地下采礦誘發(fā)自然水體崩滑的研究現(xiàn)狀與分析

地下采礦誘發(fā)自然水體崩滑的研究現(xiàn)狀與分析

1地下開采誘發(fā)山體崩滑災(zāi)害發(fā)生機制滑動災(zāi)害一直是人類生命和財產(chǎn)安全的主要災(zāi)難之一。隨著人類地下工程活動的日益頻繁,由地下采掘誘發(fā)的山區(qū)崩滑地質(zhì)災(zāi)害也日漸增多,且造成了大量的人員傷亡與財產(chǎn)損失(見表1)。1903年4月29日,加拿大Alberta省發(fā)生Frank滑坡,總體積約3×107m3,滑坡體掩埋了坡下Frank鎮(zhèn)的3/4,導(dǎo)致76人死亡。調(diào)查表明:不利的地質(zhì)條件是滑坡的內(nèi)在因素,而大規(guī)模地下采煤是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的直接觸發(fā)因素。1980年6月3日,湖北宜昌鹽池河磷礦區(qū)發(fā)生大規(guī)模災(zāi)難性山體崩塌,總體積約1×106m3,摧毀了該礦整個工業(yè)廣場及民用建筑物,造成284人死亡,研究發(fā)現(xiàn),地下采掘是導(dǎo)致此次大規(guī)模滑坡的主要原因。2009年6月5日,重慶武隆雞尾山發(fā)生大規(guī)模崩滑——碎屑流,導(dǎo)致74人死亡,8人受傷的重大災(zāi)難,調(diào)查發(fā)現(xiàn),崩滑體下部同樣存在著地下采煤情況,且采空區(qū)面積已超過5×104m。地下采掘誘發(fā)的崩滑地質(zhì)災(zāi)害不僅會直接損毀地下和地表的建筑工程設(shè)施,導(dǎo)致人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失,而且還會誘發(fā)泥石流、堰塞湖、生態(tài)環(huán)境惡化等其他次生地質(zhì)災(zāi)害,造成更大的損失。研究地下采掘誘發(fā)山體崩滑災(zāi)害的發(fā)生機制問題意義十分重大且迫在眉睫。針對此問題,一些學者做了大量深入的研究:D.B.Jones等采用物理模擬和數(shù)值模擬的方法對南威爾士淺表層滑坡進行了研究,認為由于礦體采空,采空范圍內(nèi)頂板產(chǎn)生拉應(yīng)力,使層面和節(jié)理裂隙等弱結(jié)構(gòu)面擴展,導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低了66%;孫玉科和姚寶魁對宜昌鹽池河山崩進行了分析,認為鹽池河山崩與地下磷礦層的采掘有關(guān);楊忠民和黃國明采用彈塑性有限元方法分析了地下采掘條件下斜坡位移場和應(yīng)力場的變化規(guī)律;許強等分別采用數(shù)值模擬的方法對武隆雞尾山滑坡的發(fā)生機制進行了研究,結(jié)果表明,地下采掘改變了坡體的應(yīng)力環(huán)境,使層狀塊裂巖體產(chǎn)生差異沉降從而引發(fā)失穩(wěn)破壞?？偨Y(jié)已有研究與災(zāi)害實例,認為此類由地下采掘誘發(fā)的崩滑地質(zhì)災(zāi)害多呈現(xiàn)以下特點:地形上坡體多高陡臨空,上陡下緩;巖體介質(zhì)結(jié)構(gòu)方面坡體巖層多軟硬相間,且?guī)r層傾角一般不大;巖體結(jié)構(gòu)方面坡體中多發(fā)育2組高角度相交的陡傾節(jié)理面,與順層面發(fā)育的軟弱層面一起將巖體切割成“積木塊”狀;坡體下部普遍存在持續(xù)的地下采掘活動。這類地質(zhì)條件的斜坡在我國西南山區(qū)分布較廣,且相當一部分坡體下部存在地下采掘活動。采動滑坡的上述特點決定了其災(zāi)害發(fā)生多呈現(xiàn)出規(guī)模大、突發(fā)性強、成災(zāi)模式復(fù)雜、危害嚴重的特性。