水平监测期间变形比较明显，主 上层，这是因为矿区面积过大及扩帮开采导致的边 要为收敛变形，其中2监测点在3月份期间位移值

第 7 期 谭玉叶等: 挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响 平矿柱( 1# ) 、－ 156 m 水平空场北帮( 4# ) 、－ 144 m 水平矿柱( 3# ) 和 － 144 m 水平空场南帮( 2# ) 共布置 应力监测点四个，如图 3 和图 4 所示． ( 2) 位移监测点布置． 在 － 156 m 水平矿柱上 布置五个位移监测点，－ 144 m 水平布置四个监测 点，如图 3 和 4 所示． 图 3 － 156 m 水平应力及位移监测点布置 Fig． 3 Location of monitoring points for horizontal stress and dis￾placement in the － 156 m mining level 图 4 － 144 m 水平应力及位移监测点布置 Fig． 4 Location of monitoring points for horizontal stress and dis￾placement in the － 144 m mining level 2. 3 监测结果分析 监测设备安装完成后，定期采集数据，从 2010 年 1—7 月共进行了七次监测数据采集． 2. 3. 1 应力监测结果分析 应力监测结果如图 5 所示． ( 1) 由应力监测图可知应力计安装完成后，数 据需要一段时间才能够稳定，2# 挂帮矿矿柱及围岩 应力变化在 2. 4 ～ 3. 7 MPa 范围内; ( 2) － 156 m 水平矿柱比北帮受力大，主要由 于该水平空区面积较大，矿柱承担了主要应力; ( 3) － 144 m 水平矿柱的应力变化曲线处于最 上层，这是因为矿区面积过大及扩帮开采导致的边 图 5 应力监测曲线图 Fig． 5 Monitoring curves of horizontal stress 坡角变陡，边坡稳定性下降造成 － 144 m 水平矿柱 承受压力较大; ( 4) 应力随着采矿活动的进行而不断发生变 化，从图 5 中可知在 3 月份监测期间对 － 156 m 水平 进行拉底及撬顶作业过程中，1# 、2# 监测点应力变化 明显，应力均变大，截止 7 月份，2# 监测点应力变化 幅度约为 0. 7 MPa，应力变化明显，其原因是监测期 间在没有对空区进行及时充填的前提下强行出矿， 造成 － 156 m 水平应力变化明显，矿 柱 承 受 应 力 较大． 整体看来，2# 挂帮矿矿柱及围岩稳定性较好，应 力曲线趋于稳定． 建议后续开采时必须先充填，待 充填体有一定的强度后再回收矿柱及顶底板，并加 强后期监测，以便能够及时了解 2# 挂帮矿各水平的 应力分布及围岩矿柱的稳定情况，指导安全作业． 2. 3. 2 位移监测结果分析 由于现场作业破坏部分测点，对剩下的六个测 点的位移监测进行数据统计分析，位移变化曲线见 图 6． 图 6 位移监测曲线 Fig． 6 Monitoring curves of displacement ( 1) － 156 m 水平监测期间变形比较明显，主 要为收敛变形，其中 2# 监测点在 3 月份期间位移值 ·733·

·734 北京科技大学学报 第34卷 高达26.93mm;这主要是由于矿区3月份期间井下 3相似材料模拟实验 作业的位置都很接近2"监测点，在此期间对-168m 与-156m水平进行了贯穿，并对-156m水平的顶 3.1模型制作 板进行了回采，2"监测点位移在这些采矿活动扰动 根据相似第三定律制作模型，利用相似第二定 下变化较大，-156m水平空区受采矿活动的影响 律进行观测数据处理，应用相似第一定律和第二定 收敛变形也较为明显，但随着采矿活动的减少，变形 律进行开挖后空区充填前后的位移及应力预 逐渐趋于平稳 计1-a (2)监测期间，由于在-156m水平进行了挑 3.1.1模型剖面和尺寸确定 底作业，靠近边坡处位移监测点7”、8"和9受到破 边坡稳定性计算一般可以简化为平面应变问 坏，无法进行测量 题，用平面计算结果近似代替三维结果，模拟剖面的 (3)-144m水平变形总体看来，随着时间的 选取尽量垂直于边坡坡面. 增加，曲线趋于平稳，位移变化不大，波动幅度基本 物理模型实验台由框架系统、加载系统和测试 在0~1.5mm内：3"点位移变化最大，其原因是该点 系统组成，框架系统规格为420cm×25cm×120cm. 