地下采矿诱发自然水体崩滑的研究现状与分析

地下采矿诱发自然水体崩滑的研究现状与分析

1地下开采诱发山体崩滑灾害发生机制滑动灾害一直是人类生命和财产安全的主要灾难之一。随着人类地下工程活动的日益频繁,由地下采掘诱发的山区崩滑地质灾害也日渐增多,且造成了大量的人员伤亡与财产损失(见表1)。1903年4月29日,加拿大Alberta省发生Frank滑坡,总体积约3×107m3,滑坡体掩埋了坡下Frank镇的3/4,导致76人死亡。调查表明:不利的地质条件是滑坡的内在因素,而大规模地下采煤是导致滑坡发生的直接触发因素。1980年6月3日,湖北宜昌盐池河磷矿区发生大规模灾难性山体崩塌,总体积约1×106m3,摧毁了该矿整个工业广场及民用建筑物,造成284人死亡,研究发现,地下采掘是导致此次大规模滑坡的主要原因。2009年6月5日,重庆武隆鸡尾山发生大规模崩滑——碎屑流,导致74人死亡,8人受伤的重大灾难,调查发现,崩滑体下部同样存在着地下采煤情况,且采空区面积已超过5×104m。地下采掘诱发的崩滑地质灾害不仅会直接损毁地下和地表的建筑工程设施,导致人员伤亡和巨大的财产损失,而且还会诱发泥石流、堰塞湖、生态环境恶化等其他次生地质灾害,造成更大的损失。研究地下采掘诱发山体崩滑灾害的发生机制问题意义十分重大且迫在眉睫。针对此问题,一些学者做了大量深入的研究:D.B.Jones等采用物理模拟和数值模拟的方法对南威尔士浅表层滑坡进行了研究,认为由于矿体采空,采空范围内顶板产生拉应力,使层面和节理裂隙等弱结构面扩展,导致边坡安全系数降低了66%;孙玉科和姚宝魁对宜昌盐池河山崩进行了分析,认为盐池河山崩与地下磷矿层的采掘有关;杨忠民和黄国明采用弹塑性有限元方法分析了地下采掘条件下斜坡位移场和应力场的变化规律;许强等分别采用数值模拟的方法对武隆鸡尾山滑坡的发生机制进行了研究,结果表明,地下采掘改变了坡体的应力环境,使层状块裂岩体产生差异沉降从而引发失稳破坏。总结已有研究与灾害实例,认为此类由地下采掘诱发的崩滑地质灾害多呈现以下特点:地形上坡体多高陡临空,上陡下缓;岩体介质结构方面坡体岩层多软硬相间,且岩层倾角一般不大;岩体结构方面坡体中多发育2组高角度相交的陡倾节理面,与顺层面发育的软弱层面一起将岩体切割成“积木块”状;坡体下部普遍存在持续的地下采掘活动。这类地质条件的斜坡在我国西南山区分布较广,且相当一部分坡体下部存在地下采掘活动。采动滑坡的上述特点决定了其灾害发生多呈现出规模大、突发性强、成灾模式复杂、危害严重的特性。为进一步加深对地下采掘诱发滑坡发生机制的认识,为同类地质灾害的预防和治理提供参考,本文以武隆鸡尾山滑坡为例,在大量现场工作的基础上,采用基于连续介质的离散元计算方法,并借助GPU高性能计算技术,建立了鸡尾山崩滑的大型三维数值模型,对地下采掘诱发山体失稳过程进行了精细仿真模拟。再现了坡体在地下采掘作用下的失稳破坏过程,并从变形和应力的角度对鸡尾山崩滑的发生机制进行了详细的分析。2鸡尾山崩滑体国内地质特征如图1所示,武隆鸡尾山崩滑体前缘(北侧)和右侧(东侧)边界高陡临空,左侧(西侧)和后缘(南侧)被2组大型裂缝切割分离,下伏软弱结构面。滑源区岩层为单斜构造,其倾向与陡崖临空面走向小角度相交。灾害发生时,体积约7×106m3的山体发生失稳滑动,在前方沟谷中形成长约2200m、平均厚度约30m的堆积区,导致严重的人员伤亡。鸡尾山滑坡体岩层主要为厚层坚硬灰岩,并夹若干软弱层面,岩体中发育2组近于正交的陡倾结构面,崩滑体左侧和后缘的2组大型裂缝就沿此2组结构面发育,与软弱层面一起把滑源区岩体切割成“积木块”状。坡体下部自20世纪20年代开始就存在持续的地下采煤活动,自坡体后缘向前缘采掘,近期采掘又刚好位于滑源区前缘正下方。煤层厚度平均约1.2m,采用房柱式采掘,地下采空区面积已超过5×104m2。在对武隆鸡尾山崩滑体研究的过程中,殷跃平等提出了对山体地质灾害的预测与实际之间的偏差(见表2)。