塌陷坑陡傾斜邊坡穩(wěn)定性有限元分析

彭敏杰 鄒平 王飛飛

（①內(nèi)蒙古興業(yè)集團融冠礦業(yè)有限公司 錫林郭勒盟026300 ②長沙礦山研究院有限責任公司 長沙 410012）

1 引言

采用傳統(tǒng)采礦方法開采井下礦體極易引起地表塌陷[1-2]。地表形成的塌陷坑由于不連續(xù)塌陷，形成了塌陷坑陡傾邊坡，給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患[3-4]。在融冠礦業(yè)采用無底柱分段崩落采礦法作為主體采礦方法進行開采礦體，于2008 年6 月按1158 中段放頂設計進行了放頂施工，之后井下采空區(qū)與地表連通，地表沉陷形成了最初的地表塌陷坑[5]。隨著井下開采的推進，塌陷區(qū)范圍不斷擴大，至2019 年5 月，已形成一個南北長約275m，東西寬約210m，近似橢圓塌陷坑，呈漏斗狀，塌陷坑上口面積約5.4萬m2，下口約0.78 萬m2，最深處與地表高差近135m，經(jīng)測算漏斗型塌陷坑體積約267萬m3。

地表塌陷坑形成了陡崖式的邊坡，尤其在礦體下盤巖體處邊坡接近垂直，在地表多處有寬度大小不一的裂縫，后期有進一步垮塌或產(chǎn)生滑坡的可能，誘發(fā)井下沖擊波、井下局部突水等安全隱患[6]。

2 礦山概況

2.1 地層

區(qū)內(nèi)出露地層比較簡單，主要有奧陶系中統(tǒng)多寶山組及二疊系下統(tǒng)寶力格組及第四系。

2.1.1 奧陶系中統(tǒng)多寶山組

出露于礦區(qū)中部，主要為其下巖段，巖性主要為石榴石矽卡巖、綠簾石矽卡巖、大理巖、黑云母角巖；為查干敖包鐵鋅礦賦礦層位，總厚度498m。地層產(chǎn)狀：走向NE35～40°，傾向NW，傾角50～62°。

（1）石榴石矽卡巖：灰黃綠、黑綠色，它形～半自形粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要組成礦物為石榴石，少量透輝石、綠簾石、綠泥石、方解石、石英、磁鐵礦、閃鋅礦等。與磁鐵礦、閃鋅礦關(guān)系密切。石榴石：約占70%，淡黃、黃褐色，半自形～它形晶，粒徑多為0.3～0.8mm，多具環(huán)帶狀光性異常，以鈣鐵石榴石為主，鈣鋁石榴石少量。透輝石：約占10%，淡綠色，柱狀、粒狀半自形晶，粒徑0.1～0.7mm，局部被碳酸鹽、石英交代。磁鐵礦：少量，多以它形～半自形晶充填于石榴石間隙處，少數(shù)呈自形晶。被閃鋅礦交代，有時見磁鐵礦被磁黃鐵礦交代呈骸晶狀。粒徑0.1～0.5mm 左右，少數(shù)呈浸染狀者粒徑小于0.1mm。綠簾石：少量，微粒狀，粒徑小于0.1mm。

（2）綠簾石矽卡巖：黃綠、灰褐色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要組成礦物為綠簾石，其次是石榴石、透輝石、陽起石、綠泥石、磁鐵礦、閃鋅礦、褐鐵礦、方解石。綠簾石呈粒狀，短柱狀，半自形～它形晶，微具走向排列，含量85～90%。巖層厚度80～110m。夾磁鐵礦及閃鋅礦體，為36～49號礦體賦礦巖石。

（3）大理巖：灰白色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物組成主要為受熱變質(zhì)作用重結(jié)晶的方解石組成。方解石約占90%，其余為白云石、透閃石、石英，巖層厚度98m。

（4）黑云母角巖：灰黑色，鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為黑云母（約占60%）、石英（約占30%），少量長石及不透明金屬礦物，巖層厚度10～25m。

