地震和煤礦采動(dòng)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.遼寧交通高等專科學(xué)校，遼寧沈陽，110122;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新，123000;3.遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧錦州，121000)

0 引言

隨著對(duì)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(dòng)作用的影響較大，地震和采動(dòng)耦合作用可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)，因此研究地震和采動(dòng)耦合作用對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在地震對(duì)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(dòng)荷載作用下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性;Kokusho和Tlshizawa(2007)從能量角度研究地震振動(dòng)能量釋放對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及其致災(zāi)機(jī)理;Kazmi等(2014)研究了巴基斯坦克什米爾地震導(dǎo)致斷層活化導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在機(jī)理;程宇等 (2012)研究了地震過程中斷層破裂過程對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，探索了荷載場(chǎng)的變化規(guī)律;孫進(jìn)忠等 (2004)提出了地震荷載作用下邊坡崩塌的三級(jí)評(píng)判思想;黃帥等 (2014)采用轉(zhuǎn)動(dòng)平衡理論研究了地震荷載作用下砂土邊坡內(nèi)部孔隙水壓力對(duì)邊坡位移的影響;馮志仁等 (2014)研究了地震動(dòng)峰值、頻率和初動(dòng)方向?qū)吰聝?nèi)應(yīng)力和位移的影響;李祥龍等 (2014a，b)采用離心機(jī)動(dòng)力試驗(yàn)手段進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析，并研究了結(jié)構(gòu)面對(duì)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(jié)合的方法研究了井工開采對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響。在采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響方面，江學(xué)良等 (2013)利用SURPAC建模，采用FLAC3D探討了采空區(qū)和巖質(zhì)邊坡的相互作用，研究了邊坡的應(yīng)力和位移的分布規(guī)律;柴紅保等 (2010)基于強(qiáng)度折減法，重點(diǎn)研究了采空區(qū)對(duì)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(shí)驗(yàn)，進(jìn)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(yīng)特征。這些研究極大地推進(jìn)了對(duì)邊坡穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí) (孫世國，王群，2014)，但只考慮了地震荷載或采動(dòng)作用單一因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，近年來有學(xué)者研究地震和采動(dòng)耦合作用對(duì)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(dòng)耦合作用對(duì)露天礦邊坡及采空區(qū)的穩(wěn)定性影響的研究未見報(bào)道。

本文將露天礦邊坡及其下伏采空區(qū)視為一個(gè)系統(tǒng)，基于強(qiáng)度折減法的基本計(jì)算理論，采用FLAC3D分析該系統(tǒng)在地震和采動(dòng)荷載耦合作用下露天礦邊坡及其下伏采空區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布規(guī)律，探討煤礦采動(dòng)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(zhuǎn)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(dá)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(jìn)行之中，煤礦采空區(qū)范圍仍然在不斷擴(kuò)大。

1.2 強(qiáng)度折減法的基本計(jì)算原理

邊坡的穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法即對(duì)邊坡巖體的抗剪參數(shù)進(jìn)行折減，當(dāng)達(dá)到邊坡的極限平衡狀態(tài)時(shí)，折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù) (柴紅保等，2010)，其計(jì)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(shí)的粘聚力 (單位:MPa);c'為邊坡巖體折減至極限平衡狀態(tài)時(shí)的粘聚力 (單位:MPa);φ為邊坡未經(jīng)折減狀態(tài)時(shí)的內(nèi)摩擦角 (單位:°);φ'為邊坡巖體折減至極限平衡狀態(tài)時(shí)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(gè)采空區(qū)長(zhǎng)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(jì)算模型如圖1所示;假設(shè)露天礦邊坡巖體為滿足Mohr-Column屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型，則該巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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

基于強(qiáng)度折減法的基本理論，將露天礦邊坡巖體的抗剪參數(shù)進(jìn)行折減后，此時(shí)達(dá)到巖體的極限平衡狀態(tài)，此時(shí)露天礦邊坡沒有進(jìn)行開采時(shí)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(chǔ)備理想，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)對(duì)露天礦邊坡中的煤層進(jìn)行開采后，所形成的兩個(gè)采空區(qū)內(nèi)部可以視為松散層，對(duì)其進(jìn)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(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2 地震與煤礦采動(dòng)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(jì)算分析

