眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡破壞過程及 破壞機理研究

李云濤，付煜，任海龍，張洪昌，胡穎鵬

(1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司 眼前山分公司， 遼寧 鞍山市 114000； 2.遼寧石油化工大學 土木工程學院， 遼寧 撫順市 113000； 3.東北大學 土木工程學院， 遼寧 沈陽 110004)

0 引言

為實現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下的平穩(wěn)過渡，許多礦山在過渡期開采掛幫礦以滿足產(chǎn)能需求[1-3]。在開采掛幫礦的過程中，邊坡穩(wěn)定性一直是礦山開采過程中面臨的難題之一，開采引起的邊坡巖體移動或破壞將會對礦山的安全生產(chǎn)造成一定影響[4-6]。一直以來，國內(nèi)外許多學者對該問題進行了大量而深入的研究。煤礦開采的地表沉降研究已近兩個世紀，取得了眾多的理論成果[7-11]。與煤礦相比，金屬礦開采深度一般較淺，地表沉降問題研究起步較晚，近年來，隨著監(jiān)測手段的不斷更新與進步，許多先進技術(shù)已成功應用于礦山地表巖移監(jiān)測中[12-15]。其中，LIDAR激光掃描技術(shù)在國外邊坡監(jiān)測中已被使用，在我國已在建筑物探測[16]及地質(zhì)填圖[17]工作中使用。而DInSAR監(jiān)測技術(shù)近十幾年來在我國的滑坡監(jiān)測[18]和礦山開采地表沉降觀測[19-23]等方面應用廣泛。

相比LIDAR激光掃描和DInSAR監(jiān)測技術(shù)的高昂成本，本文采用的Google Earth立體高分辨率圖像監(jiān)測技術(shù)成本低，能清晰地觀測到地表巖移 的變化。同時收集了眼前山鐵礦東邊坡4 a時間的Google衛(wèi)星照片，對比不同時期的地表變化，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，研究了東側(cè)掛幫礦開采期邊坡破壞的全過程及破壞機理，為礦山露天轉(zhuǎn)地下過渡期安全生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。

1 礦山概況

眼前山鐵礦于2012年9月露天開采結(jié)束，經(jīng)過50多年的開采形成一個東西方向長1410 m，南北方向?qū)?70至710 m的露天坑，封閉圈高度約為93 m，坑底標高-177 m。其中，東西南北的幫坡角分別為43°、30°、35°～38°和32°～35°，其中東側(cè)邊坡為本文研究的區(qū)域。

東區(qū)掛幫礦呈東西走向，東北傾斜70°～88°，寬度為60～200 m。礦體北側(cè)出露碳質(zhì)千枚巖，巖體中含有破碎帶和風化帶，與主礦體走向平行的壁狀分枝礦體插入其中。千枚巖的西北側(cè)為閃長巖，與碳質(zhì)千枚巖斷層接觸。礦體南側(cè)主要為花崗巖和混合巖。現(xiàn)場調(diào)查得出，控制各類巖體穩(wěn)定性的主要節(jié)理有三組，分別為40°∠75°、220°∠20°和300°∠80°。露天開采結(jié)束后，東坡下的掛幫礦采用無底柱分段崩落法劃分為5個分段進行開采，分段高度為18 m。首次開采分段布置在-69 m，向下依次布置-87 m，-105 m，-123 m和-141 m分段。開采范圍內(nèi)的礦體長度100～220 m，寬度110～130 m， 開采方向自東向西。掛幫礦開采于2013年開始，到2017年12月，已經(jīng)開采至-141 m分段。

無底柱分段崩落法連續(xù)開采將導致空區(qū)逐漸變大，地表發(fā)生沉降，邊幫最終可能出現(xiàn)大規(guī)模的滑坡。為此，在開采過程中對邊坡的地貌變化進行了長時間的監(jiān)測。

2 東邊坡地貌變化的調(diào)查與分析

采用現(xiàn)場調(diào)查和衛(wèi)星圖片解譯相結(jié)合的方法，根據(jù)典型現(xiàn)場地貌破壞特征，跟蹤記錄了2013—2017年4 a內(nèi)東邊坡的地貌變化情況，共進行了5次調(diào)查，調(diào)查分析的步驟如下：

（1）通過對比地表變形前后的照片，在衛(wèi)星照片上確認地表變形跡線并進行繪制；

（2）基于地表現(xiàn)場調(diào)查，在三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助下，將照片上標識的地表變形跡線進行復核和分類（陡坡，反傾陡坡和張拉裂縫）；