2.1.2 二疊系下統(tǒng)寶力格組

出露于礦區(qū)西部及北部，其巖性主要為凝灰質(zhì)板巖、含角礫巖屑凝灰?guī)r及凝灰?guī)r。

（1）凝灰質(zhì)板巖：灰～灰黑色，變余凝灰質(zhì)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，巖石中隱晶質(zhì)的鱗片狀礦物（黑云母和絹云母）具定向排列，由凝灰質(zhì)礦物蝕變而成。此外，尚含有隱晶質(zhì)的長石和石英及細脈狀的綠泥石集合體等。

（2）含角礫巖屑凝灰?guī)r：巖石呈灰白色，含角礫巖屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。一般由小于2mm 的火山灰組成，局部含有大于2mm 角礫碎屑物，以巖屑為主，次為晶屑、玻屑和火山塵，一般含有火山角礫，構(gòu)成含角礫凝灰?guī)r。巖屑成分為凝灰?guī)r、流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r，局部見少量安山巖，棱角狀，含量40%左右，晶屑為斜長石、鉀長石和石英，含量小于10%，其余為火山塵和玻屑。

（3）凝灰?guī)r：巖石為灰色、灰白色、灰粉色、淺紅色、灰紫色等，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。由凝灰物組成，個別含有正常沉積物。凝灰物為小于2mm 的晶屑、巖屑、玻屑、火山塵，晶屑為鉀長石或斜長石、石英，呈次棱角狀－棱角狀，含量為5～40%；巖屑為流紋巖、安山巖、粗安巖等，次棱角狀－棱角狀，含量為5～10%；玻屑，多已脫玻形成長英質(zhì)礦物，長石可見土化，雞骨狀、弧面棱角狀假象清楚，含量為0～45%；火山塵，均已脫玻形成長英質(zhì)礦物，含量為0～25%。副礦物有磷灰石、鋯石。部分巖石可見土化、絹云母化、碳酸鹽化等蝕變。

2.1.3 新生界第四系

廣泛分布于礦區(qū)，巖性以殘坡亞砂土含碎石、風成砂為主，一般厚0.8～25m，局部低洼處，厚度可達38m以上。

2.2 礦體特征

礦床由27 條工業(yè)礦體組成，地表露頭礦體2 條（1、2 號），隱伏盲礦體25 條（其中鐵鋅礦體12 條，編號為1、1-1、1-3、7、9、10、11、35、36、38、41、43 號；鐵礦體10 條，編號為2、6、13、23、42、44、45、46、48、49號；鋅礦體5 條，編號為31、37、39、40、47 號）。1、1-1、1-3、2、6、7、9、10、11、13、23、31、35號礦體，賦礦巖石為石榴石矽卡巖；36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49號礦體，賦礦巖石為綠簾石矽卡巖。

1 號鐵鋅礦體礦石資源儲量占礦區(qū)總儲量的51.66%，Zn金屬量占總金屬量的50.45%，1-1、1-3為新增礦體，生產(chǎn)勘探工程集中于1、1-1、1-3號礦體，該3條礦體為本次生產(chǎn)勘探增儲對象，也是生產(chǎn)勘探后的首采區(qū)，其它礦體均無變化。

（1）1號礦體

分布于7～10線之間，為鐵鋅共生礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈似層狀、走向23～35°，傾向北西，傾角37～50°，礦體產(chǎn)狀上陡下緩，但總體較穩(wěn)定。地表由探槽控制，深部由5個中段及6個鉆孔控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。該礦體1068m中段以上大部分采空。

地表：由4 個探槽控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度3.06～70.80m，平均24.45m；品位：TFe27.09～32.18%，平均品位31.01%；Zn0.69～1.27%，平均品位1.22%。

1156m 中段：由5 個穿脈控制，控制礦體長度210m，礦體厚度15.31～42.00m，平均31.86m；品位：TFe27.72～31.29%，平均品位29.31%；Zn0.92～3.76%，平均品位1.90%。

1117m 中段：由6 個穿脈及8 勘探線的鉆孔ZK4控制，礦體延長355m，礦體厚度8.44～58.66m，平均27.90m；品位：TFe26.59～32.03%，平均品位29.32%；Zn1.78～7.00%，平均品位4.24%。