偏差的存在表明这类地质条件山体成灾模式的复杂性,同时也说明对这类地质条件的山体成灾过程及诱发因素需进行进一步的研究,特别是强化对地下采掘这一诱发因素的研究。3根据武隆鸡尾山瀑布三维数值计算3.1滑坡体密度模型结合现场工作,并参考许强等的研究选取建模区域,确定滑坡体和地下采空区的位置,并做相应的简化,地质模型网格如图2所示。模型南北长1100m,东西宽800m,高690m,岩层产状345°∠21°。模型共包含157909个单元,采用莫尔–库仑强度准则(参数见表3)。为了更好地刻画山体的自然状态,滑坡体中不人为划分前端关键块体和后缘下滑驱动块体。同时,针对实际滑坡体西侧壁和后缘在坡体滑动前已形成的裂缝及前缘的岩溶带,在模型中分别建立对应的块体进行模拟,对其参数进行适当调整。3.2采空区简化模型按照实际地下采掘由坡体后缘(南侧)向前缘(北侧)的采掘顺序及相应位置,同时考虑到矿房矿柱式的采掘方法,建立对应的采空区简化模型(面积约50000m2),如图3所示。为简化问题的分析,采掘层厚度为2m,模拟采掘分4步进行,按图4所示第1步(A1~A3)→第2步(A4~A6)→第3步(A7~A9)→第4步(A10~A12)顺序递进采掘。为更好地分析地下采掘作用对山体模型的影响,在模型中设置了若干数据记录点。以下图中的标号1,2,3,4代表采掘步。3.3材料限元计算基于连续介质离散元方法是中国科学院力学研究所提出的适用于模拟地质体非连续变形及渐进破坏的一种数值算法。该方法将有限元与离散元进行耦合,在块体内部进行有限元计算,在块体边界进行离散元计算,不仅可以模拟材料在连续状态下及非连续状态下的变形、运动特性,更可以实现材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程。CDEM方法由四面体刚度矩阵来构成各种形状单元的矩阵,采用动态松弛技术进行求解,其基本方程为式中:M为节点质量矩阵,a为加速度向量,C为阻尼矩阵,v为速度向量,K为刚度矩阵,u为位移向量,F为节点受到的外力。由于模型单元数较多,在计算过程中,利用了GPU加速的计算技术,大大提高了计算效率,缩短了计算时间。4地下采动覆岩中滑坡体变形破坏现场调查发现坡体滑动面较平整,没有明显的垂向错动、断裂,说明坡体在地下采掘作用下发生了整体性的移动变形。临滑前数天坡体前缘出现数千立方米的局部掉块,说明滑坡体已经处于极限平衡状态。对处于极限平衡状态的滑坡体,任何微小的变形趋势都有可能导致坡体的失稳,因此考虑把坡体整体的移动变形趋势作为判断坡体稳定的主要依据。图5再现了滑坡体在地下采掘作用下的变形破坏过程。随地下采掘面积的增加,崩滑体前缘部分首先出现破坏,并逐渐向坡体后缘发展,最终形成整体破坏。为细化研究,以下将从变形和应力变化2个方面分别对前缘关键块体、后缘下滑驱动块体及前缘岩溶带的移动变形趋势进行详细分析。4.1地下开采对覆岩变形的影响严重切割呈“积木块”状的岩体结构特征,为坡体发生崩塌提供了有利条件。由于灾害发生前地下采掘活动主要位于滑源区前缘正下方,即位于关键块体下方附近,因此在地下采掘完成后,前缘关键块体外侧首先发生局部崩塌破坏,这与实际崩滑前滑源区前部出现多次小规模崩塌是吻合的。图6为关键块体底面中心剖面上4个数据记录点(位于同一EW向直线上)的沉降曲线。由分析可知,在地下采掘作用下,采空区上覆岩层发生了整体的不均匀沉降,越靠近临空面沉降值越大,逐渐往山内减小。计算表明,差异沉降导致关键块体岩层角度在向外崩塌方向上最大降低了1.8°。为进一步说明地下采掘对关键块体的扰动,在关键块体中心附近选取了5个竖向数据记录点,其向外偏移变形如图7所示。其中,最下面记录点位于采空区附近,最上面3个记录点位于关键块体内部。由分析可知,地下采掘诱发的覆岩倾倒变形越往坡顶越大,关键块体内岩体的偏移量明显大于其下部岩体偏移变形。同时,随地下采掘面积的增加,覆岩倾倒偏移量也逐渐变大。