韓文斌， 高琨鵬， 王漢斌

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，太原 030032；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

中國鐵礦的主要開采方式是露天開采，采用露天開采的鐵礦占中國鐵礦總產(chǎn)量的80%左右[1-3]。這些露天鐵礦經(jīng)過多年的持續(xù)開采，90%以上已經(jīng)進(jìn)入了露天深坑開采階段[4]。深凹露天開采不僅經(jīng)濟(jì)效益較低，而且開采安全得不到充分保證，其主要原因有：①深凹露天開采過程中礦巖運(yùn)輸距離大，運(yùn)輸成本較高；②深凹露天開采排巖量巨大，占用大量的土地，對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)沖擊巨大[4]；③露天礦坑邊坡隨著開采深度的增加邊坡高度不斷增加，礦坑邊坡失穩(wěn)的可能性變大；④為保證露天邊坡的安全性，需要不斷增加剝采比，這導(dǎo)致礦山開采的經(jīng)濟(jì)效益無法保證[5]；⑤深凹露天礦的開采空間逐漸變小，可開采礦巖量也隨之減少。因此，多數(shù)露天鐵礦已經(jīng)或即將轉(zhuǎn)入地下開采。

端幫開采將誘發(fā)端幫巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布，端幫內(nèi)將會產(chǎn)生更復(fù)雜的次生應(yīng)力場[6-7]，加之地下開采、爆破振動、降雨等因素的影響，端幫發(fā)生局部塌陷、滑坡、崩落，甚至是大規(guī)模整體破壞的可能性極大[8-10]。端幫開采誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害不僅容易破壞礦區(qū)交通運(yùn)輸系統(tǒng)，導(dǎo)致礦區(qū)周邊附屬建筑設(shè)施無法正常使用，而且大規(guī)?；聦β短炜拥桩a(chǎn)生巨大的沖擊壓力將嚴(yán)重威脅采場的安全，對礦山的安全生產(chǎn)造成不利影響。端幫開采誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的本質(zhì)是端幫巖層在地下開采、端幫坡表臨空面、端幫巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理、斷層、裂隙等)等多個因素共同影響下產(chǎn)生劇烈移動的結(jié)果。在上述眾多影響因素中巖體中廣泛發(fā)育的節(jié)理對端幫破壞的影響較少有研究涉及，但該因素的影響卻是不容忽略的[11-14]。巖體的變形主要包括巖體材料變形和巖體結(jié)構(gòu)變形兩方面。其中，巖體結(jié)構(gòu)變形是指巖體中非連續(xù)結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙、斷層)的張開、閉合及錯動等引起的形變。通常情況下由于巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度相對較低，巖體的變形主要來自于巖體結(jié)構(gòu)變形，因此巖體內(nèi)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度直接影響著巖體的強(qiáng)度。同時，由于巖體的破壞主要是沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞為主，因此結(jié)構(gòu)面最主要的力學(xué)性質(zhì)是其峰值抗剪強(qiáng)度[15]。在眾多類型的結(jié)構(gòu)面中節(jié)理的分布最為廣泛，由此可知在其他因素一定的條件下，節(jié)理及其抗剪強(qiáng)度對巖體的變形影響顯著。

本文在考慮巖體中控制性節(jié)理及其強(qiáng)度的情況下，對端幫開采誘發(fā)的地表及巖層移動規(guī)律進(jìn)行深入研究，獲得端幫開采誘發(fā)地表及巖層移動的相關(guān)規(guī)律，以此研究成果指導(dǎo)工程實(shí)踐，避免端幫地表及巖層大規(guī)模移動破壞導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，保證生產(chǎn)安全。

1 工程背景

選取遼寧省鞍山市的眼前山鐵礦東端幫為原型(研究區(qū)范圍如圖1)。眼前山鐵礦自1960年開始進(jìn)行露天開采，至2012年露天采場閉坑時采場上口長度1 410 m，寬度570～710 m，封閉圈高約93 m，礦坑坑底標(biāo)高達(dá)-183 m。2012年9月眼前山礦開始對東、西端幫下的端幫礦體進(jìn)行開采，此后東端幫坡表出現(xiàn)大范圍的滑移、塌陷等劇烈變形。眼前山礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、裂隙帶發(fā)育，巖體破碎。礦區(qū)整體構(gòu)造為陡傾單斜構(gòu)造，構(gòu)造面傾角為70°～80°，局部直立。東端幫主要分布三種不同的地層，包括東端幫北部的碳質(zhì)千枚巖巖組，中部的條帶狀磁鐵石英巖夾片巖巖組以及位于南部的混合花崗巖組。東端幫內(nèi)主要有三組節(jié)理發(fā)育，這三組節(jié)理在東端幫北部、中部、南部產(chǎn)狀及間距略有差異，東端幫內(nèi)節(jié)理的參數(shù)如表1所示，節(jié)理產(chǎn)狀及密度的分布情況如圖2所示。

