采空區(qū)充水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究

樊赟赟，董志圣，張 放

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院； 2.蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司沈陽(yáng)分公司)

引 言

礦產(chǎn)既是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要資源，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。地下采空區(qū)一直是影響礦山安全開采的重要因素之一，其在充水條件下極可能會(huì)引發(fā)邊坡失穩(wěn)事故，進(jìn)而嚴(yán)重威脅礦山人員和設(shè)施的安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的相關(guān)問題進(jìn)行了卓有成效的探索，為保障礦山生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)安全作出了貢獻(xiàn)。

董慧明[1]結(jié)合力學(xué)理論研究了含采空區(qū)邊坡的滑動(dòng)模式及滑動(dòng)機(jī)理。劉欣欣等[2]通過新的DDD(非連續(xù)變形與位移分析)離心加載法對(duì)含采空區(qū)邊坡的滑移機(jī)理進(jìn)行研究分析。李世俊等[3]基于離心模型試驗(yàn)得到開采過程中邊坡位移場(chǎng)，并與數(shù)值模擬結(jié)合研究了包含采空區(qū)邊坡的漸進(jìn)破壞過程及破壞模式。萬文[4]提出計(jì)算復(fù)雜邊坡更具優(yōu)勢(shì)的改進(jìn)遺傳算法，通過Matlab編寫滑動(dòng)面搜索程序，對(duì)含采空區(qū)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)行搜索并計(jì)算其安全系數(shù)。龔聲武等[5]研究了地下老采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。江學(xué)良等[6]通過SURPAC建立三維采場(chǎng)地質(zhì)模型，對(duì)采空區(qū)與露天邊坡之間的相互影響進(jìn)行研究。李同鵬等[7]對(duì)不同采空區(qū)跨度與邊坡滑動(dòng)面和安全系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究。畢鈺璋等[8]利用PFC2D構(gòu)建二維邊坡模型，對(duì)不同采空區(qū)高度導(dǎo)致的滑坡堆積結(jié)果與周邊結(jié)構(gòu)體之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析。柴紅保等[9]基于強(qiáng)度折減法研究了不同采空區(qū)分布位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。賴秀英等[10]分析了不同釆空區(qū)走向?qū)β短斓V邊坡穩(wěn)定性的影響。許名標(biāo)等[11]研究分析了含采空區(qū)邊坡安全系數(shù)與采空區(qū)跨度、位置、雙層采空區(qū)三者間的變化關(guān)系。胡建軍等[12]研究了地下采空區(qū)群對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響。FREIDIN等[13]利用有限元法模擬采空區(qū)頂板的受力狀態(tài)來分析采空區(qū)的穩(wěn)定性，得到安全的采空區(qū)頂板暴露范圍。王軍等[14]研究了采空區(qū)頂板的安全厚度和采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。解聯(lián)庫(kù)等[15]依據(jù)采空區(qū)形態(tài)、圍巖特性及力學(xué)參數(shù)并結(jié)合露天采場(chǎng)的開采技術(shù)條件，提出了一種確定采空區(qū)頂板安全厚度的綜合判別法。GUI等[16]以中國(guó)礦山采空區(qū)水災(zāi)害案例為基礎(chǔ)，提出了采空區(qū)水治理的理論和技術(shù)體系。馮志樓等[17]考慮地下采空區(qū)、地下水對(duì)露天邊坡的影響，研究邊坡的變形特征。TAO等[18]提出了一種在露天礦山臺(tái)階施工過程中對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填的前處理工藝。尚振華等[19]結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)中概率的基本原理,以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)引入采空區(qū)破壞概率概念，將采空區(qū)穩(wěn)定性問題量化。ZHAO等[20]引入層次分析法和TOPSIS(優(yōu)劣解距離法)方法，建立了存在采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型。

在礦山開采中，礦山地下采空區(qū)很可能處于充水狀態(tài)，然而目前關(guān)于采空區(qū)充水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究仍不夠深入。本文以某含充水采空區(qū)的露天邊坡為工程背景，利用Flac3D軟件研究采空區(qū)充水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某大型露天鐵礦主要出露太古界鞍山群、元古界遼河群、新生界第四系地層及一些中基性巖脈。遼河群覆蓋于鞍山群之上，產(chǎn)狀與鞍山群基本一致，在鞍山群和遼河群之上覆蓋第四系坡積、殘積和沖積層。

