¹重庆大学土木工程学院，重庆

²重庆助安科技有限公司，重庆

收稿日期：2020年12月16日；录用日期：2021年1月19日；发布日期：2021年1月27日

摘要

为了研究露天矿山开采对下部既有巷道的影响程度，确定露天矿山拟开采的深度，本文依托重庆某建筑石料用灰岩露天矿山拟开采过程，采用三维有限元分析方法，对露天矿山开采引起的下部不同高程的既有巷道围岩位移、应力及塑形发展过程进行了分析。当开采高程为+470 m时，+439、+425高程的巷道均较稳定；当开采高程低于+470 m时，矿山开采对+439、+425高程的巷道稳定性有较大影响，据此确定了比较合理的露天矿山开采深度64 m (+470 m)。

关键词

露天矿山，下部巷道，变形，应力，塑形区

Study of the Influence of Open-Pit Mining on the Stability of Existing Tunnel under the Mine

Shixing Hu^1*, Xingyong Chen², Xiaoguang Jin¹

¹School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing

²Chongqing Zhu’an Technology Co., Ltd., Chongqing

Received: Dec. 16^th, 2020; accepted: Jan. 19^th, 2021; published: Jan. 27^th, 2021

ABSTRACT

In order to study the influence of open-pit mining on the existing tunnel below and determine the proposed mining depth of open-pit mine, this paper, based on the proposed mining process of a limestone open pit mine for construction stone in Chongqing, use three-dimensional finite element analysis method to analyze displacement, stress and shaping of the surrounding rock of existing tunnel at different elevations caused by open pit mining. When the mining elevation is +470 m, the tunnel at +439 m and +425 m is stable. When the mining elevation is lower than +470 m, it has a great influence on the stability of tunnel at +439 m and +425 m. Therefore, a reasonable mining depth of 64 m (+470 m) is determined.

Keywords:Open-Pit Mine, Lower Tunnel, Deformation, Stress, Plastic Area

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

露天矿山开采必将打破原有岩体地应力的受力平衡，引起周围岩土体应力重分布，从而引起周边既有建构筑物的变形。目前已有较多学者对此类问题进行了诸多研究，文献 [1] [2] [3] 通过理论方法推导了计算上部基坑开挖引起既有隧道变形的方法；潘强等 [4] 从露天矿山爆破扰动范围、振动速度以及数值模拟三方面综合分析了露天矿山爆破对拟建隧道的影响；吴亮等 [5] 通过有限元软件分析了露天矿边坡爆破对既有隧道的影响；王翠萍 [6] 使用FLAC3D分析了露天矿边坡开挖及回填对隧道结构应力场和应变场的影响规律；杜明礼等 [7] 通过Midas GTS NX有限元软件分析基坑开挖对侧方既有地铁车站区间的影响；高睿等 [8] 通过有限元软件分析了基坑开挖对下部隧道结构的影响，并提出了保护既有结构的施工方案。本文依托重庆某建筑石料用灰岩露天矿山开采，使用有限元软件Midas GTS NX分析露天矿山开采对下部既有巷道的影响，为露天矿山开采提供理论依据。

2. 工程概况

依托矿山开采范围如图1所示，开采区长357 m，台阶高度10 m。原方案拟开采的最深深度为74 m，

图1. 开采范围示意图

即底部标高为+460 m。开采区域下部有其他地下矿山的巷道，高程分别为+425 m和+439 m，与上部灰岩开采区底部距离分别为32.1 m和18.5 m，相对关系如图2所示(右为+439巷道，左为+425巷道)。开采区底部标高460 m水平以上为三叠系下统嘉陵江组第三段 $T_{1j}^3$ 石灰岩，以下为三叠系下统嘉陵江组第四段 $T_{1j}^4$ 白云质灰岩，场地岩体整体性较好。

图2. 巷道位置图

3. 数值分析模型

3.1. 模型建立

为了减小边界效应对计算结果的影响，常取分析场地左、右两侧的计算边界为隧道跨度的3~5倍或以上，巷道下部计算边界为巷道总高的2倍以上。有限元模型固定前、后、左、右边界的法向位移，固定底面Z方向的位移，模型顶面为自由面。建立的数值模型范围为：前边界取425巷道侧方40 m，后边界取439巷道侧方40 m，左边界取拟定采矿区左侧50 m，右边界取拟定采矿区右侧50，下边界取425巷道下边缘50 m，上边界为地表面，如图3所示。

巷道轮廓大致为2.5 m × 2.5 m的正方形，由于原巷道采用爆破方式掘进，考虑爆破作用对巷道周围2.5 m的围岩有一定的损伤。

图3. 计算模型

3.2. 参数选取

依据矿山开发资料，考虑原巷道爆破开采对围岩的劣化作用(影响范围设定为2.5 m)，数值模拟采用的岩土体材料物理力学参数如表1所示，石灰岩材料采用莫尔–库伦本构模型。

