近北莊鐵礦采空區(qū)影響下露天邊坡穩(wěn)定性分析

馮志樓，李 巖，楊 曦

近北莊鐵礦采空區(qū)影響下露天邊坡穩(wěn)定性分析

馮志樓1，李 巖2，楊 曦1

(1.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山市 063210；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山市 063000)

針對(duì)近北莊鐵礦露天采場(chǎng)邊坡不同程度的變形開裂破壞、地表沉降等失穩(wěn)現(xiàn)象，在實(shí)地勘察基礎(chǔ)上，考慮到地下采空區(qū)等相關(guān)因素影響，應(yīng)用不平衡推力法計(jì)算及有限元法對(duì)露天邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)的分布對(duì)邊坡變形特征展開研究，結(jié)果顯示，主要由地下采空區(qū)頂板塌陷變形導(dǎo)致坡體不斷沉降、滑塌，引發(fā)坡體整體失穩(wěn)。坡體安全系數(shù)低于其安全儲(chǔ)備系數(shù)1.10，有滑坡可能性。

采空區(qū);不平衡推力法;有限元法;邊坡穩(wěn)定性

隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，在地下開采過程中產(chǎn)生的地下空區(qū)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。由地下采空區(qū)引發(fā)的邊坡變形塌陷、失穩(wěn)已經(jīng)嚴(yán)重影響到露天采場(chǎng)的生產(chǎn)安全。為探究影響含空區(qū)坡體穩(wěn)定性的有關(guān)因素，已有許多學(xué)者運(yùn)用不同的方法對(duì)其開展了研究[1-7]。

本文采用不平衡推力法計(jì)算與有限元法數(shù)值模擬，結(jié)合近北莊鐵礦露天邊坡的實(shí)際地質(zhì)情況，選取了一個(gè)最可能失穩(wěn)的典型含空區(qū)邊坡剖面A-A'進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為該礦的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理提供參考。

1 參數(shù)選取

依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范及近北莊礦實(shí)際情況，此次邊坡穩(wěn)定性分析考慮了采空區(qū)塌陷產(chǎn)生的水平推力的影響，安全系數(shù)s取1.10?；诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和物探，確定對(duì)潛在最可能滑面A?A′進(jìn)行坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

有滑坡危險(xiǎn)的邊坡的巖層主要由片麻巖、角閃巖與磁鐵礦構(gòu)成，在坡頂有一定厚度的第四系表土。根據(jù)對(duì)邊坡的地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)外物理力學(xué)取樣試驗(yàn)，經(jīng)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)研究判斷，取滑面物理力學(xué)參數(shù)見表1，地質(zhì)力學(xué)模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算采用表2抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和物探報(bào)告確定滑面的幾何特征，穩(wěn)定性驗(yàn)算選用折線型滑動(dòng)法，驗(yàn)算方法選用不平衡推力法。最終各剖面的驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表1 滑面物理力學(xué)參數(shù)

表2 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

表3 剖面的驗(yàn)算結(jié)果

由表3可知，穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表明：A?A′剖面在考慮采空下陷作用時(shí)安全系數(shù)均降低了0.03～0.04，說明采空下陷對(duì)坡體的穩(wěn)定影響是顯著的；從各剖面的安全系數(shù)看，在采空區(qū)未塌陷時(shí)，A?A′剖面處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，而隨著采空區(qū)的塌陷，逐步進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，在考慮采空區(qū)上部下陷作用后，A?A′剖面的滑面2為1.11，高于滑面1的1.00，處于臨界狀態(tài)?？紤]到外界環(huán)境變化及不可預(yù)見因素對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，需依上述安全系數(shù)的限定值1.10進(jìn)行治理設(shè)計(jì)。

3 采空區(qū)影響下邊坡數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

本次有限元法數(shù)值分析采用巖土工程數(shù)值計(jì)算分析系統(tǒng)Midas/GTS，通過對(duì)A?A′剖面在地下采空作用下，覆巖變形過程中誘發(fā)的邊坡體內(nèi)的應(yīng)力及位移場(chǎng)的分析，分析地下采空區(qū)塌陷對(duì)坡體變形的作用機(jī)理及影響。

綜合分析，建立A?A′剖面的地質(zhì)模型（見圖1），A?A′剖面模型范圍212 m×283 m，剖面巖質(zhì)邊坡由第四系表土、片麻巖、角閃巖和近坡腳處的磁鐵礦帶構(gòu)成。剖面采空區(qū)范圍為5 m×10 m，埋深約40 m。該數(shù)值模型邊界固定水平向及垂直向位移，對(duì)巖體的強(qiáng)度采用折減法來考慮結(jié)構(gòu)面的巖體結(jié)構(gòu)及地下水對(duì)巖體強(qiáng)度的弱化，各巖體選取摩爾-庫倫模型。

圖1 A?A′剖面模型

3.2 A?A′剖面有限元數(shù)值模擬

（1）坡體應(yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，得到如下結(jié)果，見圖2～圖5。

