王飛飛， 田春艷， 任青陽， 鄒 平1，， 虎萬杰1，， 馬 增1，

(1.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙410012；2.重慶交通大學土木工程學院,重慶400074；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室,湖南長沙410012； 4.滄州職業(yè)技術學院,河北 滄州061001)

地下開采礦體引起地表塌陷的災害問題,近些年逐漸加?。?］。 地表塌陷引起的地質(zhì)災害,如垮塌巖土體造成井下沖擊波、井下泥石流、淹井等［2］,逐漸被人們所重視。 對于已形成的地表塌陷需要及時采取安全措施,防止次生災害發(fā)生［3］。

目前已有學者開展了地表塌陷區(qū)形成與發(fā)展機理的相關研究［4-12］,取得了豐富的研究成果。 但開展塌陷區(qū)發(fā)展趨勢方面的研究很少有報道。

每個礦山都有其特有的工程地質(zhì)環(huán)境。 為了揭示查干敖包鐵鋅礦塌陷區(qū)發(fā)展機制,以現(xiàn)場調(diào)查為基礎,建立地下采空區(qū)、塌陷區(qū)、圍巖體及礦體三維模型,模擬礦體開采情況,得到了塌陷區(qū)位移與塑性區(qū)分布情況。通過位移變化趨勢與塑性區(qū)分布區(qū)域,預測隨著地下礦體開采地表塌陷區(qū)發(fā)展的詳細過程與最終形成塌陷區(qū)的大小,研究結(jié)果可為塌陷區(qū)治理設計提供參考。

1 礦區(qū)概況

1.1 地層與構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)出露地層比較簡單,主要有奧陶系中統(tǒng)多寶山組(O2d)及二疊系下統(tǒng)寶力格組(P1b)及第四系(Qh)。

區(qū)內(nèi)以北東向斷裂構(gòu)造為主,主要有F1 和F2。F1 斷裂控制礦體的分布,為成礦期構(gòu)造,位于礦區(qū)中南部,為礦區(qū)內(nèi)主要控制構(gòu)造,延長800 m,斷裂帶寬20～50 m,斷層面產(chǎn)狀:傾向293°～305°,傾角50°～80°,斷層性質(zhì)為壓性；斷裂帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。北西向斷裂構(gòu)造不明顯,為成礦后構(gòu)造。 F2 斷裂位于礦區(qū)中部偏北處,延長400 m,斷裂帶寬10 ～30 m,斷層面產(chǎn)狀:傾向315°～320°,傾角60°～70°,斷層性質(zhì)為壓性。 礦區(qū)內(nèi)的北西向斷裂一般規(guī)模較小不明顯,為成礦后構(gòu)造,僅局部節(jié)理裂隙發(fā)育,但對礦(化)體無明顯破壞。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)以往地質(zhì)資料、現(xiàn)場鉆孔巖心工程地質(zhì)編錄成果,以及室內(nèi)巖石物理力學參數(shù)試驗研究成果,礦區(qū)工程地質(zhì)巖組按巖性組成及力學特征分類,分為1 類土體、1 類巖體。

土體廣泛分布于礦區(qū),巖性以殘坡亞砂土含碎石、風成砂為主,一般厚0.8 ～25 m,局部低洼處厚度可達38 m 以上。

巖體根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖石質(zhì)量指標(RQD)、巖體結(jié)構(gòu)面特征及巖石力學特征,塌陷區(qū)巖體分為1 類地質(zhì)巖組。

矽卡巖節(jié)理、裂隙閉合,一般為壓-壓扭性。 裂寬一般小于1 mm,調(diào)查區(qū)域個別裂隙寬度達到100 mm。充填物為方解石、石英、鐵鋅礦物等,整體膠結(jié)好。 調(diào)查區(qū)域基本無水,局部有地下水沿節(jié)理、裂隙滲出形成滴水,流量小于0.5 m3/h。 結(jié)構(gòu)面以彎曲粗糙為主,少量平直粗糙。 調(diào)查區(qū)域結(jié)構(gòu)面一般為Ⅴ級結(jié)構(gòu)面,僅發(fā)育3 條Ⅳ級結(jié)構(gòu)面(占1.28%)。

