地下采礦引起山體滑坡發(fā)展過程數(shù)值模擬研究①

亓文斌，劉會(huì)林，王飛飛，孟中華，田春艷

（1．滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 滄州061001；2．洛陽豐瑞氟業(yè)有限公司，河南 洛陽471500；3．長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012）

隨著礦山開采等工程建設(shè)強(qiáng)度增加和規(guī)模日益擴(kuò)大，其引起的地表塌陷、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害越來越受到研究者的關(guān)注［1－2］，也有了諸多的研究成果［3－9］。為了研究地下采礦引起山體滑坡發(fā)展過程，本文以某金屬礦山地下開采引起的山體滑坡為研究背景，采用數(shù)值模擬建立含地下礦體、巖層、山體等實(shí)體模型，模擬井下礦體的開采過程，重現(xiàn)了山體變形滑坡，將數(shù)值模擬結(jié)果與滑坡現(xiàn)狀對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，并預(yù)測(cè)了今后山體滑波發(fā)展過程。研究結(jié)果可為礦山滑坡治理提供參考。

1 概 況

1．1 地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)出露的地層有震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd）、下寒武統(tǒng)筇竹寺組、滄浪鋪組和龍王廟組，此外還有第四系殘坡積層。其中震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd）分布于礦區(qū)東、南、北、中部，根據(jù)巖性差異，可將其分為8大層、13小層。其中Zbd5、Zbd6、Zbd7、Zbd8層為礦區(qū)含礦層。

礦床位于橫切向斜東翼南東段以F1和F15為邊界的地塹式斷塊構(gòu)造中。該斷塊走向北西，長(zhǎng)15～20 km、寬150～600 m，傾斜延深到基底變質(zhì)巖系中，是東西向褶皺基底斷裂的繼承和發(fā)展。地塹中斷裂裂隙發(fā)育，是礦區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)、容礦構(gòu)造。

1．2 生產(chǎn)概況

該礦區(qū)井下開采為平硐-斜坡道-溜井開拓，開采對(duì)象為4～23線1 884 m水平以上1號(hào)礦體的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦段。中段高度60 m，具體劃分為2 124 m、2 064 m、2 004 m、1 944 m和1 884 m共5個(gè)中段，采用底柱分段崩落法開采。

目前，礦山采礦在2004、1992及1980水平，以2004與1992為主要采礦水平。2004水平以上基本開采完畢，2004中段剩余極少部分低品位礦體，1944中段和1884中段還剩余少部分礦體，其他中段均已開采完畢。1944水平17－19線采用充填法回采了部分高品位礦石，1932水平脈外巷及穿脈施工結(jié)束，17－19線施工了部分鑿巖巷，1920水平正在施工脈外巷及穿脈。井下開采現(xiàn)狀見圖1。

圖1 井下開采現(xiàn)狀

1．3 山體滑坡現(xiàn)狀

井下采用底柱分段崩落法開采礦體，導(dǎo)致礦體上覆巖層不斷崩落。在井下礦體開采擾動(dòng)下，上覆巖層有新的裂隙不斷形成再發(fā)展，目前裂縫已發(fā)展至地表，且裂縫寬度逐漸擴(kuò)大，裂縫附近的山體出現(xiàn)了破碎巖體垮塌滑坡。在下伏采空區(qū)不斷發(fā)展的影響下，上覆巖層不斷崩落至地表，導(dǎo)致地表塌陷、山體垮塌、滑坡災(zāi)害。

目前，山體滑坡正處于發(fā)展過程，山體斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其近3年，斜坡垮塌非常嚴(yán)重，山頂表土和黃泥受雨水沖刷，大量進(jìn)入露天坑，露天坑底由原來1968水平堆積至1980水平以上。

2 數(shù)值模擬

2．1 計(jì)算模型

基于具有強(qiáng)大的前處理功能Rhino（犀牛）專業(yè)3D造型軟件，F(xiàn)LAC3D具有強(qiáng)大的后處理功能，利用kubrix和griddle對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體及工程結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，建立了包含礦山原始地形、井下礦體及各種圍巖體的FLAC3D數(shù)值分析的三維模型，見圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