位于矿柱上的监测点，由于矿柱承受应力较大，且矿 根据相关地质采矿资料，并考虑到本实验只模拟2 区作业仍在进行，随着矿柱及围岩应力的不断变化， 挂帮矿范围内采空区充填前后的地压变化，确定实 矿柱必然发生较为明显的变形 验原型截面尺寸为长×宽×高=120m×25m× 整体上看，位移变化不大，且随着采矿作业活动 72m,模型尺寸为长×宽×高=120cm×25cm× 的减少，变形趋于稳定，但由于2"挂帮矿还需进行 72cm,模拟的几何相似比C1=100,模型设计图如图 后续矿石的回采，必将会影响到围岩及矿柱的稳定 7.72cm以上边坡根据相似原理换算为压力，采用 性，因此还需要定期对各监测点进行位移监测 压重物实现 上覆岩层压力 开采水平 -96cm 70 cm 。一位移监测 △一应力监测 60cm -108cm a Q、O 50 cm 顶板、 -120cm 、 40 cm 49 、 空场 空场 、00喻岩 、 、 -132cm 30 cm 顶板 底板 ò、 -144cm 20cm 0 Q场 Q 空场【 10cm 、O4Q o.a.Go -156cm 00 0cm 20 cm 40 cm 60 cm 80cm 100cm 120cm 图7模型设计中监测点布置图 Fig.7 Location of monitoring points in the similar material model 3.1.2模型设计与制作 o.=22.82- (1) 岩性主要包括铁矿体、花岗岩、矽卡岩和闪长 式中：σ。为岩体饱和单轴抗压强度：I,ok为修正后 岩，其主要力学参数如表2. 的标准试件点荷载强度：准岩体抗压强度σ= 岩体的抗压强度需要用点荷载抗压强度转换， Kσe,K为岩体完整系数 先从点荷载抗压强度转换为饱和单轴抗压强度，见 实验模拟材料主要为砂子、石膏、碳酸钙、重晶 下式，再从饱和单轴抗压强度通过岩体完整系数转 石粉和水.模拟容重一般为15kNm-3,设计选取模 换为准岩体抗压强度). 型容重比C,=2.1,则弹性模量比C与单轴抗压

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 高达 26. 93 mm; 这主要是由于矿区 3 月份期间井下 作业的位置都很接近 2# 监测点，在此期间对 － 168 m 与 － 156 m 水平进行了贯穿，并对 － 156 m 水平的顶 板进行了回采，2# 监测点位移在这些采矿活动扰动 下变化较大，－ 156 m 水平空区受采矿活动的影响 收敛变形也较为明显，但随着采矿活动的减少，变形 逐渐趋于平稳． ( 2) 监测期间，由于在 － 156 m 水平进行了挑 底作业，靠近边坡处位移监测点 7# 、8# 和 9# 受到破 坏，无法进行测量． ( 3) － 144 m 水平变形总体看来，随着时间的 增加，曲线趋于平稳，位移变化不大，波动幅度基本 在 0 ～ 1. 5 mm 内; 3# 点位移变化最大，其原因是该点 位于矿柱上的监测点，由于矿柱承受应力较大，且矿 区作业仍在进行，随着矿柱及围岩应力的不断变化， 矿柱必然发生较为明显的变形． 整体上看，位移变化不大，且随着采矿作业活动 的减少，变形趋于稳定，但由于 2# 挂帮矿还需进行 后续矿石的回采，必将会影响到围岩及矿柱的稳定 性，因此还需要定期对各监测点进行位移监测． 3 相似材料模拟实验 3. 1 模型制作 根据相似第三定律制作模型，利用相似第二定 律进行观测数据处理，应用相似第一定律和第二定 律进行开挖后空区充填前后的位移及应力预 计［11--12］． 3. 1. 1 模型剖面和尺寸确定 边坡稳定性计算一般可以简化为平面应变问 题，用平面计算结果近似代替三维结果，模拟剖面的 选取尽量垂直于边坡坡面． 物理模型实验台由框架系统、加载系统和测试 系统组成，框架系统规格为 420 cm × 25 cm × 120 cm． 根据相关地质采矿资料，并考虑到本实验只模拟 2# 挂帮矿范围内采空区充填前后的地压变化，确定实 验原型截面尺寸为长 × 宽 × 高 = 120 m × 25 m × 72 m，模型尺寸为长 × 宽 × 高 = 120 cm × 25 cm × 72 cm，模拟的几何相似比 Cl = 100，模型设计图如图 7． 72 cm 以上边坡根据相似原理换算为压力，采用 压重物实现． 图 7 模型设计中监测点布置图 Fig． 7 Location of monitoring points in the similar material model 3. 1. 2 模型设计与制作 岩性主要包括铁矿体、花岗岩、矽卡岩和闪长 岩，其主要力学参数如表 2． 岩体的抗压强度需要用点荷载抗压强度转换， 先从点荷载抗压强度转换为饱和单轴抗压强度，见 下式，再从饱和单轴抗压强度通过岩体完整系数转 换为准岩体抗压强度［13］． σc = 22. 82I 0. 75 s( 50) k ． ( 1) 式中: σc为岩体饱和单轴抗压强度; Is( 50) k为修正后 的标准试件点荷载强度; 准岩体抗压强度 σmc = Kσc，K 为岩体完整系数． 实验模拟材料主要为砂子、石膏、碳酸钙、重晶 石粉和水． 模拟容重一般为 15 kN·m － 3 ，设计选取模 型容重比 Cγ = 2. 1 ［14］，则弹性模量比 CE与单轴抗压 ·734·

