貴州開陽磷礦山體崩塌形成機理與數(shù)值模擬

黃 剛，鄭 達

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

0 引言

開陽地處黔中腹地，素有“中國磷都”之稱，境內(nèi)的開陽磷礦更是聞名全國［1］。20世紀(jì)80年代以前，開陽礦區(qū)曾享有“花園式礦山”的美譽，但是隨著80年代后期“全民采礦”的興起，大批缺乏先進開采技術(shù)和支護措施的小磷礦進入開采，礦區(qū)礦業(yè)秩序極度混亂，亂采亂挖如火如荼，更有甚者盜采保留的安全礦柱，使得礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，整個礦區(qū)遍布各類地質(zhì)災(zāi)害，其中以山體崩塌最為常見，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全及礦區(qū)的正常生產(chǎn)作業(yè)［2-3］。

有關(guān)資料顯示，我國每年因地下采礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百億元，這些災(zāi)害輕者破壞礦井，導(dǎo)致礦區(qū)無法正常生產(chǎn);重者誘發(fā)山體崩滑，直接摧毀礦區(qū)，造成重大的人員傷亡事故，諸如湖北宜昌的鹽池河磷礦崩塌、重慶武隆的雞尾山滑坡等［4-5］。對于地下采礦引發(fā)的一系列地質(zhì)災(zāi)害問題，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬等研究手段在災(zāi)害的形成機理，地表沉陷的分布規(guī)律以及相應(yīng)的防治措施等方面取得了大量的研究成果［4-9］。但是其中數(shù)值模擬多采用的二維模型，研究地表沉陷問題時基本都是在水平地表的前提下進行的，對于地下采礦引起斜坡變形的三維有限元研究卻相對較少。因此，本文在開陽礦區(qū)內(nèi)選取某代表性崩塌作為研究對象，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維模型模擬磷礦層的開采，研究地下采礦與上覆斜坡體變形之間的作用關(guān)系，并結(jié)合相應(yīng)結(jié)果對崩塌的形成機理進行了分析。

1 工程地質(zhì)條件

崩塌所在坡體地形上具有上部陡坡，下部緩坡平臺的陡緩折線狀特征，其中陡坡段坡度達到65°，高程1080～1190m。巖層產(chǎn)狀為N13°E/SE∠30°，坡體的坡面走向與巖層走向基本一致，屬于中傾反向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)斜坡。

坡體地層自上而下分別為:震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbdn)淺灰色厚層白云巖、震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Zbd)磷礦巖和薄層石英砂巖、震旦系上統(tǒng)南沱組(Zant)紫紅色頁巖，其工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，巖體除巖層層面以外還發(fā)育三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，分別為:陡傾坡外的結(jié)構(gòu)面J1:N5°E/NW∠75°，構(gòu)成崩塌的后緣邊界;中傾坡外的結(jié)構(gòu)面J2:N15°E/NW∠47°，構(gòu)成崩塌的底滑面;陡傾洋水河下游的結(jié)構(gòu)面J3:N85°E/NW∠75°，構(gòu)成崩塌的側(cè)向切割面。

2 地下采礦數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

現(xiàn)場利用三維激光掃描儀獲得當(dāng)前的崩塌地形圖，并在此基礎(chǔ)上對地形進行了適當(dāng)?shù)幕謴?fù)，建立的崩塌三維計算模型如圖2。模型地層自上而下分別為:白云巖、磷礦、砂巖和頁巖。其中，根據(jù)開采需要將磷礦層劃分為斜井、開采區(qū)和礦柱區(qū)等區(qū)域(圖3)。

圖1 坡體工程地質(zhì)縱剖面圖Fig.1 Engineering geological cross-section of slope1—震旦系下統(tǒng)南陀組;2—震旦系下統(tǒng)陡山沱組;3—震旦系下統(tǒng)燈影組;4—剖面方向;5—白云巖;6—磷礦;7—砂巖;8—頁巖

圖2 三維計算模型Fig.2 Three-dimensional calculation model

模型計算尺寸為:270m(X向)×300m(Y向)×340m(Z向)。其中X向平行于巖層走向方向，Y向平行于巖層傾向方向，Z向為豎直方向，底邊界高程為880m，上邊界最大高程為1220m。

2.2 邊界條件及參數(shù)的選取

圖3 磷礦層分區(qū)圖Fig.3 Phosphate layer zoning map

模型采用位移約束的邊界條件，根據(jù)坡體的實際情況，將模型的四周和底邊界固定。計算中僅考慮自重應(yīng)力場，模型全部采用實體單元模擬，假定巖土體按照均質(zhì)彈塑性材料考慮，材料的破壞符合Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則。

