復(fù)雜采空區(qū)群影響下露天邊坡穩(wěn)定性特征及危險區(qū)區(qū)劃研究

劉 鵬，曹 輝，余 斌，秦秀山

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

人類對礦產(chǎn)資源的開采，導(dǎo)致地下殘留大量采空區(qū)，這些采空區(qū)不僅降低了資源的回收率，更對后續(xù)工程的安全性造成嚴(yán)重影響。在露天礦開采過程中，邊坡的穩(wěn)定性是其安全生產(chǎn)的主要保障，但是由于盜采、偷采等現(xiàn)象，致使邊坡中殘留了一定數(shù)量的采空區(qū)，研究這些采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響程度并采取經(jīng)濟(jì)合理的治理措施一直是科研院所和高校的一個重要研究方向。賴秀英[1]基于ANSYS研究了復(fù)雜民采空區(qū)走向、跨度、長度對邊坡穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行了規(guī)律性總結(jié)。董慧明[2]利用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)確定了采空區(qū)影響下邊坡的滑動模式和滑動機(jī)理。張新兵[3]等基于FLAC3D程序模擬了不同邊界條件對三維邊坡的安全系數(shù)與滑動面的影響，并對不同邊界條件下安全系數(shù)的大小進(jìn)行了分類。盧坤林[4]研究了滑體幾何尺寸與土體強(qiáng)度參數(shù)間的變化規(guī)律及形成機(jī)制與二維與三維邊坡安全系數(shù)差異性之間的相互關(guān)系，并分析了二維與三維安全系數(shù)不同的根本原因是滑體的端部效應(yīng)。萬文[5]等利用改進(jìn)的遺傳算法和FLAC3D軟件，基于簡化Bishop條分法和Janbu法，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測進(jìn)行了邊坡最危險圓弧滑動面和任意形狀滑動面的搜索并計算了安全系數(shù)。王云鵬[6]利用極限平衡法和FLAC3D軟件分析了含有運(yùn)輸巷道的邊坡的穩(wěn)定性，總結(jié)了邊坡下巷道對邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律。柴紅保[7]等利用強(qiáng)度折減法研究了空區(qū)分布位置對邊坡穩(wěn)定性影響的差異性，并指出，空區(qū)幾何中心距離滑動面超過一定距離后，空區(qū)對邊坡的穩(wěn)定性影響可以忽略不計。丁新啟[8]利用探地雷達(dá)查明空區(qū)的位置和特征后，基于極限平衡法、遺傳算法，建立了單空區(qū)的邊坡安全系數(shù)計算公式，分析了單空區(qū)對邊坡的影響規(guī)律。畢鈺璋[9]等借助PFC2D構(gòu)建了二維邊坡模型，研究了滑坡災(zāi)害的堆積結(jié)果和邊坡的角度、結(jié)構(gòu)體的距離之間的關(guān)系。李同鵬[10]等基于FLAC3D軟件研究了不同空區(qū)跨度和不同保安礦柱厚度下邊坡的穩(wěn)定性，總結(jié)了保安礦柱厚度和空區(qū)跨度與邊坡滑動面和安全系數(shù)之間的關(guān)系。

盡管眾多學(xué)者在研究采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響中做了大量的工作，但是大都以安全系數(shù)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，針對受采空區(qū)影響下邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，且這種分析多在二維平面應(yīng)變條件下進(jìn)行，對三維邊坡的穩(wěn)定性分析相對較少且依舊集中在整體的穩(wěn)定性分析中，很少關(guān)注單個采空區(qū)對其附近三維邊坡的影響。此外，二維邊坡的穩(wěn)定性分析研究由成熟的理論作為支持，而三維邊坡的穩(wěn)定性分析研究目前仍處于不斷的探索過程中，單獨(dú)通過安全系數(shù)判斷三維邊坡的穩(wěn)定性有待商榷。

本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，按照采空區(qū)與邊坡形成的先后順序，研究了確定長高比、不同約束條件下邊坡的安全系數(shù)，并結(jié)合塑性區(qū)貫通情況和等效安全系數(shù)對采空區(qū)群影響下邊坡整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性的進(jìn)行了研究，分析了采空區(qū)群中單一空區(qū)對邊坡的局部穩(wěn)定性影響，并對采空區(qū)群中單一采空區(qū)的危險性進(jìn)行了分類，為礦山工作人員維護(hù)受采空區(qū)影響下邊坡的穩(wěn)定性的防治提供依據(jù)。

1 工程概況與分析模型

1.1 工程概況

銀山露天礦礦區(qū)南北長2.7 km，東西寬2.15 km，礦區(qū)邊坡巖體工程地質(zhì)特性復(fù)雜，采場南幫內(nèi)部存在原井下開采的采空區(qū)，該處巖性以千枚巖為主，坡腳部分區(qū)域?yàn)橛舶邘r和小部分石英斑巖。邊坡面平順，呈東西走向，已形成最大邊坡高度超過300 m的高邊坡。邊坡面局部出露有原采空區(qū)和采場聯(lián)絡(luò)道，同時受多組斷層和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面影響，局部邊坡發(fā)生過滑坡、崩落、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 分析模型

