崔鐵軍,李莎莎

(1. 沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110159; 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 葫蘆島 125105;3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 工商管理學(xué)院, 遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

礦業(yè)領(lǐng)域,特別是各類礦山生產(chǎn)過程的安全問題是影響國民經(jīng)濟、財產(chǎn)和人民生命的重要因素之一。雖然各類礦產(chǎn)性質(zhì)不同,但生產(chǎn)方式一般是露天開采和井工開采。2種生產(chǎn)方式各具特點,露天開采優(yōu)點在于易于生產(chǎn),無論是開采方式、機械設(shè)備、礦產(chǎn)利用率等方面存在優(yōu)勢,缺點是破壞環(huán)境,影響周邊人員生產(chǎn)生活。而井工開采雖然對地表影響較露天開采小,但需要的人力、財力、物力更多。在礦產(chǎn)覆存條件允許的情況下,優(yōu)先選擇露天開采。因此就必須面對和解決露天開采對周邊環(huán)境的影響,而在眾多影響中露天礦邊坡的滑坡及失穩(wěn)是主要災(zāi)害之一。導(dǎo)致邊坡滑坡和失穩(wěn)的因素很多,內(nèi)部的巖體自身屬性和結(jié)構(gòu)特征因素,外部的采掘、水系和風(fēng)化作用因素都有存在影響。從另一角度可劃分為靜力荷載和動力荷載,靜力荷載包括巖體本身重力等,動力荷載包括采掘活動和自然災(zāi)害,如礦震、沖擊地壓等。靜力荷載對邊坡的破壞是緩慢的,動力荷載對邊坡的影響是劇烈的,往往在短時間內(nèi)造成邊坡滑坡失穩(wěn),且動力荷載伴隨著一定的隨機性,為滑坡等災(zāi)害預(yù)防治理增加了難度。特別是在如礦震等動力荷載對邊坡長時間的反復(fù)作用下,邊坡整體結(jié)構(gòu)將逐漸破壞,為后繼礦震瞬間造成滑坡提供了必要條件。因此研究合理范圍內(nèi)的長時間多礦震情況下,邊坡巖體狀態(tài)變化及變化的累積作用有重要意義。

關(guān)于礦震、沖擊地壓及爆破等震動對邊坡的影響研究逐漸增加,這些研究主要包括露天礦背波臺階邊坡爆破振動研究[1],煤礦礦震類型及震動波傳播規(guī)律分析[2],沖擊地壓-礦震協(xié)同控制機理[3],爆破地震波傳播規(guī)律[4],爆破荷載作用下露天邊坡穩(wěn)定性[5],地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)[6],含軟弱夾層堆積體邊坡動力響應(yīng)規(guī)律與失穩(wěn)破壞[7],沖擊地壓發(fā)生機制與礦震活動規(guī)律[8],單條順層結(jié)構(gòu)面巖體的爆破振動[9],邊坡穩(wěn)定性的爆破振動控制[10],露天鐵礦爆破振動對邊坡的動態(tài)響應(yīng)[11],邊坡滑坡應(yīng)力變化規(guī)律及影響因素[12],豎向地震效應(yīng)土質(zhì)邊坡臨界滑動面識別[13],斜坡地震穩(wěn)定性研究[14],地震影響受錨土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[15]等研究。這些研究重點關(guān)注了礦震、沖擊地壓及爆破等震動對邊坡的短時間作用,考慮單次震動對邊坡的影響。少有對長時間多次累積震動作用對邊坡巖體多個應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的綜合研究。難以發(fā)現(xiàn)礦震對邊坡的潛在影響和狀態(tài)變化趨勢,這不利于對邊坡滑坡等災(zāi)害治理的長期考慮。

本文根據(jù)以往對邊坡震動破壞的研究經(jīng)驗[16-21],結(jié)合所研究邊坡的實際情況、災(zāi)害特點和對周邊城市的影響,制定了對該邊坡長時間多次礦震的模擬場景。研究常年礦震對邊坡塑性區(qū)、位移和最大主應(yīng)力的變化影響,以此作為邊坡災(zāi)害預(yù)測、預(yù)防和治理的依據(jù)。

1 工程背景

研究選取我國某一較大露天煤礦,該礦緊鄰市區(qū),東西長6600 m,南北寬2200 m,總面積約13 km2,是我國較早地進行開采的露天煤礦,礦區(qū)平面如圖1所示。