礦區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水，其次為山丘基巖裂隙水和第四系孔隙水，另外在近河地段還有隨季節(jié)變化的河水補(bǔ)給。地下水以徑流形式排泄，其流向與地形坡度基本一致。調(diào)查表明，在厚大鐵礦體中賦存著以透鏡狀、似層狀、脈狀不連續(xù)分布的富礦體。所形成的采空區(qū)多為開采富礦體所致。同時(shí)，在礦體兩側(cè)存在斷裂構(gòu)造，斷裂構(gòu)造可能是地下水穩(wěn)定補(bǔ)給的導(dǎo)水構(gòu)造，且與采空區(qū)連通。采空區(qū)多年間貯存了第四系沖洪積孔隙含水、殘坡積孔隙含水、基巖構(gòu)造裂隙水，以及地面徑流的匯水。充水采空區(qū)對(duì)擴(kuò)幫開采作業(yè)造成了安全隱患，因而有必要進(jìn)行充水采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析。

2 數(shù)值模型與邊界條件

依據(jù)地質(zhì)剖面資料和采空區(qū)的物探信息，基于Flac3D軟件建立含采空區(qū)的邊坡有限元模型(如圖1所示)，并按地層巖性分布將模型分為7種材料分組(如圖2所示)。所建立的模型長(zhǎng)1 830 m，高510 m，邊坡角約32°，模型包含6 580個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 641個(gè)單元。為便于比較分析，選擇采空區(qū)周圍的6個(gè)節(jié)點(diǎn)(a、b、c、d、e、f)及邊坡坡肩的2個(gè)節(jié)點(diǎn)(g、h)作為參考監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖1所示)。

圖1 邊坡數(shù)值模型示意圖

圖2 邊坡材料分區(qū)圖

參考礦山地質(zhì)勘查報(bào)告選取各地層巖體的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 地層巖體的物理力學(xué)參數(shù)

為便于比較分析，設(shè)置3種工況分析充水采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，其中Case-A1為無采空區(qū)工況，Case-A2為有采空區(qū)但未充水工況，而Case-A3為采空區(qū)中全充水工況。參考現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，3種工況對(duì)應(yīng)的邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 數(shù)值計(jì)算邊界條件

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡滲流場(chǎng)

為研究充水采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，首先計(jì)算Case-A1、Case-A2、Case-A3 3種工況邊坡的滲流場(chǎng)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：由于所探得采空區(qū)的位置略高于地下水浸潤(rùn)線，采空區(qū)的存在對(duì)滲流場(chǎng)的影響比較有限，但若采空區(qū)通過各滲流通道充水，則會(huì)使局部滲流場(chǎng)發(fā)生明顯的改變，引起局部水頭的提高，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖3 滲流水頭分布圖

3.2 邊坡穩(wěn)定性

在滲流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，將所得的滲透力以節(jié)點(diǎn)力的形式施加到離散的節(jié)點(diǎn)上，從而利用Flac3D軟件得到了在不同滲流條件下的邊坡等效應(yīng)力分布圖，如圖4所示。

圖4 不同滲流條件下的邊坡等效應(yīng)力云圖

通過分析各工況條件下的邊坡等效應(yīng)力云圖可知：與無采空區(qū)工況相比，采空區(qū)的存在對(duì)邊坡局部應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了影響。當(dāng)采空區(qū)存在時(shí)，采空區(qū)周圍的應(yīng)力明顯增大，且出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這說明地下采空區(qū)的存在對(duì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)有較大影響。在采空區(qū)充水時(shí)，采空區(qū)附近的等效應(yīng)力進(jìn)一步增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，這說明采空區(qū)充水對(duì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)有較大的影響。

為查明采空區(qū)及其充水情況對(duì)邊坡應(yīng)力分布的影響，對(duì)圖1采空區(qū)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 采空區(qū)位置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力對(duì)比圖

由圖5可知：Case-A1、Case-A2、Case-A3這3種工況下采空區(qū)位置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力均發(fā)生了顯著的變化。幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力類似的變化規(guī)律表明，采空區(qū)會(huì)使局部的應(yīng)力集中，而采空區(qū)充水則會(huì)使采空區(qū)周圍的應(yīng)力進(jìn)一步提高。這意味著采空區(qū)的存在及其充水狀態(tài)的變化都會(huì)引起局部應(yīng)力場(chǎng)的顯著改變，其后果可能會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低及潛在滑動(dòng)面發(fā)生變化。各工況條件下邊坡的位移和在強(qiáng)度折減條件下的滑移面分別如圖6和圖7 所示。