銀山露天邊坡采空區(qū)(南幫)的分布位置(如圖1所示)，采空區(qū)順序依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M，相對應(yīng)的X坐標(biāo)(X方向垂直于臺階坡面)依次為50 566 698、50 566 668、50 566 793、50 566 843、50 566 856、50 566 873、50 566 879、50 566 896、50 566 898、50 566 910、50 566 984、50 567 006和50 567 010，法向量為(0，1，0)，在充分考慮邊界效應(yīng)、計算效率的情況下，本次計算模型尺寸：X方向800 m，Y方向1 410 m，Z方向大約774 m，共劃分4個分組，其中“KQ”代表采場南幫內(nèi)部空區(qū)，未開挖前為礦體，“SLOPE”、“TJ_1”、“TJ_2”、“TJ_3”、“TJ_4”分組按照圍巖處理。模型共有節(jié)點(diǎn)181 272個，單元1 032 056個。現(xiàn)狀邊坡模型如圖2所示，二期邊坡模型如圖3所示，模型計算參數(shù)如表1所示。模型計算考慮自重應(yīng)力場及按照水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值(υ(1-υ)，υ為泊松比)施加X、Y、Z三個方向的初始應(yīng)力。計算模型的邊界條件為：模型頂端為自由表面，四周邊界施加法向約束，底部施加全約束。模型計算時，考慮采空區(qū)與露天坑的實(shí)際形成順序，先開挖形成采空區(qū)之后再進(jìn)行現(xiàn)狀邊坡與二期邊坡的開挖。

2 結(jié)果分析

為研究采空區(qū)對現(xiàn)狀邊坡與二期邊坡的穩(wěn)定性的影響，將從邊坡的整體穩(wěn)定性和采空區(qū)群中單個空區(qū)對邊坡的局部穩(wěn)定性影響兩方面來分析。邊坡的整體穩(wěn)定性主要通過計算安全系數(shù)來評判，通過塑性區(qū)分布及貫通情況、等效安全系數(shù)來評價單個空區(qū)對邊坡的局部穩(wěn)定性影響，最終將二者結(jié)合來綜合性評價邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 銀山露天礦三維空區(qū)模型分布圖Fig.1 Distribution map of three-dimensional goaf model in Yinshan open-pit mine

圖2 現(xiàn)狀邊坡網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of the current slope

圖3 二期邊坡網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of the second stage slope

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of rock mass

2.1 原采空區(qū)對現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性影響分析

由于采空區(qū)群中各個空區(qū)的分布位置不同，采空區(qū)之間互相影響，故其對邊坡的穩(wěn)定性影響也各有不同，所以在本文中著重研究分析對局部邊坡穩(wěn)定性影響最大的兩個空區(qū)：空區(qū)D、空區(qū)I。

空區(qū)D受到空區(qū)A-C的影響，頂部出現(xiàn)大量塑性區(qū)，如圖4(a)所示，且與其附近的坡底和臺階坡面產(chǎn)生的塑性區(qū)貫通，但邊坡其他位置未出現(xiàn)塑性區(qū)。同樣，空區(qū)I也受到空區(qū)H的影響，空區(qū)I左下角產(chǎn)生大量塑性區(qū)，如圖5(a)所示，這些塑性區(qū)的分布范圍集中在空區(qū)H附近，空區(qū)I由于現(xiàn)狀邊坡坡底及附近坡面的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，空區(qū)I頂部的塑性區(qū)與坡底貫通。整個邊坡等效安全系數(shù)，如圖4(b)、5(b)所示，除塑性區(qū)密集分布區(qū)域接近極限平衡狀態(tài)外，如空區(qū)D的正上方及右上角靠近下部臺階坡面位置，空區(qū)I上部塑性區(qū)與坡底塑性區(qū)貫通位置，空區(qū)I右下角位置。其余位置仍保持在極限平衡狀態(tài)以上，邊坡的整體穩(wěn)定性受空區(qū)D、I影響較小。

圖4 空區(qū)D剖面數(shù)值計算結(jié)果云圖(現(xiàn)狀邊坡)Fig.4 Cloud map of D-section numerical calculation results(The current slope)

圖5 空區(qū)I剖面數(shù)值計算結(jié)果云圖(現(xiàn)狀邊坡)Fig.5 Cloud map of I-section numerical calculation results(The current slope)

在現(xiàn)狀邊坡中，空區(qū)D、E、H、I所在位置的邊坡與上部臺階坡面發(fā)生貫通，這些空區(qū)對上部邊坡的穩(wěn)定性影響最大，空區(qū)F、G、J與上部臺階貫通可能性大，對上部邊坡穩(wěn)定性可能產(chǎn)生較大影響，空區(qū)A、B、C、J次之，空區(qū)K、M與上部臺階貫通的可能性較小，對其上部邊坡的穩(wěn)定性影響最小?？諈^(qū)危險性等級劃分及說明如表2、圖6所示。

表2 空區(qū)危險性分類說明(現(xiàn)狀邊坡)Table 2 The danger classification description for goaf(The current slope)

