地震和煤礦采動耦合作用下露天礦邊坡及采空區(qū)穩(wěn)定性研究*

李海軍，魏曉剛，孫 琦，衛(wèi) 星，母倩雯

(1.遼寧交通高等?？茖W校，遼寧沈陽，110122;2.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新，123000;3.遼寧省化工地質勘查院，遼寧錦州，121000)

0 引言

隨著對礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加，露天和井工聯(lián)合開采越來越多，由于露天開采而形成的高邊坡，其穩(wěn)定性受到地震荷載作用以及邊坡下井工開采采動作用的影響較大，地震和采動耦合作用可能導致邊坡失穩(wěn)，嚴重影響礦山安全生產(chǎn)，因此研究地震和采動耦合作用對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

在地震對邊坡穩(wěn)定性的影響方面，Hatzor等(2004)采用不連續(xù)變形分析方法 (DDA)研究了動荷載作用下巖質邊坡的穩(wěn)定性;Kokusho和Tlshizawa(2007)從能量角度研究地震振動能量釋放對邊坡穩(wěn)定性的影響及其致災機理;Kazmi等(2014)研究了巴基斯坦克什米爾地震導致斷層活化導致邊坡失穩(wěn)的內在機理;程宇等 (2012)研究了地震過程中斷層破裂過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，探索了荷載場的變化規(guī)律;孫進忠等 (2004)提出了地震荷載作用下邊坡崩塌的三級評判思想;黃帥等 (2014)采用轉動平衡理論研究了地震荷載作用下砂土邊坡內部孔隙水壓力對邊坡位移的影響;馮志仁等 (2014)研究了地震動峰值、頻率和初動方向對邊坡內應力和位移的影響;李祥龍等 (2014a，b)采用離心機動力試驗手段進行邊坡動力響應分析，并研究了結構面對邊坡穩(wěn)定性的影響;王云鵬等 (2010)采用概率積分法與數(shù)值模擬手段相結合的方法研究了井工開采對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響。在采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性影響方面，江學良等 (2013)利用SURPAC建模，采用FLAC3D探討了采空區(qū)和巖質邊坡的相互作用，研究了邊坡的應力和位移的分布規(guī)律;柴紅保等 (2010)基于強度折減法，重點研究了采空區(qū)對邊坡安全系數(shù)的影響;尹光志等 (2012)根據(jù)底摩擦模擬模型實驗，進行了采空區(qū)影響下磷礦露天邊坡穩(wěn)定性的研究，分析了邊坡的變形破壞響應特征。這些研究極大地推進了對邊坡穩(wěn)定性的認識 (孫世國，王群，2014)，但只考慮了地震荷載或采動作用單一因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，近年來有學者研究地震和采動耦合作用對建筑物的影響 (劉書賢等，2011，2013，2014a，b，c;張春禮，2009;魏曉剛，2011)，但地震和采動耦合作用對露天礦邊坡及采空區(qū)的穩(wěn)定性影響的研究未見報道。

本文將露天礦邊坡及其下伏采空區(qū)視為一個系統(tǒng)，基于強度折減法的基本計算理論，采用FLAC3D分析該系統(tǒng)在地震和采動荷載耦合作用下露天礦邊坡及其下伏采空區(qū)的應力場和位移場分布規(guī)律，探討煤礦采動損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震穩(wěn)定性。

1 露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 工程背景

位于遼寧省阜新市的排山樓金礦于1997年建成投產(chǎn)，開采初期主要以露天開采方式為主，2004年末露天礦閉坑后逐漸轉為井工開采方式。

隨著回采工作面的下降，由于頂板圍巖滯后冒落，形成了規(guī)模較大的不連續(xù)采空區(qū)，其中+225 m水平之上形成的采空區(qū)的總面積達45 470 m2，已形成大面積露天采坑和井下不連續(xù)的采空區(qū)，且井工開采仍在進行之中，煤礦采空區(qū)范圍仍然在不斷擴大。

1.2 強度折減法的基本計算原理

邊坡的穩(wěn)定性分析采用強度折減法即對邊坡巖體的抗剪參數(shù)進行折減，當達到邊坡的極限平衡狀態(tài)時，折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù) (柴紅保等，2010)，其計算公式為

式中:Ftrial為邊坡的安全系數(shù) (Ftrial＞1表示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，F(xiàn)trial=1表示邊坡處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)，F(xiàn)trial＜1表示邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài));c為邊坡巖土未經(jīng)折減狀態(tài)時的粘聚力 (單位:MPa);c'為邊坡巖體折減至極限平衡狀態(tài)時的粘聚力 (單位:MPa);φ為邊坡未經(jīng)折減狀態(tài)時的內摩擦角 (單位:°);φ'為邊坡巖體折減至極限平衡狀態(tài)時的摩擦角 (單位:°)。

