山西山林矿区滑坡体形成机制及采矿治理研究

山西山林矿区滑坡体形成机制及采矿治理研究

1滑坡灾害监测与预警技术采空坍塌通常发生在矿区。然而，如果同时具有其他合适的地形、地质条件和降水条件，则可能会形成斜坡。例如，矿区内山脉的陡峭倾斜角和斜面下的平坦角形成了滑动的平面滑动层。随着采矿活动的加剧,矿区滑坡地质灾害愈演愈烈。1987年11月1日,罗山矿区边坡(现滑坡体I)发生山体滑动,滑坡体体积约4×104m3,滑坡后缘形成高约30m的陡坎,舌部向前滑移约30m,推毁房屋数间,直接经济损失达700万元,企业停产近1a。2001年后,又连续发生3次以上小型滑坡,形成塌陷坑14个,体积14393m3,地裂缝22条,长度2160m。如果不能对滑坡体的演变特征进行准确的预警,同时采取有效的防治措施治理滑坡,可能会造成巨大的财产损失和人员伤亡,并且严重影响着下方多金属矿产资源的安全可持续开采。针对矿山开采诱发滑坡的广泛性、边坡岩体复杂性等实际情况,目前,许多文献对滑坡灾害的监测及预警预报技术进行了研究和探讨。如:Z.Leonardo等研制出超前预警监测系统,能够自动监测滑坡体内的震动噪音、孔隙水压力、地表位移、降雨量等参数,并自动激发警报程序发出滑坡灾害预警。B.A.Reevea等利用In-SAR技术,对露天矿岩石边坡进行监测,监测目的是为了对经常发生崩塌灾害的边坡进行稳定性评价,以此来判断边坡的稳定状态。R.Ohbayashi等提出应用感知节点网络系统对滑坡体变形进行监测,该系统具有自我恢复、自动控制和高效数据传输功能,避免自然灾害对传感装置的破坏。许利凯等基于遥测技术和GSM通讯网络研发出“滑坡体无人值守监测设备(KLA–1)”,该系统是测量滑坡体地表相对位移的监测仪器。唐然等对时域反射法的工作原理及在滑坡监测中的应用作了一定的理论和试验研究。G.Puglisi等基于GPS和卫星大地测量技术,研发出“地表变形监测系统”,该系统具有连续测量地表变形及无线传输监测数据的功能。在滑坡实际监测过程中,上述方法为滑坡灾害监测、预警提供了许多新思路和新技术,取得了众多研究成果。然而,位移和倾斜是产生滑坡的必要而非充分条件,即滑坡体产生位移或裂缝不一定会发生滑坡灾害,下滑力才是滑坡发生的充要条件,只有下滑力超过岩体抗滑力,边坡才会发生破坏。因此,单纯的位移监测具有一定的时间滞后性和现象不确定性,很难实现滑坡灾害的超前预警预报。本文针对罗山滑坡体的基本特征和形成机制,提出利用“采矿治理滑坡”的新理念,并探讨了基于滑动力远程监测技术对滑坡体演变特征进行实时监测,从而指导矿山开采,及时调整采矿顺序,促进采矿活动和滑坡体稳定和谐发展。2滑动梯子总结2.1海域面积和海拔高度罗山矿区滑坡体地处河南省灵宝市阳平镇桑园村,位于大湖河东岸(见图1),海拔680~980m。随着矿山开采规模的日益扩大,现已形成了滑坡体I,II,III,IV(见图2),总面积约17.96×104m2,滑坡体地表坡度为20°~40°。2.2第四系黄土及残坡积地下水滑坡区出露的地层为太古界太华群铝家峪组及第四系。(1)铝家峪组总体产状与区域上一致,走向近EW,倾向NNW~NNE,倾角20°~50°,岩石呈层状或似层状产出,岩性组合主要为中深变质岩的混合岩、混合片麻岩、黑云斜长片麻岩等。(2)第四系黄土及残坡积主要分布于罗山矿区北部及沟谷中,覆盖了矿区总面积的70%左右,根据钻探工程揭露由南向北,黄土由薄变厚,最大厚度可达246m。滑坡区内断裂构造具有多期性活动特征,受区域大地构造影响,可以分为近EW向、NW~NWW向、NE向和近SN向4组。近EW向的断裂较发育,为矿区主要断裂,其中F5,F1,S35为矿区主要储矿构造,控制了近90%以上工业矿体。2.3城市聚乙烯纳米岩石滑坡区主要含水层为第四系砾石层和构造带,其次为混合花岗岩伟晶岩、碎裂石英脉,其他岩石可视为相对隔水层,大气降雨补给后,松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散堆积物孔隙中,具有较强富水性。