王瑞青 張春磊

(1．中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088; 2．中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100085)

地下采礦條件下坡體移動(dòng)變形分析

王瑞青1張春磊2

(1．中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088; 2．中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100085)

針對重慶武隆雞尾山滑坡，結(jié)合地質(zhì)分析，采用二維離散元方法(UDEC2D)，分別建立了前緣崩塌體和后緣滑動(dòng)體的簡化二維數(shù)值模型，對地下開采作用下滑坡體前緣發(fā)生崩塌和后緣發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)機(jī)制分別進(jìn)行了研究，分析了地下開采作用對滑坡體前緣應(yīng)力場和對滑坡體后緣位移場的影響。

地質(zhì)災(zāi)害，滑坡，地下開采，穩(wěn)定性分析

0 引言

近年來，由于人類地下采礦活動(dòng)導(dǎo)致的山區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害逐漸增多，并造成嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失［1］。1980年6月，湖北宜昌鹽池河磷礦區(qū)發(fā)生大規(guī)模山體崩塌，總體積約100萬m3。研究發(fā)現(xiàn)，地下開采磷礦是導(dǎo)致此次大規(guī)模滑坡的主要原因［2］。1996年5月31日和6月3日，云南省元陽縣老金山金礦群采區(qū)接連發(fā)生兩次滑坡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1．4億元。調(diào)查表明，金礦開采是此次災(zāi)難發(fā)生的重要原因［3］。2009年6月5日，重慶武隆雞尾山發(fā)生大規(guī)模滑坡，滑坡體體積約500萬m3，造成重大災(zāi)難［4，5］。調(diào)查分析后認(rèn)為，山體“積木塊”狀的巖體結(jié)構(gòu)為滑坡發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和有利地質(zhì)條件，而超過5萬m2的地下開采鐵礦活動(dòng)則是此次災(zāi)難發(fā)生的主要誘發(fā)因素。山體下部存在持續(xù)近百年的開采活動(dòng)，而災(zāi)難發(fā)生前數(shù)年開采又剛好位于滑坡體前緣之下，這對坡體穩(wěn)定帶來強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用［4，5］。2013年1月11日8時(shí)20分左右，云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣果珠鄉(xiāng)高坡村趙家溝村民小組發(fā)生山體滑坡，人員傷亡嚴(yán)重［6］。由于這類滑坡多分布于工礦區(qū)等人類活動(dòng)較頻繁的場所附近，因此，應(yīng)加強(qiáng)對這類地下采礦活動(dòng)導(dǎo)致的山區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生原因的研究。

針對武隆雞尾山滑坡，許強(qiáng)等［4］采用現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬方法對其發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了分析，認(rèn)為地下開采活動(dòng)會(huì)對坡體穩(wěn)定帶來不利影響;殷躍平［5］建立了滑坡體的簡化三維數(shù)值模型，并通過對比自然演化、地下采空等不同工況條件下的坡體狀態(tài)，認(rèn)為地下采礦主要通過坡體應(yīng)力環(huán)境的調(diào)整和巖體的不均勻沉降而對坡體帶來擾動(dòng);劉傳正［7］采用類比分析的方法，提出地下采礦活動(dòng)導(dǎo)致的“張拉懸板效應(yīng)”是山體拉裂失穩(wěn)的主要原因。

本文結(jié)合已有的研究工作及現(xiàn)場調(diào)查，以雞尾山滑坡為例，進(jìn)一步分析地下開采鐵礦活動(dòng)對滑坡體穩(wěn)定性的影響。采用二維離散元方法(UDEC2D)，分別建立前緣崩塌塊體和后緣滑動(dòng)坡體的簡化二維數(shù)值模型，分析在地下采礦作用下的移動(dòng)變形特征。

1 雞尾山滑坡移動(dòng)變形計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場工作，山體主要發(fā)育二疊系下統(tǒng)灰?guī)r和志留系中統(tǒng)頁巖，滑坡體西側(cè)和南側(cè)被兩組大型裂縫切割分離，前緣和東部側(cè)壁兩面高陡臨空，下伏軟弱層面。巖層為單斜構(gòu)造，其傾向與陡崖臨空面走向呈小角度相交并略傾向山內(nèi)，如圖1所示。