1068m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長354m，礦 體 厚 度9.39～69.07m，平 均36.96m；品 位：TFe25.10～31.01%，平均品位28.49%；Zn4.35～7.07%，平均品位5.74%。

1021m 中段：由6 個穿脈控制，礦體延長379m，礦 體 厚 度0.64～56.51m，平 均36.12m；品 位：TFe27.13～32.25%，平均品位30.43%；Zn1.47～4.91%，平均品位3.55%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長386m，礦體厚度0.64～45.28m，平均26.64m；品位：TFe25.90～32.94%，平均品位29.57%；Zn3.28～8.76%，平均品位4.97%。

921m中段：由5個穿脈控制，礦體延長312m，礦體厚度0.95～60.64m，平均13.33m；品位：TFe31.08～35.19%，平均品位33.66%；Zn3.85～7.19%，平均品位5.40%。

1號礦體最大延長386m，延深425m。厚度0.64～69.07m，平均49.22m，厚度變化系數(shù)94.08%；TFe品位29.90～38.12%，平均品位31.06%，品位變化系數(shù)43.47%；Zn品位1.22～11.30%，平均品位4.60%，品位變化系數(shù)47.28%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（2）1-1號礦體（新增）

分布于7～8 線之間，位于1 號礦體下盤，為本次生產(chǎn)勘探根據(jù)礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀，走向23～35°，傾向北西，傾角50～68°，礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定。由3 個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1068m 中段：由5 個穿脈控制，礦體延長233m，礦 體 厚 度10.11～26.51m，平 均18.38m；品 位：TFe29.56～30.98%，平均品位30.43%；Zn3.80～4.60%，平均品位4.20%。

1021m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長329m，礦 體 厚 度11.04～23.89m，平 均17.35m；品 位：TFe29.01～32.86%，平均品位30.79%；Zn4.18～6.07%，平均品位5.19%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長321m，礦體厚度14.49～29.07m，平均18.87m；品位：TFe27.16～34.32%，平均品位30.52%；Zn4.60～5.21%，平均品位4.94%。

1-1 號礦體最大延長329m，延深140m。厚度10.11～29.07m，平均18.25m，厚度變化系數(shù)78.32%；TFe 品位27.16～34.32%，平均品位30.48%，品位變化系數(shù)40.35%；Zn 品位3.80～6.07%，平均品位5.01%，品位變化系數(shù)45.17%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（3）1-3號礦體（新增）

分布于7～8 線之間，位于1-1 號礦體下盤，為本次生產(chǎn)勘探根據(jù)礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀，走向23～35°，傾向北西，傾角50～68°，礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定。由3個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1068m 中段：由5 個穿脈控制，礦體延長233m，礦 體 厚 度4.65～23.58m，平 均14.95m；品 位：TFe26.76～36.37%，平均品位30.71%；Zn4.17～5.30%，平均品位4.62%。

1021m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長330m，礦 體 厚 度7.34～36.20m，平 均26.48m；品 位：TFe27.73～35.49%，平均品位30.79%；Zn4.43～4.84%，平均品位4.61%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長321m，礦體厚度21.84～66.39m，平均40.63m；品位：TFe31.02～33.11%，平均品位32.06%；Zn4.57～4.98%，平均品位4.71%。

1-3 號礦體最大延長320m，延深155m。厚度4.65～66.39m，平均23.19m，厚度變化系數(shù)65.18%；TFe 品位26.76～36.37%，平均品位31.36%，品位變化系數(shù)39.76%；Zn 品位4.17～5.31%，平均品位4.67%，品位變化系數(shù)43.19%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（4）35號鐵鋅礦體

分布于8～14線之間，為盲礦體，礦體賦存于石榴石矽卡巖中，走向30°左右，傾向北西，傾角67～78°，平均75°，礦體呈脈狀產(chǎn)出。地下深部由段高約20m的3個中段控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1138m 中段：由8 個穿脈控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度16.39～48.30m，平均39.32m；TFe 品位25.17～26.75%，平均品位25.57%；Zn 品位4.79～6.71%，平均品位5.81%。

