塌陷坑陡傾斜邊坡穩定性有限元分析

彭敏杰 鄒平 王飛飛

（①內蒙古興業集團融冠礦業有限公司 錫林郭勒盟026300 ②長沙礦山研究院有限責任公司 長沙 410012）

1 引言

采用傳統采礦方法開采井下礦體極易引起地表塌陷[1-2]。地表形成的塌陷坑由于不連續塌陷，形成了塌陷坑陡傾邊坡，給礦山安全生產帶來隱患[3-4]。在融冠礦業采用無底柱分段崩落采礦法作為主體采礦方法進行開采礦體，于2008 年6 月按1158 中段放頂設計進行了放頂施工，之后井下采空區與地表連通，地表沉陷形成了最初的地表塌陷坑[5]。隨著井下開采的推進，塌陷區范圍不斷擴大，至2019 年5 月，已形成一個南北長約275m，東西寬約210m，近似橢圓塌陷坑，呈漏斗狀，塌陷坑上口面積約5.4萬m2，下口約0.78 萬m2，最深處與地表高差近135m，經測算漏斗型塌陷坑體積約267萬m3。

地表塌陷坑形成了陡崖式的邊坡，尤其在礦體下盤巖體處邊坡接近垂直，在地表多處有寬度大小不一的裂縫，后期有進一步垮塌或產生滑坡的可能，誘發井下沖擊波、井下局部突水等安全隱患[6]。

2 礦山概況

2.1 地層

區內出露地層比較簡單，主要有奧陶系中統多寶山組及二疊系下統寶力格組及第四系。

2.1.1 奧陶系中統多寶山組

出露于礦區中部，主要為其下巖段，巖性主要為石榴石矽卡巖、綠簾石矽卡巖、大理巖、黑云母角巖；為查干敖包鐵鋅礦賦礦層位，總厚度498m。地層產狀：走向NE35～40°，傾向NW，傾角50～62°。

（1）石榴石矽卡巖：灰黃綠、黑綠色，它形～半自形粒狀變晶結構，塊狀構造。主要組成礦物為石榴石，少量透輝石、綠簾石、綠泥石、方解石、石英、磁鐵礦、閃鋅礦等。與磁鐵礦、閃鋅礦關系密切。石榴石：約占70%，淡黃、黃褐色，半自形～它形晶，粒徑多為0.3～0.8mm，多具環帶狀光性異常，以鈣鐵石榴石為主，鈣鋁石榴石少量。透輝石：約占10%，淡綠色，柱狀、粒狀半自形晶，粒徑0.1～0.7mm，局部被碳酸鹽、石英交代。磁鐵礦：少量，多以它形～半自形晶充填于石榴石間隙處，少數呈自形晶。被閃鋅礦交代，有時見磁鐵礦被磁黃鐵礦交代呈骸晶狀。粒徑0.1～0.5mm 左右，少數呈浸染狀者粒徑小于0.1mm。綠簾石：少量，微粒狀，粒徑小于0.1mm。

（2）綠簾石矽卡巖：黃綠、灰褐色，粒狀變晶結構，塊狀構造。主要組成礦物為綠簾石，其次是石榴石、透輝石、陽起石、綠泥石、磁鐵礦、閃鋅礦、褐鐵礦、方解石。綠簾石呈粒狀，短柱狀，半自形～它形晶，微具走向排列，含量85～90%。巖層厚度80～110m。夾磁鐵礦及閃鋅礦體，為36～49號礦體賦礦巖石。

（3）大理巖：灰白色，粒狀變晶結構，塊狀構造，礦物組成主要為受熱變質作用重結晶的方解石組成。方解石約占90%，其余為白云石、透閃石、石英，巖層厚度98m。

（4）黑云母角巖：灰黑色，鱗片花崗變晶結構，礦物成分主要為黑云母（約占60%）、石英（約占30%），少量長石及不透明金屬礦物，巖層厚度10～25m。

2.1.2 二疊系下統寶力格組

出露于礦區西部及北部，其巖性主要為凝灰質板巖、含角礫巖屑凝灰巖及凝灰巖。

（1）凝灰質板巖：灰～灰黑色，變余凝灰質泥質結構，板狀構造，巖石中隱晶質的鱗片狀礦物（黑云母和絹云母）具定向排列，由凝灰質礦物蝕變而成。此外，尚含有隱晶質的長石和石英及細脈狀的綠泥石集合體等。

