露天转地下开采岩体采动响应演化特征及坡角效应研究

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矿山由露天转入地下开采后,露天终了边坡、地下采场围岩及上覆岩岩体的应力场、位移场及变形破坏场构成一个复杂多变的动态演化系统。本文以晋宁磷矿2号坑为工程背景,通过现场调研、相似物理模型试验、数值模拟及理论分析相结合的方法,引入边坡采动效应因子K,建立地下采场上覆岩力学分析模型及裂隙演化形态方程,并提出采动影响下力学失稳判据,阐明露天边坡坡角对地下采场围岩、覆岩的影响效应及动态失稳机理,主要研究结果如下:(1)依据相似理论,搭建露天终了边坡坡角为45°、55°、65°相似模型,分析露天转地下开采后采空区围岩、覆岩的变形破裂特征及坡角效应,结果表明:磷矿体采出后,采空区顶板首先形成应力卸荷区,顶板中心卸荷程度最大;随着采空区顶板裸露面积的增大,其卸荷范围也增大,距离采场越近,卸荷程度呈现递增趋势。露天边坡与地下采场上覆岩层的移动方向均指向采空区,最大水平、垂直位移出现在采空区直接顶;将三组模型的最大位移量和最大裂隙高度进行定量分析,表明坡角越大,地下采场破坏程度越剧烈。(2)采场覆岩的裂隙演化是依次向上发展的分层动态过程,其上覆岩裂隙发育带的外轮廓近似一椭抛带,因此基于椭圆抛物面形态方程,建立露天坡角α与采场上覆岩裂隙最大发育高度之间的关系,建立了考虑边坡坡角效应下采空区上覆岩裂隙椭抛带形态方程。(3)采用Matdem软件分析了露天转地下开采后岩体应力场、位移场及采场上覆岩的裂隙演化特征。结果显示:采场直接顶岩体随采随冒,边坡坡角越大,岩层冒落现象越明显;在矿体回采过程中,采场上覆岩层的破裂形态具有明显的分层结构,自下而上出现垮落带,裂隙贯通带及微裂隙松动带。(4)基于露天边坡坡角α及地下采场扰动应力等因素,引入边坡采动效应因子K,精确表达出由岩体位移变化值所反算出的原岩应力的变化;并基于Reissner中厚板理论对顶板不同开挖阶段下的破坏形式分为四边固支阶段和四边简支阶段,建立了采动影响下顶板失稳判据。(5)磷矿体由露天转地下开采后,地下采场直接顶呈“椭圆拱”式破坏,且当压力拱内部应力值超过岩层自身极限强度时,该岩层便会发生压缩破坏、剪切破坏、拉伸破坏或组合破坏四种破坏模式。
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