滑坡区原始静水位为688.19~654.39m标高,经过矿坑排水,地下水位已经降至610m左右,地下水充水水源主要为构造带补给。2.4滑坡体iii罗山矿区滑坡体呈东西展布,其中滑坡体I,II,III位于山脊主裂缝西侧,大塘沟北侧,主滑方向300°,属于岩土混合滑坡。滑坡体IV位于山脊主裂缝东侧,主滑方向46°,属于土质滑坡。滑体、滑坡体特征统计表如表1所示。3罗马法上滑坡体物理力学机制滑坡机制是一定地质结构条件下,边坡在各种因素作用下从稳态到失稳,再到新的稳态整个过程动态变化的物理力学本质和规律。由于罗山滑坡体地质结构、作用因素和滑坡历史复杂,不可能用一种机制来解释。通过对罗山滑坡体特征、水文地质结构、采空区时空分布特征、矿山开采现状等因素的研究,确定出罗山矿区滑坡灾害发生机制。3.1为基岩防护地质及变形提供了依据罗山滑坡体前缘和中后部大部分出露第四系粉质黏土,中部为基岩,岩性为碎裂混合花岗岩及高岭土化糜棱岩,在矿山开采、风化作用和构造活动的联合作用下,岩体碎裂、构造发育,岩体强度较低,为滑坡灾害的发生提供了基本物质条件。3.2滑坡灾害发生原因罗山滑坡体原为一稳定的岩质边坡,受开采技术、成本和矿体空间分布特征的影响,矿区采取“坡脚下方首先开采”的技术方案(见图3),使边坡内应力重新分布。随着矿产资源开采规模的日益扩大,罗山滑坡体下方采空区面积逐渐增加,顶板岩体拉应力增大,裂隙发育,采场顶板由于被割裂而垮落。同时,引起上覆岩层变形、移动,在地表形成多条地裂缝和塌陷坑,局部地区发生沉陷,促使边坡坡度变陡,势能变高,产生滑坡灾害。应用SPSS13.0软件,对罗山矿区2005~2008年间154个采矿量统计数据、地表垂直位移监测数据进行回归分析,二者呈显著线性相关,相关系数R=0.968,反映出矿山开采直接导致了滑坡体表面位移变化(见图4)。3.3坡面边界裂缝下的雨水中风压罗山滑坡体顶部和底部裂缝发育,根据现场勘察,主要有4种类型:垂直裂缝、斜交裂缝、水平裂缝、羽状裂缝。其中,在滑坡体顶部山脊处,有一条贯穿整个山脊的南北向张拉裂缝,宽度为55~500mm,这些裂缝为大气降水的入渗提供了良好的条件。雨季,特别是高强度集中降雨,雨水从坡体和边界裂缝下渗,在滑动面上聚积,软化滑动面土体,增大孔隙水压力,降低滑动面土体抗剪强度,减小了抗滑力,同时增大滑体重量和下滑力。降雨和裂缝起到催化剂的作用,降低滑坡体自身稳定性,在一定条件下诱发了边坡的失稳。4滑动试验和质量控制4.1矿山开采的地质意义矿山开采和滑坡是一个矛盾的统一体,具有统一性与斗争性、绝对与相对、有条件与无条件的特性。传统观念认为采矿必然引起滑坡,滑坡与采矿有着内在的因果联系。然而,实践证明在某种条件下,正确的矿山开采也能够治理滑坡。随着矿产资源开采规模的日益扩大,2001年后,罗山矿区又发生多次小型山体滑坡。笔者对这些滑坡进行了多次灾后追踪考察,掌握了大量第一手资料。通过分析滑坡特征、采空区分布、矿山开采方案等资料,提出利用采矿治理滑坡的新思路,并且及时调整了矿山开采方案,要求“首先开采山顶下方的矿体”,使采空区顶板脆性岩层的应变能逐渐积累、释放,山顶处发生沉陷,滑坡体坡度变缓,势能降低,山坡趋于稳定,而后再开采中部和坡脚下的矿体(见图5)。矿山开采势必要改变其周围原岩应力场分布,破坏滑动面上下滑力和抗滑力之间的平衡状态。为了能够及时捕捉滑动面上下滑力在矿山开采等作用力下的演变特征,动态调整矿山开采方案,使矿山开采向着有利于边坡稳定的方向发展,本研究采用中国矿业大学(北京)研发的滑坡远程监测预警系统(SPRM–01)对罗山矿区滑坡体进行实时远程智能监测。4.2不可测的下滑力监测SPRM–01型滑坡远程监测预警系统以下滑力大于抗滑力是滑坡产生的充要条件作为滑坡体滑动的主要判据,提出滑动面上抗滑力和下滑力之间的平衡关系是滑坡体内各种因素包括岩性、构造、位移、岩层倾斜、地下水水位变化以及降雨共同作用的结果,决定了边坡稳定状态。