第7期 谭玉叶等：挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响 ·735· 表2主要岩类力学参数 Table 2 Main mechanical properties of the rock 岩类 容重，y/(kNm3) 弹性模量，E/GPa 泊松比，4 准岩体抗压强度，uMPa 内聚力，C/MPa 铁矿体 40.3 15.23 0.31 87.11 0.33 花岗岩 25.5 17.96 0.27 99.75 0.48 矽卡岩 24.7 13.24 0.23 62.6 0.24 闪长岩 27.4 21.44 0.35 102.94 0.52 强度比C。为：C.=C。=C,×C,=2.1×100=210. 矿柱及顶底板并充填采区.监测内容包括实时应力 模型划分为矿体、围岩和充填体三部分，各模拟物理 和位移监测，开挖前后拍照等.实验模拟过程如图8 力学参数如表3. 所示. 表3模型物理力学参数 Table 3 Physical and Mechanical parameters of the model 实验模拟材料 y/kN…m-3 E/MPa Ome/kPa 铁矿石 19.19 72.52 0.31 414.81 花岗岩 12.14 85.52 0.27 475.00 矽卡岩 11.76 63.05 0.23 298.10 闪长岩 13.05 102.10 0.35 490.19 。。。 充填体 90.00 大量的实验表明，影响相似材料力学性能的主 要因素是相似比、含水率、各材料自身力学性能和容 重等，结合实际岩石力学参数，选取不同的河沙、碳 图8物理模拟实验过程 酸钙和石膏的相似材料配比进行对比分析，得出较 Fig.8 Process of the physical experiment 为合理的相似材料配比如表4. 3.2.3数据整理分析 表4模拟材料相似配比 (1)位移分析.分别对99个监测点的x、y和z Table 4 Compounding ratio of the simulating material 坐标值进行监测，可得x轴方向没有明显位移变化， 岩体 铁矿石花岗岩矽卡岩闪长岩充填体 y、z轴坐标值随着实验的进行发生相应的变化，但 配比 7:3:7 6:4:67:6:4 3:6:4 7:7:3 变化不大.分析如下：①随着矿房的开挖，靠近空区 水量配比1/9 1/9 1/9 1/7 1/9 及边坡岩体附近的测点y方向坐标值出现了均向边 注：水量配比数据为水量所占河沙、碳酸钙和石膏三者总重的 坡的横向移动，：方向坐标值发生竖向变形且均竖 比例 向下沉，随着开挖的进行变形增大，但移动最大范围 3.2实验分析 在0.1mm内.②采空区充填后，大部分监测点横向 3.2.1实验数据监测 位移及竖向位移均不再发生变化，但充填不能使已 实验从应变和位移两个方面对模型进行监测， 有变形恢复至初始状态.③矿柱及顶底板回采后， 使用压力传感器测量围岩应力变化，采用全站仪监 测点的y、z坐标值绝对值均变大，整个模型变形较 测矿体及周围岩体位移.对重点部位矿柱和顶底柱 小，围岩稳定：对空区充填后，各测点数据不再发生 及围岩进行监测点布置，应力监测点共布置30个， 变化. 位移监测点共布置99个，监测点布置如图7 (2)围岩应力分析.围岩应力变化通过压力传 3.2.2开采方案及开挖过程 感器测得，其中1~10测点的围岩应力变化曲线如 根据工程实际情况以及相似时间比，模型开挖 图9所示（应力盒读数值）.分析如下：①-144m 过程设计为10步，每步用时1d.首先依次开挖 水平矿房开挖时，应力缓慢增大，到-156m水平矿 -144m、-156m水平1号、2号矿房，再充填 房开挖时，应力增大趋势明显，空区充填后趋于稳 -156m水平空区并回采矿柱，然后充填-156m水 定：-156m水平矿柱回采后，大部分测点应力再次 平矿柱及-144m水平空区，最后回采-144m水平 变大，但空区充填后，应力趋于稳定；②回采-144m