表1 節(jié)理參數(shù)表

2 模型試驗設(shè)計

物理模型試驗的設(shè)計需要在明確研究目的的基礎(chǔ)上進(jìn)行，結(jié)合眼前山鐵礦實(shí)際巖體情況構(gòu)建三維物理模型，以此來反映真實(shí)復(fù)雜節(jié)理巖體在采礦條件下的移動變形規(guī)律。

2.1 試驗及監(jiān)測設(shè)備

模型箱是進(jìn)行大型三維物理模型試驗的載體。采用的模型箱如圖3所示。該模型箱總重約3.5 t，長約4.3 m，高約3.6 m，寬約2.3 m。模型主體由14根長3.5 m、截面尺寸為110 mm×110 mm×9 mm的方鋼(圖3中模型箱立柱)，18根長度不等、截面尺寸為50 mm×50 mm×8 mm的方鋼(圖3中模型箱橫撐)及一塊平面尺寸為4 250 mm×2 000 mm、厚度為10 mm的鋼板(圖3中模型箱底板)組成，各部件之間采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接。模型箱四個側(cè)面安裝厚度約為12 mm的有機(jī)玻璃板，該材質(zhì)的玻璃板具有較高的強(qiáng)度和透明度，既能夠為物理模型提供有效的側(cè)向支撐，又能夠保證對物理模型剖面變形的觀測。經(jīng)過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算，該模型箱能夠保證試驗的順利進(jìn)行。

圖3 模型箱Fig.3 Model box

2.2 模型相似材料

試驗所研制的相似材料需要物理力學(xué)性質(zhì)滿足試驗要求，相似材料的基本組成材料可以分為骨料、膠凝材料及摻加劑等三類。試驗選用重晶石粉、鐵精粉、石英砂、水泥以及石膏作為相似材料，相似材料配比(質(zhì)量比)為水泥∶石英砂∶重晶石粉∶鐵粉∶石膏=1∶28∶28∶6.67∶3，該相似材料的物理力學(xué)參數(shù)與目標(biāo)值見表2。

表2 相似材料物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 模型設(shè)計及建立

按照幾何相似比200構(gòu)建長2.5 m、寬1.5 m、高2 m的端幫物理模型，以此模型來模擬長500 m、寬300 m、高400 m范圍內(nèi)的礦山端幫在端幫開采時的地表及巖層移動過程。模型采用塊體砌筑的方式來構(gòu)建，塊體之間的交界面模擬巖體節(jié)理面，塊體之間充填的黏結(jié)物來模擬節(jié)理內(nèi)的膠結(jié)物，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)物的抗剪強(qiáng)度來控制節(jié)理的抗剪強(qiáng)度。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，眼前山礦區(qū)巖體節(jié)理可以概化為三組正交節(jié)理，包含兩組陡傾節(jié)理面和一組緩傾節(jié)理面，以模型坡面的傾向為正西(270°)，這三組節(jié)理的產(chǎn)狀分別為：0°∠90°、90°∠80°和270°∠10°，繪制這三組節(jié)理的產(chǎn)狀示意圖如圖4所示。所建立的模型如圖5所示。

圖4 巖體節(jié)理概化圖Fig.4 Rock joint sketch

編號為開挖順序圖5 模型圖Fig.5 Model drawing

3 試驗結(jié)果分析

3.1 采礦誘發(fā)巖層移動過程

試驗中移動地表及巖層的分區(qū)受開采礦體上覆巖層厚度的影響較大。1號礦體開采后圖6(a)中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域巖層均產(chǎn)生豎向移動，但位移量依次遞減，此次開挖后采動影響未傳遞至坡表，坡表無明顯變形[圖7(a)]。2號礦體開采后，圖6(b)中Ⅰ區(qū)域巖層產(chǎn)生較大位移的豎向垮落運(yùn)動；Ⅱ區(qū)域巖層產(chǎn)生下沉變形，在與垮落巖塊接觸后豎向移動停止；Ⅲ區(qū)域巖層受開采擾動強(qiáng)烈，巖塊位移方向不統(tǒng)一，該區(qū)域巖塊主要以斜向采空區(qū)的滑移傾覆運(yùn)動為主，部分靠近坡表的巖塊則產(chǎn)生向坡腳的失穩(wěn)變形。3號礦體開采后，圖6(c)中Ⅰ區(qū)域內(nèi)散亂的巖塊進(jìn)一步下沉；Ⅱ區(qū)域巖層產(chǎn)生位移量較小的下沉運(yùn)動；Ⅲ區(qū)域巖層以沿緩傾節(jié)理的滑移運(yùn)動為主。4號礦體開采后，端幫內(nèi)巖層的移動變形分區(qū)情況[圖6(d)]與2號礦體開采后類似，不再贅述。