1118m 中段：由7 個穿脈控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度15.45～36.70m，平均29.94m；TFe 品位25.30～31.39%，平均品位27.25%；Zn 品位5.14～6.36%，平均品位5.73%。

1098m 中段：由7 個穿脈控制，控制礦體長度200m，控制礦體真厚度7.73～37.28m，平均23.84m；TFe 品位25.75～28.48%，平均品位26.94%；Zn 品位5.05～6.60%，平均品位5.48%。

35 號礦體延長210m，延深105m。厚度7.73～48.30m，平均31.03m，變化系數(shù)83.66%，TFe品位25.17～31.39%，平均品位26.65%，品位變化系數(shù)45.67%；Zn品位4.79～6.71%，平均品位5.78%，品位變化系數(shù)36.88%；礦體形態(tài)復雜，厚度較穩(wěn)定，有用組分均勻。

3 有限元分析

選取塌陷坑最危險的剖面作為本次研究的主要剖面，剖面見圖1 所示。采用的力學參數(shù)見表1 所示。利用phase2 計算軟件模擬了剖面的應力、位移、剪應變及邊坡拉剪破壞區(qū)域分布[7-9]，見圖2～圖3。并進一步計算了在不同折減系數(shù)下的邊坡最大剪應變，見圖4～圖6。

（1）應力分析：通過剖面模型的主應力等值線分布圖（圖2）可知：邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大，越接近坡面主應力值越小，其方向從坡體深部的垂直方向，逐漸轉(zhuǎn)為淺部的順坡方向，且在坡體的下部受開采臺階的影響，其應力的擾動狀態(tài)較大。

（2）位移分析：剖面模型開挖坡體的位移主要是向塌陷坑臨空面移動（圖3），最大位移值為0.60m。

（3）塑性破壞區(qū)分析：剖面模型坡體的塑性破壞區(qū)主要為拉應力和剪切破壞區(qū)（圖4）。拉應力破壞區(qū)主要分布在坡頂和第四系層面；剪切破壞區(qū)主要分布在風化帶面附近、塌陷坑底和坡頂。

圖1 工程地質(zhì)剖面

圖2 剖面模型的應力分布圖

圖3 剖面模型的位移矢量分布圖

圖4 剖面模型的拉剪破壞區(qū)域圖

圖5 剖面模型F=1.0時最大剪應變分布圖

圖6 剖面模型F=1.20時最大剪應變分布圖

圖7 P1剖面模型F=1.22時最大剪應變分布圖

（4）安全系數(shù)：強度折減法計算的安全系數(shù)為F=1.20，比極限平衡的分析結(jié)果（F=1.181）稍大，顯示的滑面位置基本相同，符合一般規(guī)律，結(jié)果可靠。

（5）滑坡機理分析：圖5～圖7為剖面模型強度折減法計算安全系數(shù)的過程，從強度折減系數(shù)F取值為1.0、1.20和1.22的情況下計算出邊坡內(nèi)最大剪應變和剪切破壞區(qū)的發(fā)展趨勢來看，初始階段坡腳范圍存在剪切破壞區(qū)，隨著折減系數(shù)的增大（1.0～1.20），剪切破壞區(qū)向上發(fā)展。當折減系數(shù)增大至1.20～1.22 時，坡底剪切破壞區(qū)繼續(xù)向上發(fā)展，邊坡產(chǎn)生整體破壞。

4 結(jié)論

為了得到礦山塌陷坑陡傾斜邊坡穩(wěn)定性情況，采用phase 2 有限元分析軟件分析模擬了邊坡穩(wěn)定性。得到了以下幾點結(jié)論：

（1）邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大，越接近坡面主應力值越?。?/p>

（2）通過二維有限元分析邊坡位移較大，有失穩(wěn)的可能；

（3）分析結(jié)果顯示塌陷區(qū)邊坡上部凸起部位是目前滑塌產(chǎn)生的主要位置。