數(shù)值模擬建立的模型是屬于從大地整體結(jié)構(gòu)中截取出來的塊體。為了使截取出來的塊體與處于原位狀態(tài)具有一致的條件，需要對(duì)塊體邊界進(jìn)行處理［10］。開展了邊界條件對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響的研究，得到了“數(shù)值模型長(zhǎng)、寬度大于3～5倍的所研究結(jié)構(gòu)體（礦體）時(shí)，邊界對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響較小”的結(jié)論。依據(jù)學(xué)者研究成果，選取長(zhǎng)（X向）1 152．43 m、寬（Y向）886．88 m、高（Z向）395．65～1 065．10 m（地表高低起伏較大）。礦體水平方向上長(zhǎng)度300～450 m，滿足邊界條件要求。

在數(shù)值模型中，限制邊界條件和自由面，在地理坐標(biāo)X＝34 585 600．00 m與34 586 752．43 m平面上所有節(jié)點(diǎn)在X方向固定，即滑動(dòng)鉸支座。在地理坐標(biāo)Y＝2 946 600．00 m與2 947 486．88 m平面上所有節(jié)點(diǎn)在Y方向固定，即滑動(dòng)鉸支座。Z＝1 334．35 m平面上所有節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z方向上固定，即固定鉸支座。地表為自由面。三維數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

2．2 計(jì)算參數(shù)

采用室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得了不同巖性的巖石力學(xué)參數(shù)，經(jīng)過工程折減后獲得了巖體力學(xué)參數(shù)，三維模型計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

通過礦山實(shí)際現(xiàn)狀驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，在現(xiàn)狀條件下，礦山的地壓顯現(xiàn)集中區(qū)域與數(shù)值模擬得到的最大應(yīng)力分布區(qū)域基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。數(shù)值模擬的步驟為：①模擬礦體開采前的地應(yīng)力平衡；②模擬山體滑坡之前各水平礦體開采；③模擬今后各水平礦體開采。

3 結(jié)果分析

3．1 模型豎直方向位移分析

為了研究井下礦體開采對(duì)上覆巖層的影響，模擬了開采的2064水平、2046水平、2004水平、1980水平、1968水平、1956水平、1944水平、1920水平、1908水平、1896水平與1884水平礦體，對(duì)模擬開采后的地表豎直方向位移進(jìn)行提取，得到了地表產(chǎn)生的最大豎直方向位移云圖與具體位移值。因云圖過多，這里僅展示1884水平開采后的地表豎直方向位移，如圖3所示。模擬井下礦體開采全過程得到的地表最大豎直方向位移見表2。由圖3可知，在礦山開采最后的1884水平后，地表會(huì)出現(xiàn)較大范圍塌陷，且影響到北部與南部山體。根據(jù)目前現(xiàn)狀可以預(yù)計(jì)，今后山體滑坡繼續(xù)發(fā)展會(huì)形成圖3所示的結(jié)果。

圖3 1884水平開采后的地表豎直方向位移

表2 地表豎直方向位移

由表2可知，開采2004水平后，豎直方向位移8．72 m，表明山體處于滑坡階段，與礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

由表2可知，隨著礦體開采水平向深部發(fā)展，豎直方向位移逐漸增大，在整個(gè)地表豎直方向位移發(fā)展過程中，存在3個(gè)突變點(diǎn)，分別在2046水平、1968水平和1896水平。3個(gè)突變點(diǎn)將地表豎直方向產(chǎn)生滑坡到地表塌陷分為4個(gè)發(fā)展階段，分別為巖層變形初期、地表出現(xiàn)滑坡、地表出現(xiàn)陷落孔洞和地表塌陷。地表首先出現(xiàn)變形開裂，進(jìn)一步出現(xiàn)滑坡，最后地表塌陷。對(duì)應(yīng)目前現(xiàn)狀，礦山山體出現(xiàn)局部滑坡，正處于第二階段。可以預(yù)測(cè)，開采1968水平時(shí)地表會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)較大滑坡或塌陷。豎直方向上最大位移20．40 m、最小位移0．063 m，分別對(duì)應(yīng)礦體開采最后與最初階段。