為進一步加深對地下采掘誘發(fā)滑坡發(fā)生機制的認識,為同類地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供參考,本文以武隆雞尾山滑坡為例,在大量現(xiàn)場工作的基礎(chǔ)上,采用基于連續(xù)介質(zhì)的離散元計算方法,并借助GPU高性能計算技術(shù),建立了雞尾山崩滑的大型三維數(shù)值模型,對地下采掘誘發(fā)山體失穩(wěn)過程進行了精細仿真模擬。再現(xiàn)了坡體在地下采掘作用下的失穩(wěn)破壞過程,并從變形和應(yīng)力的角度對雞尾山崩滑的發(fā)生機制進行了詳細的分析。2雞尾山崩滑體國內(nèi)地質(zhì)特征如圖1所示,武隆雞尾山崩滑體前緣(北側(cè))和右側(cè)(東側(cè))邊界高陡臨空,左側(cè)(西側(cè))和后緣(南側(cè))被2組大型裂縫切割分離,下伏軟弱結(jié)構(gòu)面?；磪^(qū)巖層為單斜構(gòu)造,其傾向與陡崖臨空面走向小角度相交。災(zāi)害發(fā)生時,體積約7×106m3的山體發(fā)生失穩(wěn)滑動,在前方溝谷中形成長約2200m、平均厚度約30m的堆積區(qū),導(dǎo)致嚴重的人員傷亡。雞尾山滑坡體巖層主要為厚層堅硬灰?guī)r,并夾若干軟弱層面,巖體中發(fā)育2組近于正交的陡傾結(jié)構(gòu)面,崩滑體左側(cè)和后緣的2組大型裂縫就沿此2組結(jié)構(gòu)面發(fā)育,與軟弱層面一起把滑源區(qū)巖體切割成“積木塊”狀。坡體下部自20世紀20年代開始就存在持續(xù)的地下采煤活動,自坡體后緣向前緣采掘,近期采掘又剛好位于滑源區(qū)前緣正下方。煤層厚度平均約1.2m,采用房柱式采掘,地下采空區(qū)面積已超過5×104m2。在對武隆雞尾山崩滑體研究的過程中,殷躍平等提出了對山體地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與實際之間的偏差(見表2)。偏差的存在表明這類地質(zhì)條件山體成災(zāi)模式的復(fù)雜性,同時也說明對這類地質(zhì)條件的山體成災(zāi)過程及誘發(fā)因素需進行進一步的研究,特別是強化對地下采掘這一誘發(fā)因素的研究。3根據(jù)武隆雞尾山瀑布三維數(shù)值計算3.1滑坡體密度模型結(jié)合現(xiàn)場工作,并參考許強等的研究選取建模區(qū)域,確定滑坡體和地下采空區(qū)的位置,并做相應(yīng)的簡化,地質(zhì)模型網(wǎng)格如圖2所示。模型南北長1100m,東西寬800m,高690m,巖層產(chǎn)狀345°∠21°。模型共包含157909個單元,采用莫爾–庫侖強度準則(參數(shù)見表3)。為了更好地刻畫山體的自然狀態(tài),滑坡體中不人為劃分前端關(guān)鍵塊體和后緣下滑驅(qū)動塊體。同時,針對實際滑坡體西側(cè)壁和后緣在坡體滑動前已形成的裂縫及前緣的巖溶帶,在模型中分別建立對應(yīng)的塊體進行模擬,對其參數(shù)進行適當調(diào)整。3.2采空區(qū)簡化模型按照實際地下采掘由坡體后緣(南側(cè))向前緣(北側(cè))的采掘順序及相應(yīng)位置,同時考慮到礦房礦柱式的采掘方法,建立對應(yīng)的采空區(qū)簡化模型(面積約50000m2),如圖3所示。為簡化問題的分析,采掘?qū)雍穸葹?m,模擬采掘分4步進行,按圖4所示第1步(A1~A3)→第2步(A4~A6)→第3步(A7~A9)→第4步(A10~A12)順序遞進采掘。為更好地分析地下采掘作用對山體模型的影響,在模型中設(shè)置了若干數(shù)據(jù)記錄點。以下圖中的標號1,2,3,4代表采掘步。3.3材料限元計算基于連續(xù)介質(zhì)離散元方法是中國科學院力學研究所提出的適用于模擬地質(zhì)體非連續(xù)變形及漸進破壞的一種數(shù)值算法。該方法將有限元與離散元進行耦合,在塊體內(nèi)部進行有限元計算,在塊體邊界進行離散元計算,不僅可以模擬材料在連續(xù)狀態(tài)下及非連續(xù)狀態(tài)下的變形、運動特性,更可以實現(xiàn)材料由連續(xù)體到非連續(xù)體的漸進破壞過程。