計算采用的各類巖體物理力學(xué)參數(shù)是在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同地區(qū)類似工程經(jīng)驗綜合取值得到的，最終計算選用結(jié)果如表 1［11］。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rockmass

2.3 磷礦的開采步驟

礦區(qū)磷礦的開采是順礦層傾向方向自下而上分步分區(qū)進行的，斜井左右兩側(cè)采區(qū)沿礦層走向方向各延伸250m，保留的礦柱形狀近似方形，柱心距為30m×30m。將計算模型中的磷礦層順傾向自上而下進行分區(qū)并編號(圖3)。計算時對礦層的開采過程進行了一定的簡化，即從6#開采區(qū)開始順礦層傾向分六步向上推進，直至將1#開采區(qū)開采完成為止。坡腳至采區(qū)的斜井長40m，寬10m;開采區(qū)沿礦層走向貫穿模型左右邊界，開采完成后的礦柱分布圖如圖4。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

圖5和圖6分別為磷礦開采完成后坡體Y向和XYZ向的位移矢量圖，從圖中可以看出:

(1)受地下采空的影響，坡體內(nèi)部的位移矢量方向總體表現(xiàn)為指向采空區(qū)，且上覆巖層受影響的范圍和程度均比下伏巖層大。

圖4 礦柱分布圖Fig.4 Pillar distribution map

(2)在Y向上，坡肩位置的坡體位移方向指向坡內(nèi)，量值為2.18cm，隨著高程的降低，坡體的位移方向逐漸指向坡外，在坡腳位置處，坡體的位移量為-2.34cm，使得該區(qū)域內(nèi)的巖體發(fā)生相對錯動。受此影響，坡體XYZ向的合位移矢量方向在坡肩到坡腳之間的淺表部區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生逐漸指向坡外臨空面的偏轉(zhuǎn)。在坡腳位置處，由于坡體的合位移量基本受Y向的位移控制，使得坡腳的位移矢量方向與重力方向呈大角度相交指向坡外。

圖5 坡體Y向位移矢量圖Fig.5 Displacement vector map of Y-direction

(3)采空區(qū)頂板的位移量隨著埋深的增加而增大，但是由于7#礦柱保留面積較大，對6#采空區(qū)起到了較好的支撐作用，所以采空區(qū)頂板的最大位移量，同時也是整個坡體的最大位移量出現(xiàn)在5#采空區(qū)，量值達到18.18cm;而在1#采空區(qū)，頂板的位移量為5.09cm。采空區(qū)的不均勻變形直接導(dǎo)致坡表產(chǎn)生差異沉降，整個坡表的最大沉降量為9.13cm，出現(xiàn)在5#采空區(qū)正上方位置，而坡腳位置的沉降量僅為1.52cm。

圖6 坡體XYZ向合位移矢量圖Fig.6 Displacement vector map of XYZ-direction

圖7和圖8分別是磷礦開采完成后坡體的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖(圖中負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力)，從圖中可以看出:

(1)在重力作用下，坡腳出現(xiàn)應(yīng)力增大區(qū)，而礦柱位置的應(yīng)力集中程度則更為明顯，并且表現(xiàn)出隨著埋深的增大而增大的趨勢。以2#礦柱和6#礦柱為例，天然狀態(tài)下礦柱的最大主應(yīng)力值分別為2.23MPa和4.38MPa;磷礦開采完成后對應(yīng)的礦柱的應(yīng)力值增加到7.39MPa和11.12MPa，分別是天然狀態(tài)下的3.32倍和2.54倍。礦柱的應(yīng)力集中在導(dǎo)致自身產(chǎn)生較大變形的同時也會造成采空區(qū)底板的鼓起。特別是在底板砂巖相對磷礦巖而言屬于軟弱巖體的情況下，礦柱被整體壓入底板砂巖之中，也一定程度上增加了坡體的沉降量。

(2)與簡支梁受力模式相似，在重力作用下兩相鄰礦柱之間的采空區(qū)頂板中部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致該區(qū)域的巖體容易沿坡體內(nèi)發(fā)育的陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉裂破壞，造成采空區(qū)頂板發(fā)生冒頂，并逐步向上發(fā)展不斷引起上覆巖體發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和變形破壞。