1.3 露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

本文基于有限元分析軟件FLAC3D建立露天礦邊坡的整體三維有限元分析模型，模型的平面尺寸為500 m×300 m，巖層傾向方向取150 m，采深為80～200 m，2個采空區(qū)長度分別為20 m和70 m，所建立的露天礦邊坡的有限元幾何分析計算模型如圖1所示;假設露天礦邊坡巖體為滿足Mohr-Column屈服準則的彈塑性模型，則該巖體物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖層物理力學參數(shù)Tab.1 The physical and mechanical parameters of the stratum

基于強度折減法的基本理論，將露天礦邊坡巖體的抗剪參數(shù)進行折減后，此時達到巖體的極限平衡狀態(tài)，此時露天礦邊坡沒有進行開采時其邊坡安全系數(shù)Ftrial為1.21，由此可以判斷露天礦邊坡的安全儲備理想，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當對露天礦邊坡中的煤層進行開采后，所形成的兩個采空區(qū)內部可以視為松散層，對其進行抗剪參數(shù)折減，所得到的邊坡安全系數(shù)Ftrial為1.12，由此可以判斷煤層開采后所形成的采空區(qū)比較穩(wěn)定，邊坡不會產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2 地震與煤礦采動耦合作用下露天礦邊坡失穩(wěn)破壞的數(shù)值模擬

2.1 有限元數(shù)值計算分析

為了保證在分析地震和煤礦采動耦合作用下的邊坡穩(wěn)定性時的數(shù)值結果的可靠性，在露天礦邊坡的煤層開采完成后，將其幾何模型的邊界條件改為自由邊界條件，以避免地震波折射振蕩對邊坡的重復破壞 (魏曉剛，2011)。邊坡的阻尼系數(shù)為局部阻尼，阻尼系數(shù)為0.15。為了保證數(shù)值分析計算結果的可靠性和良好的對比性，所選取的地震波輸入為集集地震波。圖2為集集地震波的加速度時程曲線。

2.2 應力場分析

為了探討煤礦采空損害影響下露天礦邊坡及采空區(qū)失穩(wěn)破壞的原因，對地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的應力場分析進行了重點分析，在對露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力響應進行有限元數(shù)值計算完成后，重點研究了露天礦邊坡及采空區(qū)X、Y、Z三個方向的應力云圖的切片如圖3所示。

分析圖3可知:在地震荷載和煤礦采動的耦合作用下露天礦邊坡及采空區(qū)水平方向上 (X向和Y向)出現(xiàn)了拉應力 (由于露天礦邊坡巖石已經(jīng)風化，其抗拉強度較低，在拉應力作用下會巖石出現(xiàn)局部拉裂，由此導致采空區(qū)出整體失穩(wěn)現(xiàn)象)，在豎直方向上 (Z向)出現(xiàn)了壓應力 (露天礦邊坡右側采空區(qū)頂板和底板在壓應力的作用下，可能頂板冒落、底板鼓起的破壞現(xiàn)象，導致巷道破壞現(xiàn)象嚴重，采空區(qū)會出現(xiàn)整體垮塌現(xiàn)象)，并且地震作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的應力集中現(xiàn)象明顯，此時露天礦邊坡及采空區(qū)的穩(wěn)定性極差，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)和采空區(qū)坍塌的地震動力破壞現(xiàn)象。

2.3 位移場分析

在分析露天礦邊坡及采空區(qū)X、Y、Z三個方向的地震動力應力場分布的基礎上，需要對其所產(chǎn)生的地震動力位移響應進行分析，以此來保證分析結果的可靠性，所得到的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力位移響應如圖4所示。

通過圖4可知:在煤礦采動與地震荷載的耦合作用下露天礦邊坡及采空區(qū)在水平方向上出現(xiàn)了分別向左、向右的位移響應，在邊坡的坡頂出現(xiàn)了0.1 m的向右側位移響應，在露天礦邊坡內部的右側采空區(qū)則出現(xiàn)了0.124 m向左側的位移響應。邊坡的表面位移響應與內部采空區(qū)的位移響應的不一致導致露天礦的巖體發(fā)生相對運動的動力響應，巖層容易被拉斷而出現(xiàn)裂縫，一旦內外部的裂隙貫通則露天礦邊坡及采空區(qū)會出現(xiàn)崩塌的現(xiàn)象。