凝灰?guī)r節(jié)理、裂隙閉合,一般為壓-壓扭性。 裂寬一般小于1 mm。 充填物為石英、鐵鋅礦物等,整體膠結(jié)好。 調(diào)查區(qū)域基本無水,局部潮濕或有地下水沿節(jié)理、裂隙滲出形成滴水,流量小于0.5 m3/h。 結(jié)構(gòu)面以彎曲粗糙為主,少量平直粗糙。 調(diào)查區(qū)域結(jié)構(gòu)面一般為Ⅴ級結(jié)構(gòu)面,僅發(fā)育6 條Ⅳ級結(jié)構(gòu)面(占2.67%)。

1.3 開采現(xiàn)狀

礦山采礦面積為2.40 km2,開采深度由+1 227 m至+890 m 標高。 在同一水平內(nèi)按照由上盤到下盤開采順序。 中段開采順序為自上中段到下中段。 在中段水平上自北翼風井向提升井由遠及近后退式回采。 對厚大礦體使用無底柱分段崩落法,薄到中厚、及厚大礦體的邊角部分使用淺孔留礦法和分段空場法。

目前,井下998 m 分層以上分層已經(jīng)回采完畢,現(xiàn)回采998 m、986 m、976 m、962 m、950 m 分層,下部分層正在開拓巷道。

1.4 巖體力學參數(shù)

在開展室內(nèi)巖石力學基礎上,采用RQD 分級法、節(jié)理巖體的CSIR 分級法、Q 系統(tǒng)分級法、GSI 分類法、巖土規(guī)范法等對塌陷區(qū)邊坡巖石物理力學試驗參數(shù)進行工程處理,得到了巖體綜合力學參數(shù)如表1 所示。

表1 塌陷區(qū)邊坡巖土體力學參數(shù)

2 塌陷區(qū)概況

2.1 塌陷區(qū)形成

查干敖包鐵鋅礦礦區(qū)于2005 年開始有大量地表建筑物出現(xiàn),隨著礦山的生產(chǎn)運行,地表在2008 年末出現(xiàn)塌陷坑。 2009 年后,隨著井下礦體的開采,塌陷坑塌陷規(guī)模逐漸擴大。 2019 年初,地表塌陷已發(fā)展成一個近似橢圓的、南北約275 m、東西約210 m 的塌陷坑,坑口面積約5.4 萬平方米。

查干敖包鐵鋅礦于2008 年6 月按1158 中段放頂設計進行了放頂施工之后,井下采空區(qū)垮塌冒落后與地表連通,形成最初的地表塌陷坑。 由于地表塌陷坑一般不會一次形成,在2008 年之前井下礦體開采已經(jīng)導致了采空區(qū)上覆巖層的垮塌冒落,形成了較大的冒落空區(qū)。 2008 年6 月1158 中段放頂施工觸發(fā)了地表塌陷坑的最終形成。 該塌陷坑與衛(wèi)星遙感圖像顯示的塌陷坑在形成時間上一致,在形成后的圖像中可以看到,隨著礦山的開采,塌陷坑范圍不斷發(fā)展擴大。

2.2 塌陷區(qū)現(xiàn)狀

隨著礦山生產(chǎn)的推進, 2019 年5 月塌陷區(qū)已形成一個南北長約275 m、東西寬約210 m 的開口近似橢圓、呈漏斗狀的塌陷坑,見圖1。 其上口面積約5.4 萬平方米,下口約0.78 萬平方米,最大深度135 m,經(jīng)測算塌陷坑陷落漏斗體積約267 萬立方米。 塌陷坑范圍地表高程約+1 170～+1 220 m,陷坑周邊區(qū)域總體呈北部低、東南和西南高。

圖1 塌陷坑周邊地形地貌

在塌陷坑的東側(cè)與東南側(cè)170 m 左右存在主副井、礦區(qū)工業(yè)場地、發(fā)電機房、信號塔與值班室等建筑(構(gòu))物。 塌陷坑的西側(cè)沒有任何建筑(構(gòu))物,只是坡度較緩的山坡。 塌陷坑的南側(cè)有生活區(qū),但距離較遠。塌陷坑的北側(cè)有礦山運輸公路,東北側(cè)有氧化礦堆放場地。 隨著地下礦體的開采,上盤巖體會漸進崩落垮塌,塌陷坑會逐漸變大,且會沿著走向和上盤的方向發(fā)展,總體上預測會向西部及西北發(fā)展。