圖6 空區(qū)危險性分類(現(xiàn)狀邊坡)Fig.6 Danger classification of goaf(The current slope)

2.2 原采空區(qū)對二期開采的穩(wěn)定性影響分析

二期開采導(dǎo)致空區(qū)到臺階的距離大幅減少，原有的最為危險空區(qū)D、I的危險程度加劇?？諈^(qū)D在二期開采后，其頂部塑性區(qū)聚集更加明顯，如圖7(a)所示，與上部臺階貫通?？諈^(qū)I距離臺階坡面很近，其上部塑性區(qū)與臺階坡面貫通，如圖7(b)所示。無論是空區(qū)D還是空區(qū)I，由于受到其他空區(qū)的影響其右下角塑性區(qū)聚集明顯，現(xiàn)狀邊坡受采空區(qū)影響產(chǎn)生的塑性區(qū)與二期邊坡受采空區(qū)影響產(chǎn)生的塑性區(qū)沿臺階坡面聯(lián)通，二期邊坡坡腳處塑性區(qū)聚集，其他位置未出現(xiàn)或少量出現(xiàn)塑性區(qū)。除塑性區(qū)密集分布區(qū)域接近極限平衡狀態(tài)外，如：現(xiàn)狀邊坡臺階坡面塑性區(qū)與二期邊坡臺階坡面塑性區(qū)聯(lián)通位置、塑性區(qū)貫通位置等，其余位置仍保持在極限平衡狀態(tài)以上，如圖8所示，二期邊坡的整體穩(wěn)定性受空區(qū)D、I影響較小。

圖8 空區(qū)I剖面數(shù)值計算結(jié)果云圖(二期邊坡)Fig.8 Cloud map of I-section numerical calculation results(The second stage slope)

由于二期開采對已有空區(qū)進(jìn)行再次擾動，故二期開采中空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響較現(xiàn)狀邊坡更加顯著，空區(qū)B、D、E、F、G、H、I、K、L、M所在位置的邊坡與上部臺階坡面發(fā)生貫通，這些空區(qū)的存在對空區(qū)上方的邊坡穩(wěn)定性影響最大，空區(qū)J與上部臺階有很大的貫通可能性，對上部邊坡穩(wěn)定性影響較大，空區(qū)A、C與上部臺階貫通的可能性最小，影響亦最小?？諈^(qū)危險性等級劃分及說明如表3、圖9所示。

表3 空區(qū)危險性分類說明(二期邊坡)Table 3 The danger classification description for goaf(The second stage slope)

圖9 空區(qū)危險性分類(二期邊坡)Fig.9 Danger classification of goaf(The second stage slope)

2.3 采空區(qū)群下三維邊坡的安全系數(shù)解算

三維邊坡的安全系數(shù)受到邊坡長高比、約束條件等的影響[11-14]，本模型的長高比為1.69，為更加合理的分析邊坡的穩(wěn)定性，需建立三種約束條件：1)全約束，假設(shè)分別約束2個X面的3個方向的位移；2)半約束，假設(shè)約束1個X面的3個方向的位移，1個X面僅約束法向位移；3)法向約束，假設(shè)僅分別約束2個X面法向位移。表4為邊界約束類型與其相應(yīng)的安全系數(shù)。全約束條件下的邊坡安全系數(shù)最高；半約束條件下的邊坡安全系數(shù)次之；法向約束條件下的安全系數(shù)最小。無論是現(xiàn)狀邊坡還是二期邊坡，無論哪一種約束條件，邊坡整體穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞。

表4 三維邊坡模型邊界約束類型及相應(yīng)安全系數(shù)Table 4 Boundary constraint types and safety factors of three-dimensional slope model

3 結(jié)論

銀山露天礦邊坡巖體在采空區(qū)未充填條件下，當(dāng)開采到距離采空區(qū)較近的區(qū)域時，局部臺階坡面會由于空區(qū)影響產(chǎn)生破壞，特別是空區(qū)密集區(qū)域(空區(qū)D-J、空區(qū)L-M)，這種影響更加明顯。但是，邊坡整體的穩(wěn)定性較好，整個邊坡中沒有出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)破壞，僅在空區(qū)所在位置上方的臺階坡面有小范圍的塑性區(qū)產(chǎn)生，塑性區(qū)所在位置主要發(fā)生剪切破壞，伴隨很微量的拉破壞。邊坡的安全系數(shù)均大于1，整體穩(wěn)定性較好。但是不能忽視邊坡局部的不穩(wěn)定性，在現(xiàn)狀邊坡開采時已經(jīng)揭露的部分空區(qū)，應(yīng)及時處理并分析其對二期開采的影響，避免鉆孔裝藥時緊鄰或穿過空區(qū)，爆破后引起塌陷。二期邊坡開采過程應(yīng)對邊坡局部穩(wěn)定性影響較大的采空區(qū)賦存區(qū)域采取探采結(jié)合方式，摸清楚計劃開采的下部區(qū)域空區(qū)分布情況，以便采取相關(guān)措施及時處理，保證安全生產(chǎn)。