CDEM方法由四面體剛度矩陣來構(gòu)成各種形狀單元的矩陣,采用動態(tài)松弛技術(shù)進行求解,其基本方程為式中:M為節(jié)點質(zhì)量矩陣,a為加速度向量,C為阻尼矩陣,v為速度向量,K為剛度矩陣,u為位移向量,F為節(jié)點受到的外力。由于模型單元數(shù)較多,在計算過程中,利用了GPU加速的計算技術(shù),大大提高了計算效率,縮短了計算時間。4地下采動覆巖中滑坡體變形破壞現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡體滑動面較平整,沒有明顯的垂向錯動、斷裂,說明坡體在地下采掘作用下發(fā)生了整體性的移動變形。臨滑前數(shù)天坡體前緣出現(xiàn)數(shù)千立方米的局部掉塊,說明滑坡體已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)。對處于極限平衡狀態(tài)的滑坡體,任何微小的變形趨勢都有可能導(dǎo)致坡體的失穩(wěn),因此考慮把坡體整體的移動變形趨勢作為判斷坡體穩(wěn)定的主要依據(jù)。圖5再現(xiàn)了滑坡體在地下采掘作用下的變形破壞過程。隨地下采掘面積的增加,崩滑體前緣部分首先出現(xiàn)破壞,并逐漸向坡體后緣發(fā)展,最終形成整體破壞。為細化研究,以下將從變形和應(yīng)力變化2個方面分別對前緣關(guān)鍵塊體、后緣下滑驅(qū)動塊體及前緣巖溶帶的移動變形趨勢進行詳細分析。4.1地下開采對覆巖變形的影響嚴重切割呈“積木塊”狀的巖體結(jié)構(gòu)特征,為坡體發(fā)生崩塌提供了有利條件。由于災(zāi)害發(fā)生前地下采掘活動主要位于滑源區(qū)前緣正下方,即位于關(guān)鍵塊體下方附近,因此在地下采掘完成后,前緣關(guān)鍵塊體外側(cè)首先發(fā)生局部崩塌破壞,這與實際崩滑前滑源區(qū)前部出現(xiàn)多次小規(guī)模崩塌是吻合的。圖6為關(guān)鍵塊體底面中心剖面上4個數(shù)據(jù)記錄點(位于同一EW向直線上)的沉降曲線。由分析可知,在地下采掘作用下,采空區(qū)上覆巖層發(fā)生了整體的不均勻沉降,越靠近臨空面沉降值越大,逐漸往山內(nèi)減小。計算表明,差異沉降導(dǎo)致關(guān)鍵塊體巖層角度在向外崩塌方向上最大降低了1.8°。為進一步說明地下采掘?qū)﹃P(guān)鍵塊體的擾動,在關(guān)鍵塊體中心附近選取了5個豎向數(shù)據(jù)記錄點,其向外偏移變形如圖7所示。其中,最下面記錄點位于采空區(qū)附近,最上面3個記錄點位于關(guān)鍵塊體內(nèi)部。由分析可知,地下采掘誘發(fā)的覆巖傾倒變形越往坡頂越大,關(guān)鍵塊體內(nèi)巖體的偏移量明顯大于其下部巖體偏移變形。同時,隨地下采掘面積的增加,覆巖傾倒偏移量也逐漸變大。計算表明,偏移變形導(dǎo)致巖體豎向方向向外最大偏移了0.5°。由以上分析可知,“積木塊”狀巖體結(jié)構(gòu)為崩塌提供了有利條件,而地下采掘?qū)е碌纳细矌r體差異沉降是關(guān)鍵塊體外側(cè)發(fā)生局部崩塌的主要原因。4.2地下采空區(qū)滑動面的垂直沉降特征圖8為后緣下滑驅(qū)動塊體底滑面6個數(shù)據(jù)記錄點(由坡體后緣到前緣,水平坐標值變大)的沉降變形。由分析可知,在地下采掘作用下,越靠近坡體前緣采空區(qū),滑動面的垂直沉降越大;同時,隨著采掘面積的不斷增加,同一記錄點的沉降值逐漸變大。計算表明,地下采掘?qū)е碌幕瑒用鎯A角角度最大增加了0.13°,這在一定程度上增加了坡體的下滑力,降低了抗滑力,從而加劇了后緣坡體的下滑變形。(2)地下掘進對巖體移動的影響上述6個數(shù)據(jù)記錄點在采掘作用下的滑動變形如圖9所示。分析可知,對于同一記錄點,隨著地下采掘面積的增大,其滑動變形不斷增加;而對于同一采掘面積,除滑動體最后緣(190m)記錄點第4步采掘完成后變形較大外,越靠近前部采空區(qū)巖體滑動變形越大,但變形量差別不大,這說明了地下采掘?qū)r體移動的影響是由坡體前緣向后緣逐步傳遞的。第4步采掘完成后,最后緣(190m)記錄點出現(xiàn)了較大位移,原因是后緣坡體出現(xiàn)了明顯的拉裂破壞,這與實際山體中后緣出現(xiàn)拉裂縫是相吻合的。