某鐵礦采空區(qū)影響下露天邊坡穩(wěn)定性分析

馮志樓，張?jiān)迄i，李巖，楊曦

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210；2.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 063210；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司,河北 唐山063000)

隨著我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，在地下和露天多方式開采過程中產(chǎn)生的地下空區(qū)對露天邊坡穩(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)重威脅到露天采場的生產(chǎn)安全。

為探究影響此類含空區(qū)坡體穩(wěn)定性的有關(guān)因素，許多學(xué)者運(yùn)用不同的方法對其開展了研究。柴紅保等利用強(qiáng)度折減法分析了采空區(qū)在不同高度位置、不同跨度，不同空區(qū)中心距滑動面水平距離等情況對邊坡穩(wěn)定性造成的影響，結(jié)果表明不同位置對邊坡穩(wěn)定性影響不同，其中采空區(qū)在坡腳附近時對其穩(wěn)定性削弱最大；在距坡腳水平距離一定范圍的空區(qū)因頂板松動使坡體下滑力降低，安全系數(shù)增加[1]。楊曉杰等運(yùn)用FLAC3D軟件研究了采空區(qū)和邊坡滑動面的相對位置與露天邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，當(dāng)滑面穿過采空區(qū)坡體內(nèi)部，受力復(fù)雜穩(wěn)定性降低，當(dāng)空區(qū)位于滑面上下部時雖對坡體穩(wěn)定性影響不大但應(yīng)避免[2]。許名標(biāo)等建立了含不同跨度、位置和雙層采空區(qū)邊坡數(shù)值模型，通過有限元軟件分析了安全系數(shù)與三者之間關(guān)系，結(jié)果顯示雙層采空區(qū)比單層采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性更為不利[3]。賴秀英等利用有限元法研究了不同采空區(qū)走向下邊坡的位移場和應(yīng)力場，研究發(fā)現(xiàn)采空區(qū)走向與坡面斜交時頂板拉應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，在外力作用下最易坍塌導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，而采空區(qū)走向與坡面平行或垂直時頂板應(yīng)力集中較小，對邊坡穩(wěn)定性影響不大[4]。李智等利用3DMine與FLAC3D相耦合，分析了采空區(qū)對露天邊坡的影響[5]。張?jiān)迄i等基于有限元法采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對地下采空區(qū)擾動下的露天邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析并提出對策措施[6]。李同鵬等基于強(qiáng)度折減法，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對5種不同跨度區(qū)及4種不同厚度保安礦柱(20種工況)影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[7]。閆長斌等研究了采空區(qū)的穩(wěn)定性[8-13]。

該項(xiàng)目采用不平衡推力法計(jì)算與有限元法數(shù)值模擬相結(jié)合，根據(jù)某鐵礦露天邊坡實(shí)際地質(zhì)情況，選取了一個最可能失穩(wěn)的含空區(qū)邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為該礦露天邊坡穩(wěn)定性評價與治理提供參考。

1 參數(shù)選取

依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范及近北莊礦實(shí)際情況，此次邊坡穩(wěn)定性分析考慮了地震力、采空區(qū)塌陷產(chǎn)生的水平推力及水的影響，安全系數(shù)Fs取1.10?；诂F(xiàn)場調(diào)查和物探,坡體的破壞模式按物探確定的潛在滑面，并結(jié)合工程判斷選取2個最可能滑面進(jìn)行坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

有滑坡危險的邊坡巖層主要由片麻巖、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)邊坡的地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)外物理力學(xué)取樣試驗(yàn)報告，經(jīng)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)研究判斷，地質(zhì)力學(xué)模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，各滑面物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 滑面物理力學(xué)參數(shù)

2 坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.1 影響因素

(1)地下采空區(qū)

該邊坡變形主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)上部巖體塌陷，故邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算需計(jì)算由此形成對坡體前緣水平推力，其力學(xué)計(jì)算模型見圖1[14]。假定：①陷落盆地ABCD為剛性體；②陷落體ABCD勻速下沉，為準(zhǔn)靜力狀態(tài)；③壓力F`沿破裂面BD均勻分布。

根據(jù)垂直方向的受力平衡可得：

(1)

式中：G——重力，9.81 m/s2；

θ——巖層移動角(°)；

f——粘聚力產(chǎn)生的摩阻力(kN)；

β——內(nèi)摩擦角(°)；

F′——陷落體兩側(cè)沿破裂面的壓力，(kN)。

再根據(jù)水平方向受力平衡可得陷落體對兩側(cè)坡體產(chǎn)生水平推力T：

T滑=F′sin(θ-β)-fcosθ=(0.5G-CLBDsinθ)tg(θ-β)-CLBDcosθ

(2)

根據(jù)上述假定③，滑坡體受到水平推力T滑；

(3)

圖1 采空區(qū)上部陷落體力學(xué)驗(yàn)算模型

(2)地震力的考慮

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。地震力的影響按下式考慮。

Qe=αwG

(4)