在巖層變形初期，因2064水平礦體開采后上覆巖層部分垮塌冒落，同時(shí)受到擾動(dòng)，產(chǎn)生裂隙，形成的空區(qū)上覆巖層開始逐漸變形。

空區(qū)上覆巖層中的裂隙，在開采礦體時(shí)受到多次擾動(dòng)，且在水的作用下，巖體裂隙不斷發(fā)展貫通，空區(qū)上覆巖層逐漸冒落，局部位置冒落至地表，造成地表局部位置沉降，在地表形成滑坡。

地表形成滑坡后，空區(qū)上覆巖層在開采擾動(dòng)與水的不斷作用下，繼續(xù)垮塌冒落，多處冒落至地表，在地表形成多處陷落孔洞。此階段山體滑坡繼續(xù)發(fā)展，且滑坡災(zāi)害愈演愈烈。

空區(qū)上覆巖層多處垮塌冒落至地表后，上覆巖層很難自穩(wěn)，在井下不斷開采擾動(dòng)影響下，造成地表出現(xiàn)塌陷。

3．2 模型水平方向位移分析

為了研究井下礦體開采對(duì)上覆巖層的影響，模擬了各水平礦體被開采的過程，對(duì)模擬開采后的地表水平方向位移進(jìn)行提取，得到了地表產(chǎn)生的最大水平方向位移云圖與具體位移值。2064水平開采后的地表水平方向位移如圖4所示，其他開采水平地表最大水平方向位移見表3。

圖4 2064水平開采后的地表水平方向位移

表3 地表水平方向位移

由表3可知，開采2004水平后，水平方向位移1．02 m，表明山體處于滑坡階段，與礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符合。進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

對(duì)照表2和表3可知，地表水平方向位移比豎直方向小。水平方向位移整體發(fā)展趨勢(shì)與豎直方向基本一致，同樣存在3個(gè)突變點(diǎn)，整體可以劃分為4個(gè)階段。第1個(gè)突變點(diǎn)是空區(qū)上覆巖層變形到地表產(chǎn)生滑坡的突變；第2個(gè)突變點(diǎn)是地表滑坡到地表局部垮塌產(chǎn)生孔洞；第3個(gè)突變點(diǎn)是地表滑坡局部坍塌到地表大面積垮塌沉降。水平方向上最大位移10．53 m，最小位移0．027 m，分別對(duì)應(yīng)礦體開采最后與最初階段。

4 滑坡防治措施

滑坡常用的防治措施有排水、削坡減載、擋墻、抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)與新型支擋結(jié)構(gòu)等［11］。該礦山滑坡根本原因是井下礦體開采引起上覆巖層垮塌冒落，導(dǎo)致地表滑坡。從根本上解決滑坡問題，可采用充填法開采礦體，充填體材料可充分利用礦山廢石，同時(shí)結(jié)合噴混凝土護(hù)面或掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土對(duì)滑坡表面進(jìn)行治理［12］。

采用FLAC3D模擬了采用充填體材料充填井下采空區(qū)后地表滑坡的情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 充填后的地表位移

由圖5可知，采用充填體材料對(duì)開采后的采空區(qū)進(jìn)行充填后，能有效控制上覆巖層變形，預(yù)防了巖層變形，進(jìn)一步控制了地表滑坡的形成與發(fā)展。

5 結(jié) 論

為了研究地下采礦引起山體滑坡發(fā)展過程，以某金屬礦山地下開采引起山體滑坡為研究背景，模擬了井下礦體的開采過程，重現(xiàn)了山體變形滑坡，并由數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測(cè)了山體今后發(fā)展過程，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）豎直方向和水平方向位移表明山體處于滑坡階段，與礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

2）隨著礦體開采水平向深部發(fā)展，豎直方向位移逐漸增大，在整個(gè)地表豎直方向位移發(fā)展過程中存在3個(gè)突變點(diǎn)，地表豎直方向位移發(fā)展氛圍4個(gè)階段，分別為巖層變形初期、地表出現(xiàn)滑坡、地表出現(xiàn)陷落孔洞和地表塌陷。

3）采用充填體材料對(duì)開采后的采空區(qū)進(jìn)行充填后，能有效控制上覆巖層變形，預(yù)防了巖層變形，進(jìn)一步控制了地表滑坡的形成與發(fā)展。