同時,第4步采掘完成,也體現(xiàn)了地下采掘?qū)ζ麦w穩(wěn)定的不利影響達到最大。4.3剪斷突破過程應(yīng)力狀態(tài)分析由圖9可知,隨著地下采掘面積的增大,后緣下滑驅(qū)動塊體滑動變形逐漸增加,從而進一步推擠前緣關(guān)鍵塊體內(nèi)側(cè)巖溶帶。而直至第4步采掘完成后坡體才發(fā)生整體失穩(wěn)滑動,說明巖溶帶直至第4步采掘完成后才被剪斷突破。為充分說明巖溶帶的剪斷突破過程,單獨對模型中巖溶帶塊體的應(yīng)力狀態(tài)進行分析。在巖溶帶塊體受推擠面設(shè)置若干數(shù)據(jù)記錄點,以這些記錄點的應(yīng)力平均值作為受推擠面的應(yīng)力狀態(tài)(見圖10)。同時考慮到巖層傾角沿滑動面方向的角度較小,忽略下滑塊體對巖溶帶垂直方向上的應(yīng)力影響,只對巖溶帶XY水平方向的應(yīng)力狀態(tài)進行分析。(1)抗剪切能力分析圖11為地下采掘作用導(dǎo)致的巖溶帶的正應(yīng)力變化曲線。分析可知,隨地下采掘過程的推進,巖溶帶上的正應(yīng)力由負變正,即正應(yīng)力由壓變拉,由指向山內(nèi)方向轉(zhuǎn)變?yōu)橹赶蚺R空面方向,且應(yīng)力的絕對值增加,這在一定程度上降低了巖溶帶的抗剪切能力。(2)剪應(yīng)力方向隨正變負圖12為巖溶帶剪應(yīng)力變化曲線。分析可知,隨地下采空區(qū)面積的增加,剪應(yīng)力方向由正變負,亦即沿巖溶帶的剪應(yīng)力,由指向山內(nèi)利于坡體穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為指向坡體崩滑方向而對坡體穩(wěn)定不利;剪應(yīng)力值也在第4步采掘完成后達到最大,從而導(dǎo)致巖溶帶被剪斷突破。4.4局部滑坡變形結(jié)合現(xiàn)場工作及計算結(jié)果分析認為雞尾山崩滑體失穩(wěn)破壞動態(tài)演進過程可歸納如下:(1)在地下采掘作用下,采空區(qū)上覆巖體發(fā)生整體性的移動變形,造成前緣關(guān)鍵塊體向臨空面方向發(fā)生傾倒變形,導(dǎo)致其外側(cè)首先發(fā)生局部崩塌破壞,從而降低了關(guān)鍵塊體對后緣下滑驅(qū)動塊體的阻滑作用;(2)整體性的移動變形也造成后緣下滑驅(qū)動塊體滑動面角度變大,增加了驅(qū)動塊體的下滑力,降低了其抗滑力,進而加劇了坡體沿碳質(zhì)頁巖軟弱層面的滑動變形;(3)前緣關(guān)鍵塊體向臨空面傾倒變形,導(dǎo)致其作用在巖溶帶上的正應(yīng)力由壓變拉,從而弱化了巖溶帶的抗剪切能力;而后緣下滑驅(qū)動塊體沿碳質(zhì)頁巖軟弱滑面變形的加劇,又進一步推擠巖溶帶,導(dǎo)致其剪應(yīng)力方向由指向山內(nèi)轉(zhuǎn)為指向臨空面,剪應(yīng)力絕對值增大,巖溶帶發(fā)生剪斷突破,最終導(dǎo)致坡體整體性的崩滑失穩(wěn)。5地下掘進作用下的滑坡體失穩(wěn)破壞模式(1)系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外地下采掘誘發(fā)山體崩滑的案例與研究現(xiàn)狀,詳細歸納了這類采動滑坡的主要共同特點:地形上高陡臨空,上陡下緩;巖體介質(zhì)結(jié)構(gòu)呈厚層狀軟硬相間結(jié)構(gòu),巖體中多發(fā)育2組高角度相交的陡傾結(jié)構(gòu)面,與巖體中廣泛發(fā)育的軟弱夾層面共同作用把巖體結(jié)構(gòu)切割成塊狀,坡體下部存在持續(xù)的地下采掘活動。(2)為進一步加深對地下采掘誘發(fā)滑坡發(fā)生機制的認識,為此類地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供參考,以武隆雞尾山崩滑體為例,通過基于連續(xù)介質(zhì)的離散元方法,建立了雞尾山崩滑的大型三維數(shù)值模型,再現(xiàn)了滑