（3）根據(jù)該時期地表變形和地下開采的情況，繪制工程地貌圖，在平面圖上繪制地表破壞跡線和破壞種類，以及同時期的地下開采范圍。

2.1 2013年11月調(diào)查結(jié)果分析

2013年11月初，東邊坡下-69 m水平已經(jīng)開 采完畢。地下開采形成了一個東西長136 m，南北長115 m，高度18 m的采空區(qū)，圖1（c）展示了與衛(wèi)星照片相同視角下的開采區(qū)域位置和尺寸。

可以看出，東端幫地表未見塌陷，僅出現(xiàn)一條近南北走向約50 m長的裂縫（圖1（b）中標注的黃色線），與采空區(qū)水平投影的西邊界重合，且邊坡有零散滾石。

圖1 2013年11月東邊坡地貌現(xiàn)狀

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查情況，繪制出2013年11月8日的東邊坡地貌圖，如圖2所示。

圖2 2013年11月8日邊坡地貌

2.2 2014年3月12日調(diào)查結(jié)果分析

到2014年2月底，-69 m分段已開采完畢，-87 m分段正在開采。形成的空區(qū)東西長145 m，南北長120 m（圖3（b））。

2014年2月26日東部邊坡首次出現(xiàn)崩塌破壞（見圖3（d）），巖體突然向下陷落形成一個塌陷坑，破壞位置在+16 m的運輸公路上。圖3（a）清晰地展現(xiàn)了東邊坡首次地表塌陷后的地貌形態(tài)。塌陷坑上方巖體向坑內(nèi)滑移引發(fā)了小型的滑坡，一系列拉伸裂縫出現(xiàn)在塌陷坑上方（見圖3（c）），其它裂隙沿優(yōu)勢節(jié)理組方位呈東西方向平行發(fā)展，裂紋將原巖逐步分裂，分裂的巖石主要向塌陷坑滑落。

圖3 2014年3月東邊坡地貌現(xiàn)狀

綜合上述監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查，繪制出2013年3月12日的地貌圖，如圖4所示。

圖5 2015年10月東邊坡地貌現(xiàn)狀

圖4 2014年3月12日邊坡地貌

2.3 2015年10月12日調(diào)查結(jié)果分析

至2015年10月初，-87 m分段已開采完畢，正在進行-105 m分段開采。開采區(qū)域的東西水平投影180 m，南北130 m，空區(qū)高度54 m（見圖5（b））。

從衛(wèi)星照片和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可以看出，對比2014年3月，塌陷范圍不斷擴大，邊坡滑坡范圍明顯增大。小滑坡區(qū)域上部向東發(fā)展至+74 m，寬度約56 m，滑坡上方巖體出現(xiàn)環(huán)繞的張拉破壞。

小滑坡區(qū)域的北邊界為分支礦脈地表出露形成的陡坡，該陡坡東西走向，存在一些拉伸裂縫，長度為9～20 m，較均勻地分布在后方千枚巖邊坡上，裂縫的產(chǎn)狀和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀十分接近。由此判 定，裂縫的形成是由于采礦擾動結(jié)構(gòu)面發(fā)展而成的。相比北側(cè)的千枚巖，滑坡南側(cè)巖體為混合巖，巖性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性較好，僅在+36 m平臺處發(fā)現(xiàn)一條長度約18 m的拉伸裂縫。

綜合上述監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查，繪制了2015年10 月12日的地貌圖，如圖6所示。

圖6 2015年10月12日邊坡地貌

2.4 2016年10月17日調(diào)查結(jié)果分析

到2016年10月17日，-105 m和-123 m兩個分段處于開采狀態(tài)，從衛(wèi)星圖片可以看出，開采區(qū)域正上方的滑坡范圍相比上一時期擴大較小，但東 幫邊坡地貌形態(tài)卻發(fā)生了很大的變化（見圖7（a））。經(jīng)過1 a的開采，滑坡上部的裂縫持續(xù)發(fā)育，原有的裂縫逐步貫通，新的裂縫不斷產(chǎn)生。被切割分離的巖體滾入塌陷坑，滑坡上部裂隙延伸至+120 m水平，長度達到約90 m左右。小滑坡區(qū)域北側(cè)陡坡下方的千枚巖被裂隙切割后向塌陷坑方向傾倒，原有的小裂隙擴展錯動，地表出現(xiàn)陡坡（見圖7（c））。同時，北側(cè)更遠的原生千枚巖中產(chǎn)生新的張拉裂隙。此外，千枚巖蠕變較為明顯，相比一年前，東北側(cè)邊坡發(fā)生了新的大規(guī)?；缕茐模芍暗拈_裂和滑移破壞發(fā)展成弧形陡坡（見圖7（d））。