以下從應(yīng)力場變化方面對前緣塊體崩塌的變形趨勢進(jìn)行分析，對后緣坡體的滑動(dòng)趨勢則從位移場角度進(jìn)行研究。

1．1 前緣崩塌體移動(dòng)變形分析

圖2為前緣崩塌塊體的橫剖面簡化模型。按調(diào)查資料確定巖層產(chǎn)狀、崩塌體及地下開采的大體位置，山體中大規(guī)模的地下采空區(qū)在模型中采用分步開挖的方式進(jìn)行模擬，共10個(gè)開挖步，每步開挖長度為6 m。

圖1 重慶武隆雞尾山滑坡

圖2 橫剖面模型網(wǎng)格

因滑坡體中灰?guī)r強(qiáng)度較高，為計(jì)算方便，模型中塊體采用彈性本構(gòu)，節(jié)理面采用庫侖本構(gòu)模型，參數(shù)見表1，表2(后面模型本構(gòu)、參數(shù)均相同)。

表1 橫剖面模型塊體物理力學(xué)參數(shù)

表2 橫剖面模型節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)

為便于分析前緣崩塌塊體內(nèi)應(yīng)力場，在計(jì)算模型中設(shè)置了若干記錄點(diǎn)，見圖3。

圖3 橫剖面模型中數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)布置

由現(xiàn)場調(diào)查可知，前緣發(fā)生崩塌變形的茅口灰?guī)r西側(cè)壁為較發(fā)育的巖溶帶，其巖體結(jié)構(gòu)較差，抗拉強(qiáng)度較低，因此分析中采用塊體中的水平拉應(yīng)力值作為衡量塊體崩塌變形趨勢的參量。圖4為在地下開采作用下模型中記錄點(diǎn)的水平拉應(yīng)力變化。

從圖4可以明顯的看出，隨著地下開采量的逐漸增加，崩塌塊體中的水平拉應(yīng)力值亦不斷增大。開采導(dǎo)致的拉應(yīng)力在崩塌塊體中廣泛存在，在坡體后側(cè)應(yīng)力值整體較大，且愈靠近坡頂愈大，向下逐漸降低;而在坡前側(cè)拉應(yīng)力值則整體較小，且愈靠近坡頂愈小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力。這說明在地下開采作用下，抗拉強(qiáng)度較小的西側(cè)巖溶帶在拉應(yīng)力作用下最先出現(xiàn)拉裂破壞，這與現(xiàn)場西側(cè)壁附近裂縫較發(fā)育是相吻合的。同時(shí)，坡體“積木塊”狀的巖體結(jié)構(gòu)也為崩塌發(fā)生提供了有利條件。

圖4 地下開采作用下記錄點(diǎn)水平拉應(yīng)力變化

1．2 后緣滑動(dòng)體移動(dòng)變形分析

建立了后緣滑動(dòng)坡體的縱剖面(南北向)簡化模型，見圖5。為單獨(dú)分析后緣坡體在失去前緣塊體支撐后的滑移變形機(jī)制，對后緣滑動(dòng)體進(jìn)行了較大的簡化，模型中沒有考慮前緣的阻滑塊體。山體中大規(guī)模的地下采空區(qū)，在模型中同樣采用分步開挖的方式進(jìn)行模擬，共10個(gè)開挖步，每步開挖長度為5 m。

圖5 縱剖面模型網(wǎng)格

為便于后緣滑移坡體位移場的分析，同樣在模型塊體中設(shè)置了若干記錄點(diǎn)，見圖6。

如圖7所示為在地下開采作用下滑動(dòng)面附近數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)1～5的水平和垂直方向位移變化曲線。可以看出，隨地下開采面積的增加，滑動(dòng)面的水平位移和垂直位移都不斷增加;且滑動(dòng)面愈靠近地下采空區(qū)的部分，其水平位移愈小，而垂直位移愈大。這說明滑動(dòng)面隨地下開采的推進(jìn)有向滑動(dòng)方向傾倒的趨勢，滑動(dòng)面角度不斷增大，從而增加了坡體的下滑力，降低了其抗滑力，增強(qiáng)了坡體的滑動(dòng)變形趨勢，最終導(dǎo)致后緣坡體滑動(dòng)失穩(wěn)，如圖8所示。

