露天转地下开采边坡境界矿柱破坏演化特征及稳定性研究

1. 引言

随着全球矿产资源需求增长，露天转地下开采技术日益普及，该技术可有效延长矿山服务年限并提升资源回收率。边坡境界矿柱作为支撑上覆岩体的关键结构，其稳定性直接影响安全生产，但易受地下开采扰动诱发失稳，甚至引发滑坡或坍塌事故。因此，探究其破坏演化规律与稳定性控制具有重要意义。本文通过案例研究、数值模拟（FLAC3D、ANSYS）与力学分析相结合，系统揭示不同开采条件下矿柱的应力分布、变形机制及破坏模式，进而提出优化开采工艺与支护措施的方案，以提升矿柱稳定性、降低安全风险、提高资源利用效率，为矿山安全高效开采与可持续发展提供理论支撑和技术保障。

2. 露天转地下开采边坡境界矿柱破坏演化特征

2.1 案例介绍

选取某大型铁矿作为案例，该矿山原为深凹露天矿，现已转入地下开采。矿区地质条件复杂，矿体主要位于辉长闪长岩侵入接触内带附近，围岩包括页岩、砂页岩角砾岩和灰岩等。矿体与围岩界限清晰，但围岩中存在高岭土化、碳酸盐化等蚀变现象，影响岩体力学性质。矿山采用充填法开采，并在露天坑底预留20 米厚保安矿柱确保边坡稳定。-150 米中段与露天坑底间的保安矿柱是关键衔接部分，厚度对安全与经济效益有重要影响。开采顺序自下而上，每个中段分四段进行开采与充填，此方式有效控制围岩变形，但也对边坡矿柱稳定性提出更高要求。

2.2 破坏演化过程描述

边坡境界矿柱的破坏演化主要表现为岩体结构变化和裂缝发展。初始阶段，地下开采扰动小，矿柱内部应力均匀，岩体完整。随着开采深度增加，采空区覆岩应力重分布，导致矿柱边缘应力集中，产生微小裂缝并扩展。开采接近矿柱时，裂缝加快形成贯穿性裂缝，削弱承载能力，扩大塑性区，引发失稳[1]。

2.3 破坏演化影响因素分析

边坡境界矿柱的破坏演化受多种因素影响，地下开采扰动和岩体性质是主要因素。地下开采通过改变应力分布直接影响矿柱，研究表明，地下采区在边坡坡脚时影响最大，易导致边坡滑移区扩大，增加失稳风险。开采顺序亦重要，如自下而上开采会加剧矿柱底部应力集中，加速裂缝扩展。岩体性质方面，矿柱的弹性模量、泊松比和抗压强度等影响其稳定性，研究发现，高弹性模量和泊松比能提高边坡稳定性安全系数，增强承载能力，但围岩蚀变导致力学性质不均匀，加剧破坏演化。外部因素如降雨和地震也有影响，降雨削弱抗剪强度，地震加剧应力集中。因此，开采时需综合考虑多种因素，制定科学方案。

3. 边坡境界矿柱稳定性影响因素分析

3.1 矿柱尺寸对稳定性的影响

矿柱尺寸是边坡境界矿柱稳定性的关键因素，合理设计对矿山开采的安全性与经济性至关重要。采用力学分析与数值模拟方法，可以系统研究不同矿柱尺寸对边坡稳定性的影响。研究表明，合理的矿柱宽度与高度比例能有效分散地下开采引起的应力集中，降低边坡失稳风险。例如，在石宝铁矿案例中，使用无底柱分段崩落法回采深部矿体，通过南帮削坡再造覆盖层，实现边坡减载压脚，为矿柱提供稳定支撑。数值模拟结果显示，矿柱宽度从30m 增至 50m 时，边坡安全系数由 1.42 提升至 1.85，证明了优化矿柱尺寸对边坡稳定性的积极作用。但矿柱高度增加会接近承载极限，过大的高宽比可能导致内部拉应力区，诱发局部破坏。因此，实际工程中应根据地质条件与开采方案综合确定矿柱尺寸，确保边坡境界矿柱的长期稳定性。