為了保證在分析地震和煤礦采動(dòng)耦合作用下的邊坡穩(wěn)定性時(shí)的數(shù)值結(jié)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(duì)邊坡的重復(fù)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(jì)算結(jié)果的可靠性和良好的對(duì)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(shí)程曲線。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)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(duì)地震與煤礦采動(dòng)作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)分析進(jìn)行了重點(diǎn)分析，在對(duì)露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算完成后，重點(diǎn)研究了露天礦邊坡及采空區(qū)X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)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(dòng)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(yīng)力 (由于露天礦邊坡巖石已經(jīng)風(fēng)化，其抗拉強(qiáng)度較低，在拉應(yīng)力作用下會(huì)巖石出現(xiàn)局部拉裂，由此導(dǎo)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(yīng)力 (露天礦邊坡右側(cè)采空區(qū)頂板和底板在壓應(yīng)力的作用下，可能頂板冒落、底板鼓起的破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，采空區(qū)會(huì)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(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，此時(shí)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(dòng)力破壞現(xiàn)象。

2.3 位移場(chǎng)分析

在分析露天礦邊坡及采空區(qū)X、Y、Z三個(gè)方向的地震動(dòng)力應(yīng)力場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，需要對(duì)其所產(chǎn)生的地震動(dòng)力位移響應(yīng)進(jìn)行分析，以此來保證分析結(jié)果的可靠性，所得到的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動(dòng)力位移響應(yīng)如圖4所示。

通過圖4可知:在煤礦采動(dòng)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(yīng)，在邊坡的坡頂出現(xiàn)了0.1 m的向右側(cè)位移響應(yīng)，在露天礦邊坡內(nèi)部的右側(cè)采空區(qū)則出現(xiàn)了0.124 m向左側(cè)的位移響應(yīng)。邊坡的表面位移響應(yīng)與內(nèi)部采空區(qū)的位移響應(yīng)的不一致導(dǎo)致露天礦的巖體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)，巖層容易被拉斷而出現(xiàn)裂縫，一旦內(nèi)外部的裂隙貫通則露天礦邊坡及采空區(qū)會(huì)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(dòng)力位移響應(yīng)的峰值位移為0.5 m，此時(shí)頂板極易產(chǎn)生冒落垮塌現(xiàn)象，由于位移響應(yīng)過大采空區(qū)的沉陷變形會(huì)波及地表，導(dǎo)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(yīng)為0.2 m，說明此時(shí)巷道底板的底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)底鼓的原因是煤層開采后巖石內(nèi)力發(fā)生應(yīng)力重分布，產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象所產(chǎn)生的，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，巷道的頂板坍塌和底板鼓起現(xiàn)象加劇說明了煤礦采動(dòng)損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)巷道的地震動(dòng)力穩(wěn)定性極差，需要采取相應(yīng)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(dòng)荷載作用下巖層的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)以及破壞程度 (李祥龍等，2014)，在分析地震與煤礦采動(dòng)作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，為了更為直觀的分析露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動(dòng)力破壞特征，需要對(duì)其塑性區(qū)分布形態(tài)進(jìn)行分析研究，地震與煤礦采動(dòng)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(dòng)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(nèi)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(dòng)力破壞屬于剪切破壞和拉伸破壞共同作用的結(jié)果，在地震荷載的反復(fù)作用下，巖層需要承受擾動(dòng)荷載剪切和拉伸的反復(fù)作用，一旦超過巖層的抗拉(壓)強(qiáng)度，微觀上巖層會(huì)出現(xiàn)斷裂破壞，對(duì)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(dòng)作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn)，煤礦采動(dòng)損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動(dòng)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(yīng)力集中現(xiàn)象、峰值位移響應(yīng)和塑性區(qū)分布均集中出現(xiàn)在露天礦邊坡內(nèi)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(dòng)荷載的強(qiáng)度過大，兩個(gè)采空區(qū)之間的煤柱會(huì)發(fā)生沖擊剪切破壞，產(chǎn)生壓碎失穩(wěn)現(xiàn)象，此時(shí)采空區(qū)的冒落現(xiàn)象會(huì)迅速貫通至地表，導(dǎo)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(dòng)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(dòng)，形成大面積的崩塌，分析其機(jī)理主要是由于采空區(qū)成為了巖體中的弱面，導(dǎo)致邊坡在地震作用下上方巖體破碎崩塌。

3 結(jié)論

通過對(duì)遼寧阜新排山樓露天礦開采轉(zhuǎn)為井工開采實(shí)際情況的有限元數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到如下結(jié)論:

(1)該露天礦邊坡未經(jīng)采動(dòng)時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.21，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，采動(dòng)后邊坡安全系數(shù)降為1.12，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，單獨(dú)的采動(dòng)作用不會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

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

(3)綜合地震與煤礦采動(dòng)作用下露天礦邊坡及采空區(qū)的的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn):煤礦采動(dòng)損害影響下的露天礦邊坡及采空區(qū)的地震動(dòng)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(duì)災(zāi)害沖擊荷載的破壞作用采取相應(yīng)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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