圖6 縱剖面模型中數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)布置圖

圖7 地下開采作用下滑動(dòng)面附近點(diǎn)位移變化

圖8為滑移體中點(diǎn)6，7，8的水平和垂直位移變化曲線。由曲線可知，地下開采導(dǎo)致坡體發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)，且變形量隨開采量增加而不斷增加;同時(shí)，三個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)基本相同，說明坡體發(fā)生的是整體性的滑動(dòng)失穩(wěn)，這與現(xiàn)場后緣坡體發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞是相吻合的。同時(shí)，第8步(40 m)開采完成后，坡體開始出現(xiàn)了明顯的水平和垂直滑動(dòng)變形，表明發(fā)生了整體性的滑移失穩(wěn)。

2 結(jié)語

根據(jù)武隆雞尾山滑坡前期的研究工作，并且結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)查，采用二維離散元方法來分別建立前緣崩塌體和后緣滑動(dòng)體的簡化二維數(shù)值分析模型，從地下開采作用誘發(fā)坡體內(nèi)應(yīng)力場和位移場變化的角度分析了地下采礦活動(dòng)對坡體移動(dòng)變形分析的影響。

圖8 地下開采作用下坡體內(nèi)點(diǎn)位移變化

在地下開采作用下，前緣塊體部分有向采空區(qū)變形的趨勢，造成其對西側(cè)山體的牽拉作用，拉應(yīng)力值在靠近西側(cè)壁部位達(dá)到最大值，而西側(cè)壁附近為巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)較差的巖溶帶，從而導(dǎo)致其拉裂破壞發(fā)生崩塌，從而降低了對后緣滑移體的支撐作用。同時(shí)，地下開采作用導(dǎo)致的坡體不均勻沉降造成后緣滑移坡體滑動(dòng)面角度變大，降低了坡體抗滑力，增加了其下滑力，隨著后緣坡體滑移啟動(dòng)，最終導(dǎo)致整體性的崩滑——碎屑流。因此，認(rèn)為地下采礦是雞尾山滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要原因。

［1］王思敬，黃鼎成．中國工程地質(zhì)世紀(jì)成就［M］．北京：地質(zhì)出版社，2004：7-12．

［2］姚寶魁，孫玉科．宜昌鹽池河磷礦山崩及其崩塌破壞機(jī)制［C］．北京：科學(xué)出版社，1988：89-98．

［3］金德山．云南元陽老金山滑坡［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9(4)：98-101．

［4］許 強(qiáng)，黃潤秋，殷躍平，等．2009年6·5重慶武隆雞尾山崩滑災(zāi)害基本特征與成因機(jī)理初步研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17(4)：433-444．

［5］殷躍平．斜傾厚層山體滑坡視向滑動(dòng)機(jī)制研究——以重慶武隆雞尾山滑坡為例［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29 (2)：217-226．

［6］殷躍平，劉傳正，陳紅旗，等．2013年1月11日云南鎮(zhèn)雄趙家溝特大滑坡災(zāi)害研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21(1)：6-15．

［7］劉傳正．重慶武隆雞尾山危巖體形成與崩塌成因機(jī)制［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(3)：297-304．

Analysis of slope movement and deformation induced by underground mining

WANG Rui-qing1ZHANG Chun-lei2

(1．CCCC Highway Consultants Co．，Ltd，Beijing 100088，China;
2．China Petroleum Engineering Design Limited Company，Beijing 100085，China)

Based on the geological analysis，two-dimensional Discrete Element Method(UDEC2D)was used to analyse the failure progress of Jiweishan Landslide in Wulong in Chongqing．Two simplified two-dimensional numerical models was built to simulate the rock blocks in front of the landslide that had collapsed and the masses at back of the landslide that had slided，respectively．The failure mechanism of rock blocks collapsing and rock masses sliding were investigated under the conditions of undermining．The influence of stress field in the collapsed rock blocks and displacement field in the slided rock masses caused by underground mining were analysed．

geohazard，landslide，underground mining，movement and deformation analysis

TU413．62

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.006

1009-6825(2013)10-0091-03

2013-01-09

王瑞青(1985-)，女，助理工程師; 張春磊(1984-)，男，助理工程師