(3)山脊中上部坡表出現(xiàn)拉應(yīng)力，量值最大約為-39kPa，而山脊兩側(cè)仍為壓應(yīng)力區(qū)，表明山脊相對于坡體其他區(qū)域而言，由于具備較好的臨空條件，對地下采礦所產(chǎn)生的應(yīng)力調(diào)整具有放大效應(yīng)，受到的影響更為明顯。

圖7 坡體最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress nephogram of slope

圖8 坡體最小主應(yīng)力云圖Fig.8 Minimum principal stress nephogram of slope

3 崩塌的形成機理分析

在現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下采礦數(shù)值模擬的結(jié)果，分析認(rèn)為崩塌的變形破壞模式為拉裂-滑塌［12］，其形成的主要影響因素包括以下幾點:

(1)崩塌所在區(qū)域地形上溝梁相間，山脊突出，屬于中傾角反向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)斜坡地貌。斜坡高、坡度陡，且存在上硬下軟的巖性組合特征。同時，坡體發(fā)育的三組結(jié)構(gòu)面將巖體切割呈塊狀結(jié)構(gòu)，為崩塌的形成提供了有利的基礎(chǔ)條件。

(2)地下采空引起的差異沉降導(dǎo)致坡表產(chǎn)生錯動裂縫;山脊坡表出現(xiàn)的拉應(yīng)力在減小巖體間摩擦力的同時加劇了裂縫端部的應(yīng)力集中，有利于裂縫的擴展開裂。這些裂縫會追蹤陡傾的結(jié)構(gòu)面J1逐漸向坡內(nèi)擴展延伸，使得原本閉合的結(jié)構(gòu)面逐漸張開貫通。同時由于整個坡體的最大沉降區(qū)在5#采空區(qū)正上方，處于山脊的后緣位置，該區(qū)域在沉降過程中會對外側(cè)坡體產(chǎn)生擠壓作用，但由于坡腳位置的結(jié)構(gòu)面J2原本并未貫通，之間存在的巖橋起到了“鎖固點”的作用，阻止外側(cè)坡體向臨空方向的位移變形，造成沿結(jié)構(gòu)面J2出現(xiàn)剪應(yīng)力集中帶，有利于崩塌底滑面的形成。

(3)持續(xù)的地下采礦不斷擾動巖體，導(dǎo)致坡體應(yīng)力場始終處于調(diào)整的狀態(tài)，即使在磷礦開采完成后很長一段時間里，采空區(qū)以及整個坡體仍會繼續(xù)發(fā)生蠕動變形，采空區(qū)對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響和結(jié)構(gòu)面位置的應(yīng)力集中都處于一個不斷積累的過程。坡表的沉陷裂縫也為地表水等外部營力的進入提供了通道，滲入的地表水一方面增加了巖體的自重，產(chǎn)生水楔作用，另一方面軟化結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。在重力和靜水壓力等因素的共同作用下，坡體下部的結(jié)構(gòu)面J2與后緣裂縫構(gòu)成一貫通的破裂面，使得坡體最終沿結(jié)構(gòu)面J2剪出而產(chǎn)生滑塌失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)該崩塌的變形破壞模式為拉裂-滑塌。坡體的地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)特征為崩塌形成提供了基礎(chǔ)條件，而地下采礦則對崩塌產(chǎn)生起到了決定性作用。

(2)地下采空引起坡體產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整和差異沉降，導(dǎo)致坡體沿結(jié)構(gòu)面J1錯動開裂，同時沉降量大的區(qū)域擠壓外側(cè)坡體，使其向臨空方向發(fā)生變形，促使了底滑面沿結(jié)構(gòu)面J2的貫通。

(3)較坡表其他區(qū)域而言，山脊位置對地下采礦引起的應(yīng)力調(diào)整具有放大效應(yīng)，受地下采礦的影響更為明顯。

(4)崩塌的形成過程可分為:地下采礦-坡體應(yīng)力調(diào)整-坡表差異沉降-結(jié)構(gòu)面J1錯動開裂-結(jié)構(gòu)面J2剪斷貫通-坡體失穩(wěn)等6個階段。

(5)采空區(qū)的沉降變形是崩塌形成的主要誘發(fā)因素，對采空區(qū)進行支護和回填能夠有效的避免采空區(qū)發(fā)生垮塌，控制其沉降，從而在根源上減小坡體的變形量;對于地表已經(jīng)形成的裂縫，建議進行充實、封閉，以阻止地表水的下滲，降低水對坡體的不利影響。

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