圖6 邊坡位移場(chǎng)分布圖

1—太古代花崗巖 2—綠泥石英巖 3—云母石英巖4—混合巖 5—磁鐵貧礦 6—假象赤鐵貧礦 7—極貧礦圖7 Case-A1、A2、A3滑移面對(duì)比圖

由圖6可知：如前述分析，采空區(qū)的存在及充水狀態(tài)的改變使邊坡的位移場(chǎng)發(fā)生了明顯的改變。采空區(qū)的存在使邊坡的最大位移增大，位移場(chǎng)的分布受采空區(qū)的影響較大，而在采空區(qū)完全充水條件下，邊坡的位移又相較采空區(qū)無水情況進(jìn)一步增加。從圖7 所示的滑移面對(duì)比圖可以看出：在采空區(qū)及其內(nèi)充水的影響下，邊坡可能的滑移面也發(fā)生了明顯改變，滑移面經(jīng)過采空區(qū)的下緣被采空區(qū)位置所控制，當(dāng)采空區(qū)充水時(shí)，滑移面仍受采空區(qū)控制，相比采空區(qū)無水情況滑移面的體積有所增加。

為進(jìn)一步考察采空區(qū)充水程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)不同充水程度條件下的邊坡進(jìn)行基于強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定性計(jì)算，得到如表3和圖8(為便于比較分析，圖8所示曲線為各工況的安全系數(shù)Fs與無采空區(qū)Case-A1工況安全系數(shù)Fs′的比值)所示的不同充水程度條件下的邊坡安全系數(shù)，以及如圖9所示的不同充水程度條件下的邊坡關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線。

表3 不同充水程度條件下的邊坡安全系數(shù)

圖8 采空區(qū)不同充水程度條件下的Fs/Fs′曲線

圖9 不同充水程度條件下的邊坡關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線

從表3和圖8所示安全系數(shù)的變化可以看出，在無采空區(qū)條件下邊坡安全系數(shù)達(dá)到了1.34，處于穩(wěn)定狀態(tài)。而采空區(qū)的存在使安全系數(shù)降低了12 %，達(dá)到了1.18。而充水條件下邊坡的安全系數(shù)隨充水程度的增加而減小，在采空區(qū)充滿水(充水程度為100 %)時(shí)，邊坡的安全系數(shù)僅為1.02，相比未充水條件下的安全系數(shù)下降了14 %。從圖9所示的邊坡關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨充水程度的變化曲線可以看出，采空區(qū)兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(b、e)的位移明顯大于坡肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)(g、h)的位移。隨著采空區(qū)充水程度的增加，在滲透水壓的作用下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移逐漸增大，當(dāng)采空區(qū)充滿水(充水程度為100 %)時(shí)，采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)b的最大位移達(dá)到了8.27 cm，與采空區(qū)未充水時(shí)相比，位移增幅達(dá)到了86 %。可見采空區(qū)及其充水程度將會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生極大的影響。由于地層的復(fù)雜分布及邊坡形態(tài)的不規(guī)則性，安全系數(shù)隨充水程度的變化并非呈線性變化。這說明必須重視結(jié)合實(shí)際工程的數(shù)值分析，以此得到采空區(qū)及其充水狀態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)曲線以供廠礦企業(yè)參考。由于在礦山的開采過程中，采空區(qū)充水將使得露天邊坡更易失穩(wěn)破壞，為保證礦山持續(xù)安全高效開采，在探明采空區(qū)的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取有效的措施降低采空區(qū)內(nèi)水頭，將采空區(qū)中的貯水及時(shí)排出。

4 結(jié) 論

本文以某含充水采空區(qū)露天邊坡為例，通過邊坡滲流及穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析，研究了采空區(qū)及其充水程度對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

1)采空區(qū)的存在對(duì)露天邊坡有著非常顯著的影響。采空區(qū)的存在改變了邊坡局部的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，使采空區(qū)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，并使邊坡的位移增加，安全系數(shù)降低。同時(shí)，采空區(qū)還是控制潛在滑移面形態(tài)的重要因素，使?jié)撛诨泼姘l(fā)生改變。

2)采空區(qū)的充水程度對(duì)露天邊坡也有著顯著的影響。采空區(qū)充水程度的增加會(huì)引起局部水頭的提高，進(jìn)而加劇采空區(qū)局部的應(yīng)力集中，使邊坡的位移增加，安全系數(shù)降低。邊坡安全系數(shù)和位移隨充水程度的變化是非線性的，因此應(yīng)將實(shí)際工程與數(shù)值計(jì)算結(jié)合加以分析。

3)鑒于采空區(qū)及其充水程度對(duì)露天邊坡的重要影響，為保證礦山持續(xù)高效的開采，在探明采空區(qū)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采取有效的措施將采空區(qū)中的水及時(shí)排出，以降低采空區(qū)內(nèi)水頭，保障礦山邊坡的安全。