分析圖4可知:采空區(qū)巷道的頂板處的地震動力位移響應的峰值位移為0.5 m，此時頂板極易產(chǎn)生冒落垮塌現(xiàn)象，由于位移響應過大采空區(qū)的沉陷變形會波及地表，導致邊坡產(chǎn)生崩塌的整體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象;而采空區(qū)巷道的底板的峰值位移響應為0.2 m，說明此時巷道底板的底鼓現(xiàn)象嚴重，出現(xiàn)底鼓的原因是煤層開采后巖石內力發(fā)生應力重分布，產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象所產(chǎn)生的，當?shù)卣鸢l(fā)生時，巷道的頂板坍塌和底板鼓起現(xiàn)象加劇說明了煤礦采動損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)巷道的地震動力穩(wěn)定性極差，需要采取相應的抗震加固措施。

2.4 塑性區(qū)分布

巖層的塑性區(qū)分布形態(tài)反映了在不同的外力擾動荷載作用下巖層的地質強度指標以及破壞程度 (李祥龍等，2014)，在分析地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的應力場與位移場分布的基礎上，為了更為直觀的分析露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力破壞特征，需要對其塑性區(qū)分布形態(tài)進行分析研究，地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的塑性區(qū)分布如圖5所示。

通過分析圖5地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn):在露天礦邊坡內部采空區(qū)塑性區(qū)沿著巷道的頂板、幫部以及底板的部分區(qū)域呈現(xiàn)出貫通分布的現(xiàn)象，并且一直延伸至邊坡的坡面位置，并且露天礦邊坡及采空區(qū)的整體塑性區(qū)分布中以剪切破壞的形式較多，而且出現(xiàn)多處拉伸破壞和剪切破壞重合的位置，由此可以判斷露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力破壞屬于剪切破壞和拉伸破壞共同作用的結果，在地震荷載的反復作用下，巖層需要承受擾動荷載剪切和拉伸的反復作用，一旦超過巖層的抗拉(壓)強度，微觀上巖層會出現(xiàn)斷裂破壞，對于露天礦邊坡及采空區(qū)整體系統(tǒng)而言，則出現(xiàn)裂縫貫通、巖層塌落，由此造成邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2.5 失穩(wěn)破壞分析

綜合分析地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的的應力場、位移場和塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn)，煤礦采動損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力破壞主要以以下兩種形式的破壞為主。

(1)采空區(qū)頂板大面積冒落和底板底鼓現(xiàn)象:應力集中現(xiàn)象、峰值位移響應和塑性區(qū)分布均集中出現(xiàn)在露天礦邊坡內部的采空區(qū)頂板和底板處，由此可以判斷采空區(qū)的頂板冒落和底板底鼓現(xiàn)象極易發(fā)生，如果擾動荷載的強度過大，兩個采空區(qū)之間的煤柱會發(fā)生沖擊剪切破壞，產(chǎn)生壓碎失穩(wěn)現(xiàn)象，此時采空區(qū)的冒落現(xiàn)象會迅速貫通至地表，導致采空區(qū)及邊坡出現(xiàn)突然塌陷現(xiàn)象。

(2)露天礦邊坡出現(xiàn)崩塌跨落現(xiàn)象:從圖5可以看出，采空區(qū)上方的大量巖體均處于塑性區(qū)范疇，在拉伸破壞和剪切破壞的共同作用下，邊坡坡體已經(jīng)失穩(wěn)，但并未出現(xiàn)滑移面，這說明在地震和采動耦合作用下，邊坡失穩(wěn)形式主要是以巖體破碎后沿邊坡向下滾動，形成大面積的崩塌，分析其機理主要是由于采空區(qū)成為了巖體中的弱面，導致邊坡在地震作用下上方巖體破碎崩塌。

3 結論

通過對遼寧阜新排山樓露天礦開采轉為井工開采實際情況的有限元數(shù)值模擬計算，可以得到如下結論:

(1)該露天礦邊坡未經(jīng)采動時，邊坡安全系數(shù)為1.21，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，采動后邊坡安全系數(shù)降為1.12，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，單獨的采動作用不會導致邊坡失穩(wěn);由此可以判斷煤層開采后所形成的采空區(qū)比較穩(wěn)定，露天礦邊坡不會產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

(2)在地震和煤礦采動荷載的耦合作用下，露天礦邊坡的坡體內出現(xiàn)了峰值拉應力，采空區(qū)頂板冒落和底板底鼓現(xiàn)象嚴重，在拉力剪力復雜應力的共同作用下，露天礦邊坡內的巖體出現(xiàn)了拉斷破裂現(xiàn)象。

(3)綜合地震與煤礦采動作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的的應力場、位移場和塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn):煤礦采動損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動力破壞主要以采空區(qū)頂板大面積冒落和底板底鼓現(xiàn)象和邊坡的崩塌兩種破壞形式為主，需要針對災害沖擊荷載的破壞作用采取相應的抗震 (振)加固措施，以保證露天礦邊坡的穩(wěn)定性和安全性。

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