圖1 露天礦礦坑

目前該露天礦坑深400 m左右,由于開采需要邊坡陡凸,同時坡內(nèi)巖體存在大量裂隙和大型斷層,邊坡斷層裂隙發(fā)育充分;礦坑北幫以北2 km外有較大河流經(jīng)過,礦坑位置原有2條支流河床,現(xiàn)改道經(jīng)過礦坑周邊,因此礦坑及周圍巖體內(nèi)水系發(fā)育充分。該礦已有多次大規(guī)?；聻?zāi)害,1927年出現(xiàn)滑坡,至1982年有記錄滑坡50多次,近年大型滑坡也多次發(fā)生,如2014年滑坡3.4萬m2、2015年69萬m2、2016年313萬m2[22]。除此之外,地表變形、塌陷、沉陷、地裂縫等都是經(jīng)常出現(xiàn)且造成顯著破壞的災(zāi)害現(xiàn)象。究其根本原因,首先是采礦活動,加之水的作用,但更為集中且影響較大的是動力作用為代表的礦震和沖擊地壓等現(xiàn)象。礦區(qū)1990年開始發(fā)生3級礦震,2002年3級礦震達到高峰共21次,礦區(qū)長期經(jīng)受3級以上礦震反復(fù)作用,對邊坡及周圍建構(gòu)筑物造成嚴重破壞。因而需要研究礦震對露天礦邊坡巖體狀態(tài)的作用和影響,進而預(yù)測和預(yù)防由礦震帶來的各種滑坡和失穩(wěn)災(zāi)害。

礦震震動對邊坡巖體施加了動力荷載,由于坡內(nèi)巖體對荷載的響應(yīng)不同造成了原本固結(jié)的巖體變得松散,導(dǎo)致了一系列災(zāi)害現(xiàn)象。礦震改變了邊坡巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式、邊坡外部幾何特征、巖體內(nèi)外水系狀態(tài)。因此可知礦震震動是邊坡巖體強度弱化的主要原因之一,也是最為劇烈、直接和快速的作用。進一步考慮礦震對邊坡的影響,邊坡破壞可用塑性區(qū)表示,變形用位移表示,能量蓄積用最大主應(yīng)力表示,因此本文用塑性區(qū)、位移和最大主應(yīng)力的變化表征邊坡巖體狀態(tài)的變化,從而呈現(xiàn)礦震對巖體的作用。

2 模型建立

考慮到該露天礦北幫與城市接壤,且裂隙發(fā)育較好,是該礦區(qū)重點研究和控制以防止塌方及周圍地面沉降的主要區(qū)域,因此選取圖1中虛線框內(nèi)的區(qū)域作為模擬研究對象。巖體模型采用FLAC3D的摩爾庫倫本構(gòu)模型,邊長10～30 m的四面體網(wǎng)格單元建立模型。

如圖2所示,模擬北幫E200到E800范圍,模型東西寬600 m,南北長1100 m,底部海拔-600 m,最高處海拔70 m。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造包括花崗片麻巖、玄武巖、白堊系砂巖、綠色泥巖、油母頁巖和煤巖等,巖層位置和參數(shù)如圖2(a)和表1所示;同時巖體存在充分發(fā)育的節(jié)理、裂隙和斷層,位置和參數(shù)如圖2(c)及表2所示。

表1 各組土體參數(shù)表

表2 接觸面參數(shù)

圖2 邊坡模型

圖2(b)為礦震作用下巖體狀態(tài)變化的主要區(qū)域,區(qū)域1是大高差邊坡,主要由綠色泥巖構(gòu)成;區(qū)域2是小高差邊坡,主要由玄武巖、煤巖和油母頁巖構(gòu)成。圖2(c)為礦震荷載施加位置,即模型的底面和北側(cè)邊界,也表示了煤層和接觸面位置。

礦震模擬設(shè)置,模擬以5 a為一周期,發(fā)生3次3級礦震,持續(xù)45 a共9周期的震動作用。震動荷載為正弦曲線波,包括縱波和橫波且形式相同。由于礦震頻率成分較單一,優(yōu)勢頻率集中在1～3 Hz[23],結(jié)合當?shù)厍闆r設(shè)震動周期為0.7 s(頻率1.42 Hz),震動加速度峰值為0.2 g,震動持續(xù)10 s,速率隨時間變化而變化。礦震時程曲線如圖3所示。作用于模型北側(cè)邊界和底部邊界,如圖2(c)所示。