3.2 岩体力学参数对稳定性的影响

岩体的弹性模量、泊松比和抗压强度等力学参数是影响边坡境界矿柱稳定性的重要内在因素。这些参数不仅决定岩体的变形特性，还影响边坡在外部荷载下的响应。以舞阳铁矿铁古坑采区为例，研究表明，充填体的弹性模量和泊松比对露天边坡稳定性有显著影响。随着弹性模量提高，边坡安全系数增大；而泊松比从0.25 增至 0.35 时，安全系数也有所提升，但增幅较小。这说明弹性模量的变化对边坡稳定性影响更大。此外，抗压强度的降低会导致岩体在剪切应力下更易塑性变形，加速边坡破坏[2]。

3.3 开采顺序对稳定性的影响

开采顺序对边坡境界矿柱的应力分布和稳定性有重要影响。合理选择开采顺序可有效控制地下开采对边坡的扰动，降低滑坡风险。眼前山铁矿东部边坡的研究表明，不当的开采顺序会引发大规模破坏，包括地表塌陷、裂缝扩展和滑移。当首采区位于坡脚附近时，开挖活动导致应力重分布，滑移面在南帮形成。数值模拟显示，开挖深度达60m 时，北帮边坡安全系数降至0.76，边坡失稳。

4. 提升边坡境界矿柱稳定性措施与建议

4.1 改进开采工艺

在露天转地下开采中，优化开采工艺是提升边坡境界矿柱稳定性的关键。研究表明，地下开采扰动影响显著，不合理的开采顺序和强度可能导致边坡失稳。因此，应优先选择合理开采顺序，减少扰动，如采用分步回采法，避免应力集中。控制开采强度亦重要，限制单次开采规模和时间间隔，可降低累积损伤。数值模拟显示，开采面倾角由30°减至-30°时，边坡剪切应力集中增加，表明倾角调整影响稳定性。建议设计开采方案时，考虑边坡地质与开采参数匹配，以优化工艺。

4.2 加强支护措施

为提升边坡境界矿柱的稳定性，采取合适的支护措施极为关键。锚杆支护和注浆加固是常用的两种方法。锚杆支护通过安装预应力锚杆，增强岩体整体性和抗剪强度，抑制裂缝扩展和滑移面形成。注浆加固则通过注入水泥浆等材料，填充裂隙，提高岩体力学参数。研究表明，注浆后可提高抗压强度 20%～30% ，对增强承载能力意义重大。因此，实际工程中应根据具体地质条件合理选择支护措施，以达到最佳效果[3]。

4.3 监测与预警

建立完善的边坡境界矿柱监测系统对实现早期预警和应对潜在危险至关重要。边坡监测方法包括地表位移监测、深部位移监测和应力应变监测。地表位移监测常用全球导航卫星系统（GNSS）或光学测量技术，实时获取边坡表面变形数据。深部位移监测通过钻孔倾斜仪等设备监测岩体内部位移变化。应力应变监测分析边坡岩体内部应力分布，为稳定性评估提供数据支持。随着信息技术发展，智能化监测系统应用趋势明显，大数据和人工智能算法可自动处理监测数据，提升预警准确性和时效性。综上所述，科学合理的监测与预警体系能及时发现边坡潜在危险，保障矿山安全生产。

5. 结论

本研究通过案例分析、数值模拟和力学分析，深入探讨了露天转地下开采过程中边坡境界矿柱的破坏演化特征及稳定性。结果表明，其破坏主要受地下开采扰动、岩体性质及开采顺序等因素影响。随着地下开采深度增加，矿柱内部应力重分布，导致裂缝发育和岩体结构变化，可能引发失稳。不同矿柱尺寸、岩体力学参数及开采顺序对稳定性影响显著，尺寸过小或顺序不当加剧破坏风险。研究为理解破坏机制提供了理论依据。

参考文献：

[1]罗浪；李小双；王运敏.露天转地下开采不同坡高影响下覆岩采动响应特征研究[J].金属矿山，2020，（8）：32-37.

[2]石志仁；陈世江.石宝铁矿露天转地下开采对边坡稳定性的影响研究[J].现代矿业，2019，35（5）：123-126.

[3]孙世国；张玉娟；苗子臻；王佳；解禹.露天转地下开采对边坡稳定性的影响[J].金属矿山，2016，45（7）：171-174.