2.3 塌陷區(qū)發(fā)展

為了得到塌陷區(qū)發(fā)展趨勢,通過對塌陷坑現(xiàn)場調(diào)查,分析其垮塌崩落規(guī)律,以便預測塌陷區(qū)的發(fā)展。

由現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知,塌陷坑在東西南三側(cè)形成了陡立的巖體臨空面,高度在70 ～135 m 范圍,主要以傾倒形式破壞垮塌,不斷向巖體臨空面后側(cè)發(fā)展。 塌陷坑北側(cè)目前已形成了滑坡,主要以弧形滑坡形式向后側(cè)發(fā)展,邊坡坡肩出現(xiàn)錯臺裂縫。

隨著地下礦體的開采,塌陷區(qū)逐漸擴大,主要發(fā)展方向為西部及北西向。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立數(shù)值模型

Rhino(犀牛)專業(yè)3D 造型軟件具有強大的前處理功能,利用kubrix 和griddle 能進行復雜地質(zhì)體及工程結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分。 將Rhino 建立的模型導入FLAC3D中,見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

模型中限制邊界條件和自由面,即在x=600 675 m、601 612 m 平面上所有節(jié)點在x方向固定,即滑動鉸支座；y=5 096 694 m、5 097 577 m 平面上所有節(jié)點在y方向固定,即滑動鉸支座；z=769 m 平面上所有節(jié)點在x、y、z方向上固定,即固定鉸支座；地表為自由面。 三維數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型和摩爾-庫侖屈服準則。

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)特征,計算中考慮了6 種力學介質(zhì):矽卡巖(風化帶)巖土、矽卡巖(完整帶)、第四系、凝灰?guī)r(完整帶)、凝灰?guī)r(風化帶)、塌陷坑廢石,其力學參數(shù)見表1。

3.2 結(jié)果分析

為了得到塌陷坑隨地下礦體開采的發(fā)展趨勢,在塌陷區(qū)現(xiàn)狀基礎之上,通過數(shù)值模擬方式模擬分析了地下礦體開采過程,得到了塌陷區(qū)位移與塑性區(qū)分布,見圖3～5。

圖3 塌陷區(qū)上盤巖體位移云圖

圖4 巖體位移剖面圖

圖5 巖體塑性區(qū)分布

由圖3 可知,隨著地下礦體的開采,上盤巖體會逐漸垮塌崩落。 以塌陷區(qū)現(xiàn)狀為基礎,當井下礦體開采完畢后,上盤巖體垮塌崩落范圍預測為長軸412 m、短軸312 m。

由圖4 可知,巖體位移主要發(fā)生在上盤,下盤巖體相對穩(wěn)定。 上部巖體位移大于下部巖體位移。 隨著地下礦體的開采,上部巖體垮塌崩落到采空區(qū)中。

由圖5 可知,隨著地下礦體的開采,現(xiàn)有塌陷區(qū)巖體以及上盤巖體均有塑性區(qū)分布,說明現(xiàn)有塌陷坑會進一步垮塌崩落,且發(fā)展方向為上盤塑性區(qū)分布的方向。 數(shù)值模擬分析得到的塌陷區(qū)發(fā)展方向與現(xiàn)場調(diào)查分析結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

為了得到查干敖包鐵鋅礦塌陷區(qū)后期發(fā)展情況,依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查為基礎,建立含地下采空區(qū)和塌陷坑的三維模型,模擬礦體開采情況,得到了塌陷區(qū)位移與塑性區(qū)分布情況:

1) 塌陷坑在東西南三側(cè)形成了陡立的巖體臨空面,主要以傾倒形式垮塌,不斷向巖體臨空面后側(cè)發(fā)展。 塌陷坑北側(cè)目前已形成滑坡,主要以弧形滑坡形式向后側(cè)發(fā)展。

2) 隨著地下礦體的開采,塌陷區(qū)逐漸擴大,主要發(fā)展方向為西及北西向。

3) 隨著地下礦體的開采,上盤巖體會逐漸垮塌崩落。 以塌陷區(qū)現(xiàn)狀為基礎,當井下礦體開采完畢后,上盤巖體垮塌崩落范圍預測為長軸412 m、短軸312 m的橢圓。

4) 隨著地下礦體開采,現(xiàn)有塌陷區(qū)巖體以及上盤巖體均有塑性區(qū)分布。 現(xiàn)有塌陷坑會進一步垮塌崩落,且發(fā)展方向為上盤塑性區(qū)分布的方向。 數(shù)值模擬分析得到的塌陷區(qū)發(fā)展方向與現(xiàn)場調(diào)查分析結(jié)論一致。