圖3 礦震時程曲線

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 塑性區(qū)情況分析

圖4為了9個周期各自平衡時邊坡巖體的塑性區(qū)情況。由上至下,由左至右模擬次數(shù)依次增加,同圖5和圖6所示。

注:Zone State By Average表示巖體的狀態(tài)。None為無塑性區(qū); shear-n為當前剪切塑性區(qū); shear-p為過去剪切塑性區(qū); tension-n為當前拉伸塑性區(qū); tension-p為過去拉伸塑性區(qū)。當多個狀態(tài)并列時代表一次經(jīng)歷了這些狀態(tài),例如shear-n shear-p tension-p表示過去為剪切塑性區(qū)和拉伸塑性區(qū),現(xiàn)在為剪切塑性區(qū)。

圖5 邊坡巖體的位移變化

圖6 邊坡巖體的主應(yīng)力變化

由圖4可知,出現(xiàn)塑性的區(qū)域主要有3部分,一是北幫邊坡頂部的2個斷層,二是圖2(b)的區(qū)域1,三是圖2(b)的區(qū)域2。北幫邊坡的2個斷層在礦震震動作用下出現(xiàn)了大變形,由于在模型中設(shè)置了接觸面,物理力學(xué)性質(zhì)遠低于巖體參數(shù)。這部分相當于礦震震動對節(jié)理、裂隙和斷層的作用。如果原巖體固結(jié),則內(nèi)部巖石由于對震動作用的響應(yīng)不同,會造成巖體裂隙增加。而對于原本存在斷層的巖體,在震動荷載下斷層可能被活化產(chǎn)生較大位移。由于FLAC3D基于連續(xù)介質(zhì)理論,因此這種破壞的大變形以塑性區(qū)的形式被表示出來。斷層在礦震震動中產(chǎn)生的塑性區(qū)是不可逆的,全部9個模擬周期中都存在且變化不大。

區(qū)域1在9個模擬周期中的特征類似,該區(qū)域塑性區(qū)由剪塑性區(qū)、拉剪塑性區(qū)和拉塑性區(qū)組成。他們的分布有一定特征,剪塑性區(qū)在模擬過程中存在于邊坡自由面中下部且范圍有縮小的趨勢,但變化不大。這是由于該邊坡中下部坡角較大,在礦震過程中滑坡體與基巖之間有大角度剪切破壞趨勢,因此這部分主要是剪塑性區(qū)。在區(qū)域1的剪塑性區(qū)之上是拉剪塑性區(qū),該區(qū)域沿著斷層2深入巖體,在9個模擬周期中只在邊坡自由面區(qū)域有所減少但變化不大。在震動過程中,拉剪塑性區(qū)一邊是自由面一邊是斷層,因此整體上這部分巖體在震動中即存在與震動方向相反的拉力又存在下滑的剪力,形成了拉剪塑性區(qū)。區(qū)域2實際是坑底南側(cè)邊坡,主要由玄武巖、煤巖和油母頁巖組成,結(jié)合圖2(c)可知煤層在該區(qū)域存在露頭。這部分存在拉塑性區(qū)、剪塑性區(qū)和拉剪塑性區(qū)。拉塑性區(qū)主要在該邊坡的頂部,下部坡內(nèi)是拉剪塑性區(qū),而坡面出現(xiàn)了少量剪塑性區(qū)。區(qū)域2上部的拉塑性區(qū)主要是受到邊界約束形成的受拉區(qū)域,雖然下部存在拉剪塑性區(qū)和剪塑性區(qū)但總體上區(qū)域2的邊坡穩(wěn)定。

礦震震動對該邊坡塑性區(qū)的影響:斷層在模擬過程中始終存在拉塑性區(qū);區(qū)域1邊坡上部以拉剪塑性區(qū)為主,下部以剪塑性區(qū)為主;區(qū)域2主要是拉塑性區(qū)。這說明礦震震動對巖體,特別是邊坡區(qū)域巖體塑性有影響,多次模擬的塑性區(qū)存在累積但不明顯。

