露天鐵礦端幫開采誘發(fā)的地表及巖層移動規(guī)律

韓文斌， 高琨鵬， 王漢斌

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，太原 030032；2.中國地質大學(北京)工程技術學院，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量的80%左右[1-3]。這些露天鐵礦經過多年的持續(xù)開采，90%以上已經進入了露天深坑開采階段[4]。深凹露天開采不僅經濟效益較低，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輸距離大，運輸成本較高；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，這導致礦山開采的經濟效益無法保證[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，多數露天鐵礦已經或即將轉入地下開采。

端幫開采將誘發(fā)端幫巖體內應力的重新分布，端幫內將會產生更復雜的次生應力場[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)的地質災害不僅容易破壞礦區(qū)交通運輸系統(tǒng)，導致礦區(qū)周邊附屬建筑設施無法正常使用，而且大規(guī)模滑坡對露天坑底產生巨大的沖擊壓力將嚴重威脅采場的安全，對礦山的安全生產造成不利影響。端幫開采誘發(fā)地質災害的本質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)結構面(節(jié)理、層理、斷層、裂隙等)等多個因素共同影響下產生劇烈移動的結果。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構變形兩方面。其中，巖體結構變形是指巖體中非連續(xù)結構面(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構面強度相對較低，巖體的變形主要來自于巖體結構變形，因此巖體內非連續(xù)結構面的強度直接影響著巖體的強度。同時，由于巖體的破壞主要是沿結構面的剪切破壞為主，因此結構面最主要的力學性質是其峰值抗剪強度[15]。在眾多類型的結構面中節(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)律進行深入研究，獲得端幫開采誘發(fā)地表及巖層移動的相關規(guī)律，以此研究成果指導工程實踐，避免端幫地表及巖層大規(guī)模移動破壞導致的經濟損失，保證生產安全。

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，礦坑坑底標高達-183 m。2012年9月眼前山礦開始對東、西端幫下的端幫礦體進行開采，此后東端幫坡表出現大范圍的滑移、塌陷等劇烈變形。眼前山礦區(qū)工程地質條件復雜，斷層、裂隙帶發(fā)育，巖體破碎。礦區(qū)整體構造為陡傾單斜構造，構造面傾角為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、南部產狀及間距略有差異，東端幫內節(jié)理的參數如表1所示，節(jié)理產狀及密度的分布情況如圖2所示。

表1 節(jié)理參數表

2 模型試驗設計

物理模型試驗的設計需要在明確研究目的的基礎上進行，結合眼前山鐵礦實際巖體情況構建三維物理模型，以此來反映真實復雜節(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)測設備

模型箱是進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度螺栓連接。模型箱四個側面安裝厚度約為12 mm的有機玻璃板，該材質的玻璃板具有較高的強度和透明度，既能夠為物理模型提供有效的側向支撐，又能夠保證對物理模型剖面變形的觀測。經過結構強度及結構抗傾覆驗算，該模型箱能夠保證試驗的順利進行。

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性質滿足試驗要求，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參數與目標值見表2。

表2 相似材料物理力學性質

2.3 模型設計及建立

按照幾何相似比200構建長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物來模擬節(jié)理內的膠結物，通過調節(jié)黏結物的抗剪強度來控制節(jié)理的抗剪強度。依據現場調查，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)理的產狀分別為：0°∠90°、90°∠80°和270°∠10°，繪制這三組節(jié)理的產狀示意圖如圖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)域巖層產生較大位移的豎向垮落運動；Ⅱ區(qū)域巖層產生下沉變形，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)的滑移傾覆運動為主，部分靠近坡表的巖塊則產生向坡腳的失穩(wěn)變形。3號礦體開采后，圖6(c)中Ⅰ區(qū)域內散亂的巖塊進一步下沉；Ⅱ區(qū)域巖層產生位移量較小的下沉運動；Ⅲ區(qū)域巖層以沿緩傾節(jié)理的滑移運動為主。4號礦體開采后，端幫內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。

模型試驗過程再現了采礦誘發(fā)巖層移動全過程，發(fā)現了典型的巖層變形破壞現象如巖體的離層、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)]內產生多條沿陡傾節(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)并進行了分析。

圖8 模型位移點云圖Fig.8 Cloud chart of model displacement point

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

4 結論

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，得到結論如下。

(1)巖層主要變形模式為：水平緩傾節(jié)理的存在導致開采初期頂板巖層由于失去下部巖層支撐而產生離層，同時導致巖層彎曲產生拱效應；陡傾節(jié)理的存在導致坡表出現井狀塌陷坑，這與現場調查發(fā)現的塌陷坑比較吻合(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)理的張開導致坡表形成了地裂縫，坡表塌陷坑的形成導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)展過程進行解析，是一種有效的研究手段，研究結果可為工程災害的防控提供依據。