圖7 2016年10月東邊坡地貌現(xiàn)狀

新滑坡的西部邊界長度為170 m左右，東北-西南走向，與之前調(diào)查的北側(cè)千枚巖和閃長巖之間的斷層位置基本重合，因此，判斷為地下開采引起 的斷層錯動形成的滑坡?；聳|側(cè)邊界存在一些未貫通的裂隙（見圖7（e）、圖7（f）），長度在8～20 m，向南與小滑坡上部相連，走向與千枚巖優(yōu)勢節(jié)理組產(chǎn)狀相似（150°∠87°），因此，判斷這些裂隙是由千枚巖節(jié)理擴張產(chǎn)生的。

綜合上述監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查，繪制了2016年10月17日的地貌圖（見圖8）。

圖8 2016年10月17日邊坡地貌

2.5 2017年12月27日調(diào)查結(jié)果分析

至2017年12月27日，-123 m分段已開采完畢，正在進行-141 m分段開采，開采區(qū)域的水平投影南北長132 m，東西長220 m（見圖9（b））。

從圖9（a）可以看出，露天坑東北側(cè)的新滑坡范圍變大。大滑坡上部仍在露天坑東北角+150 m處。相比上次監(jiān)測，大滑坡東部邊界的不連續(xù)裂縫已發(fā)育貫通（見圖9（e）），與小滑坡的南部相貫通。大滑坡上部出現(xiàn)開裂（見圖9（d））和滑移，西側(cè)和東側(cè)出現(xiàn)明顯的剪切滑移破壞（見圖9（e））。這些特征表明北側(cè)千枚巖體中存在一組控制巖體移動的節(jié)理。大滑坡的滑移體開始向西南方向下滑，未進入塌陷坑時，在滑坡之間巖體的擠壓作用下，小滑坡北側(cè)的千枚巖傾倒破壞加劇，大量裂縫形成反傾斜坡（見圖9（f））。

圖9 2017年12月東邊坡地貌現(xiàn)狀

綜合上述監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查，繪制了2017年12月27日的地貌圖（見圖10）。

圖10 2017年12月27日邊坡地貌

3 邊坡破壞機理研究

為研究眼前山鐵礦東邊坡的破壞機理，依據(jù)地貌破壞調(diào)查結(jié)果，將東邊坡的破壞情況分為4個區(qū) 域：塌陷區(qū)、開裂區(qū)、傾倒區(qū)和滑移區(qū)。

（1）塌陷區(qū)。采空區(qū)上方頂板圍巖失去支撐，在垂直和水平方向應力的共同作用下而垮落，最終冒落至地表，形成塌陷坑，兩側(cè)坑壁為塌陷坑邊界。

（2）開裂區(qū)。在塌陷區(qū)外圍一定的范圍內(nèi)，地表出現(xiàn)拉伸破壞，形成一條條裂縫，該區(qū)域為開裂區(qū)。裂縫一般沿優(yōu)勢節(jié)理發(fā)展，開裂區(qū)的裂縫受拉張開，但未出現(xiàn)較為明顯的垂直錯動。

（3）傾倒區(qū)。在開裂區(qū)域外指向地表方向的一定范圍內(nèi)為傾倒區(qū)。該區(qū)域中分布著許多拉伸裂縫，并發(fā)育形成反傾斜裂紋，隨著掛幫礦開采的進行，開裂區(qū)中的拉伸裂縫逐漸加寬，沿優(yōu)勢節(jié)理面持續(xù)發(fā)展后相互貫通，將巖體切割成離散層理狀，向塌陷區(qū)彎曲傾倒。傾倒區(qū)的裂縫相比于之前開裂區(qū)的裂縫，不僅開裂寬度增大，而且垂直方向出現(xiàn)錯動，演變成反傾斜裂縫。

（4）滑移區(qū)。區(qū)域內(nèi)部地表無明顯的開裂、陡坡、反傾等現(xiàn)象。在區(qū)域邊緣有明顯的開裂，形成陡坡，隨著礦體開采的進行，空區(qū)面積不斷擴大，最后出現(xiàn)大規(guī)模的巖體滑移。

根據(jù)上述不同時期的地貌圖，繪制了眼前山鐵礦東坡地表破壞范圍及破壞區(qū)域（見圖11）。圖中紅色實線為塌陷區(qū)，黃色實線為開裂區(qū)，粉色為傾倒區(qū)，青色的為滑移區(qū)，黑色虛線為-69 m水平， 紫色虛線為-87 m水平，粉紅色虛線為-105 m水平，綠色虛線為-123 m水平，藍色虛線為-141 m水平。

圖11 東邊坡破壞區(qū)域演變過程

地下開采初期，開采區(qū)域周圍的巖體破壞均勻分布。2015年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，東邊坡北側(cè)千枚巖的破壞范圍開始大于南側(cè)混合巖。2017年底最后一次的監(jiān)測結(jié)果表明，東邊坡北側(cè)千枚巖地表破壞的邊界距離采空區(qū)東西軸線的最遠距離為320 m，南側(cè)混合巖破壞邊界距離采空區(qū)東西軸線的最遠距離為90 m，北側(cè)千枚巖的破壞范圍遠遠大于南側(cè)的混合巖。此外，東邊坡北側(cè)千枚巖的破壞形式也比南側(cè)更為復雜多樣。按照圖11中的Ⅰ和II兩個剖面，統(tǒng)計了5個時期的邊坡塌陷角和錯動角的變化，分別見圖12和圖13。