模型試驗過程再現(xiàn)了采礦誘發(fā)巖層移動全過程，發(fā)現(xiàn)了典型的巖層變形破壞現(xiàn)象如巖體的離層、裂隙張開以及地表塌陷等。1號礦體開采后，采空區(qū)上覆巖層由于豎向位移量差異出現(xiàn)清晰離層[圖6(a)]，該離層在2號礦體開挖后由于整體巖層的進(jìn)一步下沉而消失。3號礦體開采后，在模型剖面Ⅲ區(qū)域[圖6(c)]內(nèi)產(chǎn)生多條沿陡傾節(jié)理的張開裂縫，但裂縫寬度較窄，后期4號礦體開采后裂縫寬度略微變大[圖6(d)]。覆巖較薄的2、4號礦體開采后，垮落發(fā)展至坡表，坡表出現(xiàn)邊界陡直的“井”形塌陷坑[圖7(b)、圖7(d)]。

圖6 模型試驗變形過程Fig.6 Model test deformation process

圖7 模型坡表變形過程Fig.7 Model slope surface deformation process

3.2 巖層移動變形規(guī)律分析

采用簡化的攝影測量方法對模型各塊體的位移進(jìn)行監(jiān)測，得到了每步開挖后模型剖面巖塊的累計位移矢量圖(圖8)并進(jìn)行了分析。

圖8 模型位移點(diǎn)云圖Fig.8 Cloud chart of model displacement point

巖層的位移不僅受巖層與采空區(qū)相對位置關(guān)系的影響，其移動變形范圍受陡傾節(jié)理控制。位移點(diǎn)云圖表明1號礦體開采后巖層以豎向位移為主，切地表未產(chǎn)生變形；隨著2號礦體的開采，2號礦體上方巖層出現(xiàn)了水平位移，而1號礦體上方位移增量不明顯，經(jīng)分析是由于開采初期巖層在重力作用下的彎曲成拱效應(yīng)導(dǎo)致的；3號礦體開采后，采空區(qū)上方巖層位移量急劇增大，表明采空區(qū)頂板巖層出現(xiàn)了大規(guī)模的垮落以及塌陷，且位移傳遞至坡表，導(dǎo)致坡表出現(xiàn)沉降；4號礦體開采后，位移量繼續(xù)增大，且坡表出現(xiàn)了顯著的順坡向的位移，表明坡巖層出現(xiàn)滑移。

4 結(jié)論

采用大型三維物理模型試驗研究了眼前山鐵礦采礦誘發(fā)巖層移動過程及規(guī)律，得到結(jié)論如下。

(1)巖層主要變形模式為：水平緩傾節(jié)理的存在導(dǎo)致開采初期頂板巖層由于失去下部巖層支撐而產(chǎn)生離層，同時導(dǎo)致巖層彎曲產(chǎn)生拱效應(yīng)；陡傾節(jié)理的存在導(dǎo)致坡表出現(xiàn)井狀塌陷坑，這與現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的塌陷坑比較吻合(圖9)。

圖9 眼前山鐵礦地表塌陷坑及地裂縫Fig.9 Surface subsidence pit and ground fissure in Yanqianshan iron mine

(2)巖層移動傳遞過程：巖層移動由采空區(qū)頂板逐漸發(fā)展至地面。采深對塌陷坑深度影響較大，且“井”狀塌陷坑的范圍及邊界受陡傾節(jié)理的控制。

(3)坡表變形特征：陡傾節(jié)理的張開導(dǎo)致坡表形成了地裂縫，坡表塌陷坑的形成導(dǎo)致坡表巖層收到水平方向的張拉力，且裂縫具有一定的深度。

總的來講，物理模型試驗可以微觀再現(xiàn)采礦誘發(fā)巖層移動的全過程，并且能夠半定量地對其變形發(fā)展過程進(jìn)行解析，是一種有效的研究手段，研究結(jié)果可為工程災(zāi)害的防控提供依據(jù)。