第 7 期 谭玉叶等: 挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响 表 2 主要岩类力学参数 Table 2 Main mechanical properties of the rock 岩类 容重，γ /( kN·m － 3 ) 弹性模量，E /GPa 泊松比，μ 准岩体抗压强度，σmc /MPa 内聚力，C /MPa 铁矿体 40. 3 15. 23 0. 31 87. 11 0. 33 花岗岩 25. 5 17. 96 0. 27 99. 75 0. 48 矽卡岩 24. 7 13. 24 0. 23 62. 6 0. 24 闪长岩 27. 4 21. 44 0. 35 102. 94 0. 52 强度比 Cσ 为: Ce = Cσ = Cγ × Cl = 2. 1 × 100 = 210． 模型划分为矿体、围岩和充填体三部分，各模拟物理 力学参数如表 3． 表 3 模型物理力学参数 Table 3 Physical and Mechanical parameters of the model 实验模拟材料 γ /kN·m － 3 E /MPa μ σmc /kPa 铁矿石 19. 19 72. 52 0. 31 414. 81 花岗岩 12. 14 85. 52 0. 27 475. 00 矽卡岩 11. 76 63. 05 0. 23 298. 10 闪长岩 13. 05 102. 10 0. 35 490. 19 充填体 — — — 90. 00 大量的实验表明，影响相似材料力学性能的主 要因素是相似比、含水率、各材料自身力学性能和容 重等，结合实际岩石力学参数，选取不同的河沙、碳 酸钙和石膏的相似材料配比进行对比分析，得出较 为合理的相似材料配比如表 4． 表 4 模拟材料相似配比 Table 4 Compounding ratio of the simulating material 岩体 铁矿石 花岗岩 矽卡岩 闪长岩 充填体 配比 7∶ 3∶ 7 6∶ 4∶ 6 7∶ 6∶ 4 3∶ 6∶ 4 7∶ 7∶ 3 水量配比 1 /9 1 /9 1 /9 1 /7 1 /9 注: 水量配比数据为水量所占河沙、碳酸钙和石膏三者总重的 比例． 3. 2 实验分析 3. 2. 1 实验数据监测 实验从应变和位移两个方面对模型进行监测， 使用压力传感器测量围岩应力变化，采用全站仪监 测矿体及周围岩体位移． 对重点部位矿柱和顶底柱 及围岩进行监测点布置，应力监测点共布置 30 个， 位移监测点共布置 99 个，监测点布置如图 7． 3. 2. 2 开采方案及开挖过程 根据工程实际情况以及相似时间比，模型开挖 过程设计为 10 步，每步用时 1 d． 首先依次开挖 － 144 m、－ 156 m 水 平 1 号、2 号 矿 房，再 充 填 － 156 m水平空区并回采矿柱，然后充填 － 156 m 水 平矿柱及 － 144 m 水平空区，最后回采 － 144 m 水平 矿柱及顶底板并充填采区． 监测内容包括实时应力 和位移监测，开挖前后拍照等． 实验模拟过程如图 8 所示． 图 8 物理模拟实验过程 Fig． 8 Process of the physical experiment 3. 2. 3 数据整理分析 ( 1) 位移分析． 分别对 99 个监测点的 x、y 和 z 坐标值进行监测，可得 x 轴方向没有明显位移变化， y、z 轴坐标值随着实验的进行发生相应的变化，但 变化不大． 分析如下: ①随着矿房的开挖，靠近空区 及边坡岩体附近的测点 y 方向坐标值出现了均向边 坡的横向移动，z 方向坐标值发生竖向变形且均竖 向下沉，随着开挖的进行变形增大，但移动最大范围 在 0. 1 mm 内． ②采空区充填后，大部分监测点横向 位移及竖向位移均不再发生变化，但充填不能使已 有变形恢复至初始状态． ③矿柱及顶底板回采后， 测点的 y、z 坐标值绝对值均变大，整个模型变形较 小，围岩稳定; 对空区充填后，各测点数据不再发生 变化． ( 2) 围岩应力分析． 围岩应力变化通过压力传 感器测得，其中 1 ～ 10 测点的围岩应力变化曲线如 图 9 所示( 应力盒读数值) ． 分析如下: ① － 144 m 水平矿房开挖时，应力缓慢增大，到 － 156 m 水平矿 房开挖时，应力增大趋势明显，空区充填后趋于稳 定; － 156 m 水平矿柱回采后，大部分测点应力再次 变大，但空区充填后，应力趋于稳定; ②回采 － 144 m ·735·