计算表明,偏移变形导致岩体竖向方向向外最大偏移了0.5°。由以上分析可知,“积木块”状岩体结构为崩塌提供了有利条件,而地下采掘导致的上覆岩体差异沉降是关键块体外侧发生局部崩塌的主要原因。4.2地下采空区滑动面的垂直沉降特征图8为后缘下滑驱动块体底滑面6个数据记录点(由坡体后缘到前缘,水平坐标值变大)的沉降变形。由分析可知,在地下采掘作用下,越靠近坡体前缘采空区,滑动面的垂直沉降越大;同时,随着采掘面积的不断增加,同一记录点的沉降值逐渐变大。计算表明,地下采掘导致的滑动面倾角角度最大增加了0.13°,这在一定程度上增加了坡体的下滑力,降低了抗滑力,从而加剧了后缘坡体的下滑变形。(2)地下掘进对岩体移动的影响上述6个数据记录点在采掘作用下的滑动变形如图9所示。分析可知,对于同一记录点,随着地下采掘面积的增大,其滑动变形不断增加;而对于同一采掘面积,除滑动体最后缘(190m)记录点第4步采掘完成后变形较大外,越靠近前部采空区岩体滑动变形越大,但变形量差别不大,这说明了地下采掘对岩体移动的影响是由坡体前缘向后缘逐步传递的。第4步采掘完成后,最后缘(190m)记录点出现了较大位移,原因是后缘坡体出现了明显的拉裂破坏,这与实际山体中后缘出现拉裂缝是相吻合的。同时,第4步采掘完成,也体现了地下采掘对坡体稳定的不利影响达到最大。4.3剪断突破过程应力状态分析由图9可知,随着地下采掘面积的增大,后缘下滑驱动块体滑动变形逐渐增加,从而进一步推挤前缘关键块体内侧岩溶带。而直至第4步采掘完成后坡体才发生整体失稳滑动,说明岩溶带直至第4步采掘完成后才被剪断突破。为充分说明岩溶带的剪断突破过程,单独对模型中岩溶带块体的应力状态进行分析。在岩溶带块体受推挤面设置若干数据记录点,以这些记录点的应力平均值作为受推挤面的应力状态(见图10)。同时考虑到岩层倾角沿滑动面方向的角度较小,忽略下滑块体对岩溶带垂直方向上的应力影响,只对岩溶带XY水平方向的应力状态进行分析。(1)抗剪切能力分析图11为地下采掘作用导致的岩溶带的正应力变化曲线。分析可知,随地下采掘过程的推进,岩溶带上的正应力由负变正,即正应力由压变拉,由指向山内方向转变为指向临空面方向,且应力的绝对值增加,这在一定程度上降低了岩溶带的抗剪切能力。(2)剪应力方向随正变负图12为岩溶带剪应力变化曲线。分析可知,随地下采空区面积的增加,剪应力方向由正变负,亦即沿岩溶带的剪应力,由指向山内利于坡体稳定转化为指向坡体崩滑方向而对坡体稳定不利;剪应力值也在第4步采掘完成后达到最大,从而导致岩溶带被剪断突破。4.4局部滑坡变形结合现场工作及计算结果分析认为鸡尾山崩滑体失稳破坏动态演进过程可归纳如下:(1)在地下采掘作用下,采空区上覆岩体发生整体性的移动变形,造成前缘关键块体向临空面方向发生倾倒变形,导致其外侧首先发生局部崩塌破坏,从而降低了关键块体对后缘下滑驱动块体的阻滑作用;(2)整体性的移动变形也造成后缘下滑驱动块体滑动面角度变大,增加了驱动块体的下滑力,降低了其抗滑力,进而加剧了坡体沿碳质页岩软弱层面的滑动变形;(3)前缘关键块体向临空面倾倒变形,导致其作用在岩溶带上的正应力由压变拉,从而弱化了岩溶带的抗剪切能力;而后缘下滑驱动块体沿碳质页岩软弱滑面变形的加剧,又进一步推挤岩溶带,导致其剪应力方向由指向山内转为指向临空面,剪应力绝对值增大,岩溶带发生剪断突破,最终导致坡体整体性的崩滑失稳。5地下掘进作用下的滑坡体失稳破坏模式(1)系统总结了国内外地下采掘诱发山体崩滑的案例与研究现状,详细归纳了这类采动滑坡的主要共同特点:地形上高陡临空,上陡下缓;岩体介质结构呈厚层状软硬相间结构,岩体中多发育2组高角度相交的陡倾结构面,与岩体中广泛发育的软弱夹层面共同作用把岩体结构切割成块状,坡体下部存在持续的地下采掘活动。(2)为进一步加深对地下采掘诱发滑坡发生机制的认识,为此类地质灾害的预防和治理提供参考,以武隆鸡尾山崩滑体为例,通过基于连续介质的离散元方法,建立了鸡尾山崩滑的大型三维数值模型,再现了滑