3.2 位移情況分析

圖5為9個周期各自平衡時邊坡巖體的位移情況,并展示了礦震過程中邊坡巖體的位移情況。位移代表了巖體變形的程度,巖體變形越大位移越大,反之亦然。從模擬過程看,顏色變化的變形區(qū)域逐漸縮小,而從另一角度說明某些位置的巖體位移變化逐漸集中,變形集中的位置可能發(fā)生滑坡。這是由于礦震震動對邊坡坡面特定位置和形狀的巖體的作用,而巖體變形就是對這些作用的響應(yīng)。這些區(qū)域的特點是坡度大、有突出坡面的結(jié)構(gòu),進而具有較大慣性矩, 受動荷載后產(chǎn)生作用力, 即慣性力, 使得該巖體與基巖之間受較大作用力,進而產(chǎn)生更大位移。對礦震震動在不同模擬階段的累積作用,從最大位移量分析,前4次模擬周期中位移大約是前次模擬位移的2倍,之后5次模擬雖然位移量都在累積增加,但增加幅度逐漸減小?？深A(yù)見的是,如繼續(xù)增加震動累積作用則會發(fā)生滑坡。而滑坡范圍在模擬過程中逐漸縮小,最后2次模擬中該區(qū)域基本保持不變,說明應(yīng)變已相當集中,瀕臨破壞。而北幫邊坡上部的2個斷層位移沒有顯著變化,同時由煤巖和油母頁巖組成的南幫邊坡位移變化不大。因此在礦震震動作用累積過程中,區(qū)域2對震動荷載的響應(yīng)不明顯,礦震影響較小。

礦震震動對該邊坡位移的影響:北幫坡面受震動影響較大,隨震動過程位移也隨之累積,但作用逐漸減小;位移區(qū)域也在累積過程中縮小并穩(wěn)定。邊坡其余區(qū)域?qū)φ饎拥捻憫?yīng)不明顯。

3.3 主應(yīng)力情況分析

圖6為9個周期各自平衡時邊坡巖體的主應(yīng)力情況,并展示了礦震過程中邊坡巖體的主應(yīng)力變化。主應(yīng)力變化代表了巖體儲存能量和破壞征兆。當壓主應(yīng)力增加時,代表巖體受壓產(chǎn)生彈性變形存儲了更多彈性勢能;當拉主應(yīng)力增加時,代表巖體受拉可能隨時破壞。無論是存儲彈性勢能的意外釋放或受拉破壞都是巖體的主要破壞形式,可作為邊坡破壞的前期征兆。從9個周期的模擬結(jié)果可知,無論是最大拉主應(yīng)力或是最大壓主應(yīng)力的變化都很小,數(shù)量級無變化,具體數(shù)值有波動,因此礦震震動對主應(yīng)力的作用無積累。也可理解為多次礦震對主應(yīng)力的作用都是獨立的。模型中所有坡面都受到拉主應(yīng)力作用,特別是斷層內(nèi)部的拉主應(yīng)力更為集中;對應(yīng)的,巖體基巖內(nèi)部一般都為壓主應(yīng)力。

礦震震動對主應(yīng)力的影響:震動對巖體拉或壓主應(yīng)力影響很小,震動作用不累積,邊坡坡面僅為拉主應(yīng)力,內(nèi)部為壓主應(yīng)力。

總結(jié)礦震震動在長時間跨度,多次震動作用下的邊坡巖體塑性區(qū)、位移和主應(yīng)力的變化情況。認為大高差邊坡坡面塑性區(qū)受震動作用影響較大,且主要呈現(xiàn)拉塑性區(qū)和拉剪塑性區(qū),多次震動塑性區(qū)累積較小;大高差邊坡坡面位移受震動影響較大且多次震動的位移累積,但作用逐漸減小,位移區(qū)域縮小并穩(wěn)定。震動對主應(yīng)力影響很小且作用不累積,坡面為拉主應(yīng)力而內(nèi)部為壓主應(yīng)力。綜上,礦震震動對巖體塑性區(qū)有影響,對位移影響最大,對主應(yīng)力影響甚微。

4 結(jié)論

本文模擬了長時間多次礦震震動對露天礦邊坡的塑性區(qū)、位移和主應(yīng)力的變化影響,主要結(jié)論如下:

1)分析了礦震對露天礦邊坡的作用。礦震改變了邊坡巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式、邊坡巖體外部幾何特征、邊坡巖體內(nèi)外水系狀態(tài),使邊坡巖體強度弱化。可用塑性區(qū)、位移和最大主應(yīng)力變化表征邊坡巖體狀態(tài)變化,進而表征礦震對巖體的作用。

2)礦震震動主要影響巖體位移,其次是塑性區(qū),對主應(yīng)力影響很小。大高差邊坡坡面塑性區(qū)受震動影響較大形成拉和拉剪塑性區(qū),塑性區(qū)累積不明顯;大高差坡面位移受震動影響較大且位移累積發(fā)展,位移區(qū)域縮小并穩(wěn)定;震動對主應(yīng)力影響很小且作用不累積。