表1. 岩土体材料参数

3.3. 开采步序

在对模型进行试算时，发现由于开采卸荷作用，+439巷道有较多塑性区域，存在一定的安全隐患，所以在分析时将最底层开采区域分步开采，即分成两步开采，一次开采5 m。

模拟过程如下：

1) 进行初始场地自重应力平衡；

2) 对巷道439、425进行开采，并考虑爆破对围岩的损伤；

3) 对模型进行位移清零，保留应力历史；

4) 对上部采矿区进行开采。将上部1、2层，3、4层，5、6层分三步进行开采，将第7层开采区分成两层分别进行开采，一共5步开采完成，如图4所示。

图4. 开采模拟步骤

4. 模拟结果及分析

4.1. 围岩位移

露天开采至+460 m高程，巷道+439的位移云图如图5所示，巷道+425的位移云图如图6所示，图7给出了巷道顶部沿巷道纵向竖向位移变化曲线图(左为巷道+439，右为巷道+425)；巷道+439最终位移最大截面处，上下壁竖向位移随开采步的变化如表2所示，巷道+425最终位移最大截面处，上下壁竖向位移随开采步的变化如表3所示。

图5. 巷道+439位移图

图6. 巷道+425位移云图

图7. 巷道+439 (左)与+425 (右)位移云图

表2. +439巷道最终位移最大截面上、下壁竖向位移变化

表3. +425巷道最终位移最大截面上、下壁竖向位移变化

可以看出，+439巷道最终竖向位移约为18.00 mm，原始场地最高截面处竖向隆起最大，竖向位移沿纵向变化较为均匀，且随着露天矿区的开采，竖向位移逐渐增大。+425巷道最终竖向位移约为14.70 mm，原始场地最高截面处竖向隆起最大，竖向位移沿纵向变化较为均匀；且随着露天矿区的开采，竖向位移逐渐增大。+439巷道与+425巷道的位移值均在允许范围内。

4.2. 围岩应力

+439巷道竖向应力云图如图8所示，左右壁竖向应力及水平应力变化如表4所示；+425巷道竖向应力云图如图9所示，左右壁竖向应力及水平应力变化如表5所示；460 m矿层开采完成后，埋深最大截面处主应力分布图如图10所示。

图8. 巷道+439竖向应力云图

图9. 巷道+425竖向应力云图

图10. 埋深最大截面处主应力分布图

表4. +439巷道左右壁应力变化

表5. +425巷道左右壁应力变化

对比图8与图9可以看出，相对于+425巷道，+439巷道由于埋深较浅，开采后顶部区域竖向应力较大。从图10可以看出，露天矿区460标高开采后，巷道+439左右壁应力较为集中，+425巷道周围应力集中现象不明显。

从表3可以看出，+439巷道随着地表采矿区的开采，左右侧壁竖向应力逐渐变小，从受压状态逐渐变成受拉状态，+439巷道左右侧壁水平应力自始至终都较小。从表4可以看出，+425巷道随着地表采矿区的开采，左右侧壁竖向应力逐渐变小，未形成受拉应力，应力值相对较小，+425巷道左右侧壁水平应力自始至终都较小。

由于开采卸荷引起巷道周边应力重分配，+439巷道受到的影响明显大于+425巷道。

4.3. 围岩塑形状态

各施工步完成后，单元塑形区分布如图11所示。

图11. 塑性区发展图

从图11(a)可以看出，巷道开采之初，在巷道周围有较少塑性区出现，但并未连成片，且巷道已经修建多年，变形基本稳定。

从图11(b)~(e)可以看出，在第六层(底部标高470 m)开采后，几乎无塑性区，标高+460 m矿区全部开采完成后，+439巷道有较多塑性区出现，且主要集中在开采区正下方的围岩松动区边缘，+425巷道围岩弱化区有部分塑性区，但未形成大片贯通，如图12所示。因此+439巷道存在一定的安全隐患。

图12. 开采完成后439巷道(左)与425巷道(右)塑形区

将460 m~470 m开采层分成5 m + 5 m的两层分别进行开采，得到的结果如图13所示。

图13. 露天开采深度对+439巷道影响图

从图13可以看出，开采至+460 m标高时，+439巷道含有较多塑性区，巷道顶部出现大面积破坏，危险系数较大。开采至+465 m标高时，+425巷道几乎无塑性区，安全；+439巷道围岩松动区边缘有较少塑性区，但未贯通成片，未出现整体破坏，出现局部破坏，有一定的危险。

开采至+470 m标高时，+439巷道、+425巷道几乎均无塑性区出现，此方案较为安全。

5. 结论

露天矿山开采过程的三维有限元分析表明，露天矿山开采引起的下部巷道位移较小，但会产生较大塑性区。当开采高程为+470 m时，+439、+425高程的巷道均较稳定；当开采高程低于+470 m时，矿山开采对+439、+425高程的巷道稳定性有较大影响；当开采高程为+465 m时，+439巷道可能出现局部破坏现象，+425巷道较为稳定；当开采深度达到+460 m时，+439巷道出现大面积破坏，+425巷道出现局部破坏。建议露天矿山开采的高程不应低于+470 m，以保证下部既有巷道的安全。

文章引用

胡世兴,陈兴勇,靳晓光. 露天矿山开采对下部既有巷道稳定性的影响分析
Study of the Influence of Open-Pit Mining on the Stability of Existing Tunnel under the Mine[J]. 矿山工程, 2021, 09(01): 71-80. https://doi.org/10.12677/ME.2021.91011

参考文献