圖2 A?A′剖面邊坡受地下采空影響X方向應(yīng)力云圖

圖2、圖3分別為A?A′剖面邊坡受地下采空區(qū)影響X、Y方向的應(yīng)力云圖。在片麻巖與角閃巖之間，X、Y方向的應(yīng)力均有不同程度的彎曲，說明片麻巖產(chǎn)狀對(duì)采空后應(yīng)力重分布有著一定影響，且此區(qū)域空區(qū)埋深較淺，對(duì)坡體穩(wěn)定性影響也更加明顯。采空區(qū)頂板及其上方一定區(qū)域內(nèi)，X方向應(yīng)力等值線向左上呈上凸?fàn)睿溆覀?cè)及下方一定區(qū)域內(nèi)X方向應(yīng)力等值線向右下呈下凹狀。這是由于：采空后覆巖下沉楔形體由于臨空所受壓力向采空區(qū)兩側(cè)支撐體轉(zhuǎn)移，頂板部位水平壓應(yīng)力大幅減小，受片麻巖產(chǎn)狀影響，產(chǎn)生的應(yīng)力松弛效應(yīng)對(duì)其前緣圍巖所受水平應(yīng)力影響較明顯；同時(shí)在采空區(qū)周圍還產(chǎn)生Y方向應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力值大于采空區(qū)頂板所受壓應(yīng)力值。說明采空區(qū)形成后，由于應(yīng)力調(diào)整，其應(yīng)力重分布效應(yīng)使采區(qū)頂板所受壓應(yīng)力減小，而兩側(cè)支撐處所受壓力增加，且此區(qū)域內(nèi)的片麻巖產(chǎn)狀對(duì)這種應(yīng)力的變化是不利的，對(duì)坡體穩(wěn)定有不容忽視的影響。

圖3 A?A′剖面邊坡受地下采空影響Y方向應(yīng)力云圖

圖4 A?A′剖面邊坡受地下采空影響X方向位移云圖

圖5 A?A′剖面邊坡受地下采空影響Y方向位移云圖

圖4、圖5分別為A?A′剖面邊坡受地下采空影響X、Y方向位移云圖。由圖4、圖5可知，采空區(qū)上方巖體沉降且地表已形成沉降坑，沉降帶傾角臨坡面約為62°，臨空面約為80°，這與實(shí)地勘查的沉降帶分布基本一致。依據(jù)上述坡體位移云圖，此坡體變形有如下特征：一是沉降帶內(nèi)部，坡體向臨空側(cè)水平方向位移小于其沉降位移；二是沉降帶與其前部坡體間發(fā)生水平方向位移突變，而沉降帶向臨空側(cè)水平方向位移小于其前部坡體向臨空側(cè)水平方向位移；三是其1107平臺(tái)出現(xiàn)向臨空側(cè)水平方向位移集中。

綜合分析上述坡體變形特征可知：該坡體的變形由采空區(qū)塌陷引起，這主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)上部塌陷形成楔形沉降體，在其自身下沉同時(shí)擠壓沉降帶前部坡體使其向臨空側(cè)水平位移，造成沉降帶與之前部坡體向臨空側(cè)水平方向位移發(fā)生顯著突變。后者大于前者，前者以沉降為主，后者以向臨空側(cè)水平向位移為主；該坡體產(chǎn)生形變的邊界較為明確，變形后部邊界以沉降帶后側(cè)為限，剪切破壞大概出現(xiàn)在1107平臺(tái)周邊。上述結(jié)論與前述坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算完全吻合，相互驗(yàn)證。

（2）經(jīng)過對(duì)前述結(jié)果分析，并對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。

由圖6可知，其滑體剪出口約在1107平臺(tái)處。由于此處地下采空區(qū)埋深較淺，下沉楔形體體積較小，由此產(chǎn)生的對(duì)坡體的推力也相對(duì)較小，故其剪出口在邊坡偏上部，滑體體積也相對(duì)較小。經(jīng)過模擬計(jì)算，此區(qū)域安全系數(shù)約為1.0125，處于臨界狀態(tài)，這與現(xiàn)場(chǎng)勘查情況也一致。

圖6 A?A′剖面邊坡穩(wěn)定性模擬總位移云圖

4 結(jié) 論

（1）地下采空區(qū)的存在導(dǎo)致邊坡上部覆巖應(yīng)力發(fā)生重分布，受區(qū)域內(nèi)片麻理不利節(jié)理的影響，采空區(qū)頂板Y方向壓應(yīng)力極小，且采空區(qū)周邊出現(xiàn)Y方向壓應(yīng)力集中，證明采空區(qū)頂板已經(jīng)塌陷，塌陷區(qū)已經(jīng)影響到地表，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)坡體的不斷滑塌即為此種效應(yīng)產(chǎn)生的直接結(jié)果。

（2）坡體變形主要誘因是采空區(qū)塌陷，其形成沉降楔形體在下沉過程中，對(duì)其前部坡體推擠，使得前部片麻巖發(fā)生傾倒、潰屈破壞，繼而引發(fā)坡體發(fā)生整體失穩(wěn)，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況基本吻合。

（3）A?A′剖面安全系數(shù)約為1.0125，剖面區(qū)域坡體處于臨界狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)該坡體后緣已形成沉降帶及出現(xiàn)眾多地表裂縫，此區(qū)域坡體治理已經(jīng)刻不容緩。

（4）基于以上分析，地表沉降帶的形成主要是由地下采空區(qū)塌陷變形引起的，故對(duì)坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理時(shí)，需考慮采空區(qū)塌陷的影響。

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(2019-08-14)

馮志樓(1992—) ，男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事采礦工藝?yán)碚撆c技術(shù)研究。