圖12 不同時期塌陷角的變化過程

圖13 不同時期錯動角的變化過程

從圖12和圖13可以看出，東邊坡南側(cè)和東側(cè)的混合花崗巖破壞特征近似傳統(tǒng)的地表塌陷破壞形式，塌陷坑形成后，塌陷邊緣逐漸出現(xiàn)拉伸破壞，形成裂縫，之后隨著開采范圍的擴大和延深，陷落范圍和錯動范圍也逐漸增大，塌陷角和錯動角不斷增大。與混合花崗巖的變化規(guī)律不同，北側(cè)千枚巖邊坡塌陷角由100°（2014年3月）變化至73°（2016年2月）后不再變化，到2107年底仍穩(wěn)定在73°，與此同時相應的錯動角卻不斷減小。

根據(jù)4 a的監(jiān)測調(diào)查結(jié)果以及東邊坡的破壞范圍和形式的變化，分析得出東邊坡的破壞演變分為如下幾個過程。

（1）地下開采引起采空區(qū)頂板坍塌，繼而地表塌陷形成塌陷坑。

（2）塌陷坑外逐漸出現(xiàn)裂縫，巖體被裂縫切割后滑向塌陷坑，出現(xiàn)小規(guī)?；隆?/p>

（3）千枚巖（軟巖）中夾雜著其它硬巖，阻礙了塌陷范圍向北的擴展。但持續(xù)大規(guī)模開采導致應力重新分布，坡腳處應力集中，巖體中主要節(jié)理開始發(fā)育形成拉伸裂縫。隨著地下開采范圍的不斷擴大，拉伸裂縫尺寸逐漸增大，被裂縫切割的千枚巖逐漸向塌陷坑方向傾倒，并且隨著開采的進行傾倒范圍不斷擴大。同時，節(jié)理不斷發(fā)育，形成新的裂縫，逐漸向東北方向蔓延，最終在距塌陷坑較遠的地表處出現(xiàn)剪切滑移。

（4）持續(xù)的地下大規(guī)模開采，空區(qū)的范圍不斷擴大，為節(jié)理裂隙的發(fā)育提供了足夠的空間，在原巖應力的作用下，之前距離塌陷坑較遠的小規(guī)模剪切滑移發(fā)展成整體的大規(guī)?；疲纬啥?滑坡。

4 結(jié)論

（1）監(jiān)測結(jié)果表明，眼前山鐵礦東邊坡北側(cè)的千枚巖破壞范圍遠大于南側(cè)的混合巖。破壞形式主要有開裂破壞、陡坡破壞和反傾陡坡破壞。開裂破壞主要出現(xiàn)在邊坡北側(cè)的千枚巖中，是拉張作用下節(jié)理發(fā)育形成的；陡坡破壞是由于地表塌陷引起的；反傾陡坡主要出現(xiàn)在北側(cè)千枚巖中，節(jié)理的擴展將巖體分割為離散的層狀巖體，巖體反向彎曲傾倒，形成反傾陡坡。

（2）眼前山鐵礦東邊坡破壞分為3個階段：采空區(qū)頂板失穩(wěn)地表塌陷破壞；塌陷坑周圍的小規(guī)?；缕茐?；北側(cè)千枚巖大規(guī)?；缕茐?。

（3）根據(jù)邊坡的破壞形式，將邊坡破壞范圍分為4個區(qū)域：塌陷區(qū)、開裂區(qū)、傾倒區(qū)和滑移區(qū)。統(tǒng)計塌陷角和錯動角得出，小規(guī)?；孪虼笠?guī)?；掳l(fā)展的過程中，初期北側(cè)千枚巖中的分支礦脈起到阻擋作用，塌陷坑形成后，盡管分支礦脈阻礙了北側(cè)千枚巖向南側(cè)的大規(guī)?；?，但隨著地下開采的持續(xù)進行，地表千枚巖體呈現(xiàn)出的破壞形式為：裂縫-反傾陡坡-新裂縫。

（4）根據(jù)邊坡破壞過程監(jiān)測分析得出，前期出現(xiàn)的小滑坡主要是地表塌陷引起的，后期的大滑坡是地下開采引起應力變化，導致巖體中的節(jié)理不斷擴展，裂縫變大，而采礦形成的空區(qū)為巖體的移動提供了足夠的空間，最終發(fā)生大規(guī)?；?。