式中：Qe——滑坡單元單位寬度地震力(kN/m)；

αw——邊坡綜合水平地震系數(shù)，地震烈度7度、地震峰值加速度0.1 g時取0.025；

G——滑坡單元單位寬度重量(kN/m)。

(3)地下水的考慮

雖然坡體中無穩(wěn)定的地下水位，但沿坡面大氣降水大部分滲入坡體中，因而，穩(wěn)定性驗(yàn)算還需考慮水對滑移面抗剪強(qiáng)度的削弱，可在強(qiáng)度參數(shù)選取時適當(dāng)考慮。

2.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算采用表1抗剪強(qiáng)度參數(shù)。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和物探報告確定滑面幾何特征，穩(wěn)定性驗(yàn)算選用折線型滑動法，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3 各剖面的驗(yàn)算結(jié)果

由表3中的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果可知，各剖面在考慮采空下陷作用時安全系數(shù)均降低了0.02～0.04，說明采空下陷對坡體的穩(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，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，考慮采空區(qū)上部下陷后，剖面的安全系數(shù)均小于1.07，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)?？紤]到外界環(huán)境變化及不可預(yù)見因素對坡體穩(wěn)定性的影響，則需依上述安全系數(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

采用巖土工程數(shù)值計(jì)算分析系統(tǒng)Midas/GTS，通過對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)力及位移場進(jìn)行分析，分析地下采空塌陷對坡體變形的作用機(jī)理及影響。

根據(jù)既有資料及現(xiàn)場調(diào)查資料的綜合分析，建立A-A’剖面的地質(zhì)模型(見圖2)，A-A’剖面模型范圍217 m×306 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。A-A’剖面采空區(qū)范圍5 m×10 m，埋深約120 m。該數(shù)值模型邊界條件為固定水平X向及垂直Y向位移，對巖體的強(qiáng)度采用折減法來考慮結(jié)構(gòu)面的巖體結(jié)構(gòu)及地下水對巖體強(qiáng)度的弱化，各巖體選取摩爾-庫倫模型。

圖2 A-A’剖面模型圖

3.2 A-A’剖面有限元數(shù)值模擬

(1)坡體應(yīng)力場及變形場數(shù)值模擬計(jì)算圖3、圖4分別為A-A’剖面邊坡受地下采空影響X、Y方向的應(yīng)力云圖，從圖3、圖4可以看出，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)狀對采空后應(yīng)力重分布有著一定影響。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)對其前緣圍巖所受水平應(yīng)力影響較明顯；同時在采空區(qū)周圍還產(chǎn)生Y方向應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值約為4.6 MPa，而采空區(qū)頂板所受壓應(yīng)力值約為1.4 MPa，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，而此區(qū)域內(nèi)的片麻巖產(chǎn)狀對這種應(yīng)力的變化是不利的，對坡體穩(wěn)定有不容忽視的影響。

圖3 A-A’剖面邊坡受地下采空區(qū)影響X方向應(yīng)力云 圖4 A-A’剖面邊坡受地下采空區(qū)影響Y方向應(yīng)力云

圖5、圖6分別為A-A’剖面邊坡受地下采空影響X、Y方向的位移云圖，由圖可知，采空區(qū)上方巖體沉降且地表已形成塌陷坑，沉降區(qū)傾角近坡面約為60°，近空面約為75°，這與實(shí)地勘查的沉降帶分布幾乎一致，依據(jù)上述坡體位移云圖，此坡體變形有如下特點(diǎn)：(1)沉降區(qū)內(nèi)部，坡體向近空側(cè)水平方向位移小于其沉降位移；(2)沉降區(qū)與其前部坡體間發(fā)生水平方向位移突變，而沉降區(qū)向近空側(cè)水平方向位移小于其前部坡體向近空側(cè)水平方向位移；(3)其1100、1080平臺出現(xiàn)向臨空側(cè)水平方向位移集中。

圖5 A-A’剖面邊坡受地下采空區(qū)影響X方向位移云 圖6 A-A’剖面邊坡受地下采空區(qū)影響Y方向位移云

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，在其自身下沉同時擠壓沉降帶前部坡體使其向臨空側(cè)水平位移，造成沉降區(qū)與其前部坡體向臨空側(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1100及1080平臺周邊。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)坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算模擬

由圖7可知，潛在滑坡體后緣位于采空區(qū)正上方，剪出口在1080至1100平臺處，坡體總體安全系數(shù)為0.94，處于失穩(wěn)狀態(tài)，這與現(xiàn)場勘查情況也一致。

圖7 A-A’剖面邊坡穩(wěn)定性模擬總位移云圖

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)場調(diào)查時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)場調(diào)查情況基本吻合。

(3)A-A’剖面安全系數(shù)約為0.937 5，說明A-A’剖面區(qū)域坡體處于失穩(wěn)狀態(tài)，現(xiàn)場調(diào)查期間坡體的滑塌已經(jīng)證明此點(diǎn)，此區(qū)域坡體治理已經(jīng)刻不容緩。

(4)基于以上分析，坡體的失穩(wěn)、地表沉降帶的形成主要是由地下采空塌陷變形引起的，故對坡體穩(wěn)定性評價與治理時，需考慮采空塌陷的影響。