因此下滑力监测最能反映滑坡体运动特征和演变规律。但是,滑坡体内部的下滑力作为“天然力学系统”是不可测的,而人为力学系统是可以测量的,因此将可测的人为力学系统插入到不可测的天然力学系统中,组成一个新的部分力学量可测的复杂力学系统,利用可测的人为力学量,通过公式计算出不可测的下滑力,从本质上实现滑坡灾害的超前、准确预报(见图6)。不可测的下滑力可表示为其中,式中:P为扰动力(摄动力)(kN);1k,k2均为常数,由岩性、几何和水这三大影响系数控制;为边坡滑动体各土层内摩擦角加权平均值(°);c为滑动面各土层黏聚力(kPa);l为滑动面长度(m);α为滑动面与水平面的夹角(°);θ为监测锚索入射角(°);U为单宽滑动面承受的孔隙水压力(kPa);V为后缘单宽拉裂面承受的总孔隙水压力(kPa)。U,V的大小视坡体结构和地下水流纲具体情况而定。4.3测试系统组成SPRM–01型滑坡远程监测系统由三部分组成:力学传感装置(现场安装)、力学信号采集传输设备(现场安装)和信号接收分析终端(室内安装)。(1)力学传感装置由监测锚索和应力传感器组成。其中,应力传感器安装在监测锚索外端部,完成摄动力感应任务。(2)力学信号采集发射装置,是整个系统的核心部分。设备内嵌数据采集模块、数据储存模块、数据发射模块、电源管理模块和SIM卡槽,设备外接电池组和天线等硬件。(3)信号接收分析终端,由信号接收器、信号处理器硬件及接收分析软件组成。接收分析软件用于同信号接收设备进行通信,将接收设备传来的数据存入数据库,进行分类汇总和计算处理,便于授权用户查询和检索,并且利用图表绘制软件实时绘制“下滑力–时间”监测曲线。4.4监测点施工结果验证潜在滑动面的确定主要是通过对面波地震勘探资料和工程地质详勘资料的深入研究得出,并且利用监测点钻孔施工过程中得到的实际钻孔编录资料对详勘资料进行验证。通过验证发现部分详勘资料与实际监测点钻孔记录存在差异,在这种情况下,以实际钻孔记录资料为准,来确定潜在滑动面的埋深和分布特征。4.5滑坡体监测线点设置在确定监测点布置方案时,充分考虑滑坡体地形地貌、岩性、地质构造、裂缝空间分布、采空区时空分布特征、监测精度、施工可操作性等因素,根据“体上布线,线上设点”的原则,按照一定的密度在4个滑坡体上共设置11条监测线,53个监测点。例如滑坡体III面积较大,纵向长320m,横向宽260m,滑坡后缘至前缘裂缝发育,废弃坑道分布密集,在监测线(点)选取时横向设置3条监测线,每个监测线上布设5~6个监测点(见图7),按照从坡脚到坡顶的顺序对监测点进行编号,便于监测数据的分类汇总与管理。另外,考虑到罗山滑坡体上已有27个位移监测桩(见图7),为了验证位移监测的时间滞后性,在每个位移监测桩附近安装一个或多个下滑力监测点。4.6滑坡体应力下降明显罗山矿区滑坡体53套远程监测预警系统于2008年5月3日~2008年8月1日全部安装并调试完毕,开始对滑坡体进行24h智能监测。近10个月来,累计采集了10万条珍贵监测数据,为罗山矿区滑坡体演变特征分析及预警预报提供了重要依据。通过对53条“下滑力–时间”监测曲线和监测数据的统计分析发现:(1)近10个月,86%的监测曲线呈水平直线或近似于水平直线,滑坡体保持稳定状态(见图8(a))。(2)14%的监测曲线呈缓慢上涨/下降趋势,应力上涨/下降幅度平缓,最大极差约238kN,滑坡体处于相对稳定状态(见图8(b))。宏观分析,罗山矿区4个滑坡体整体处于相对稳定状态,滑坡体抗滑力暂时可以维持坡体平衡。应力上涨部位主要集中在滑坡体顶部,沿山脊主裂缝呈带状分布,如监测点No.3–11,No.2–15,No.1–7等均出现滑动力上涨趋势(见图8(b))。这表明调整开采顺序后,采取“首先开采山顶下方矿体”的采矿方案使山顶处发生沉陷趋势,有利于坡度变缓,势能降低,山坡趋于稳定。5滑坡体充填采矿对采矿方向的影响(1)通过对罗山矿区滑坡体特征、采空区时空分布特征和矿山开采方案的综合分析可知,滑坡体松散、脆弱的地质结构和不合理的采矿顺序是滑