（2）含角礫巖屑凝灰巖：巖石呈灰白色，含角礫巖屑凝灰結構，塊狀構造。一般由小于2mm 的火山灰組成，局部含有大于2mm 角礫碎屑物，以巖屑為主，次為晶屑、玻屑和火山塵，一般含有火山角礫，構成含角礫凝灰巖。巖屑成分為凝灰巖、流紋巖、熔結凝灰巖，局部見少量安山巖，棱角狀，含量40%左右，晶屑為斜長石、鉀長石和石英，含量小于10%，其余為火山塵和玻屑。

（3）凝灰巖：巖石為灰色、灰白色、灰粉色、淺紅色、灰紫色等，凝灰結構，塊狀構造。由凝灰物組成，個別含有正常沉積物。凝灰物為小于2mm 的晶屑、巖屑、玻屑、火山塵，晶屑為鉀長石或斜長石、石英，呈次棱角狀－棱角狀，含量為5～40%；巖屑為流紋巖、安山巖、粗安巖等，次棱角狀－棱角狀，含量為5～10%；玻屑，多已脫玻形成長英質礦物，長石可見土化，雞骨狀、弧面棱角狀假象清楚，含量為0～45%；火山塵，均已脫玻形成長英質礦物，含量為0～25%。副礦物有磷灰石、鋯石。部分巖石可見土化、絹云母化、碳酸鹽化等蝕變。

2.1.3 新生界第四系

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

2.2 礦體特征

礦床由27 條工業礦體組成，地表露頭礦體2 條（1、2 號），隱伏盲礦體25 條（其中鐵鋅礦體12 條，編號為1、1-1、1-3、7、9、10、11、35、36、38、41、43 號；鐵礦體10 條，編號為2、6、13、23、42、44、45、46、48、49號；鋅礦體5 條，編號為31、37、39、40、47 號）。1、1-1、1-3、2、6、7、9、10、11、13、23、31、35號礦體，賦礦巖石為石榴石矽卡巖；36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49號礦體，賦礦巖石為綠簾石矽卡巖。

1 號鐵鋅礦體礦石資源儲量占礦區總儲量的51.66%，Zn金屬量占總金屬量的50.45%，1-1、1-3為新增礦體，生產勘探工程集中于1、1-1、1-3號礦體，該3條礦體為本次生產勘探增儲對象，也是生產勘探后的首采區，其它礦體均無變化。

（1）1號礦體

分布于7～10線之間，為鐵鋅共生礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈似層狀、走向23～35°，傾向北西，傾角37～50°，礦體產狀上陡下緩，但總體較穩定。地表由探槽控制，深部由5個中段及6個鉆孔控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。該礦體1068m中段以上大部分采空。

地表：由4 個探槽控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度3.06～70.80m，平均24.45m；品位：TFe27.09～32.18%，平均品位31.01%；Zn0.69～1.27%，平均品位1.22%。

1156m 中段：由5 個穿脈控制，控制礦體長度210m，礦體厚度15.31～42.00m，平均31.86m；品位：TFe27.72～31.29%，平均品位29.31%；Zn0.92～3.76%，平均品位1.90%。

1117m 中段：由6 個穿脈及8 勘探線的鉆孔ZK4控制，礦體延長355m，礦體厚度8.44～58.66m，平均27.90m；品位：TFe26.59～32.03%，平均品位29.32%；Zn1.78～7.00%，平均品位4.24%。

1068m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長354m，礦 體 厚 度9.39～69.07m，平 均36.96m；品 位：TFe25.10～31.01%，平均品位28.49%；Zn4.35～7.07%，平均品位5.74%。

1021m 中段：由6 個穿脈控制，礦體延長379m，礦 體 厚 度0.64～56.51m，平 均36.12m；品 位：TFe27.13～32.25%，平均品位30.43%；Zn1.47～4.91%，平均品位3.55%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長386m，礦體厚度0.64～45.28m，平均26.64m；品位：TFe25.90～32.94%，平均品位29.57%；Zn3.28～8.76%，平均品位4.97%。

921m中段：由5個穿脈控制，礦體延長312m，礦體厚度0.95～60.64m，平均13.33m；品位：TFe31.08～35.19%，平均品位33.66%；Zn3.85～7.19%，平均品位5.40%。

1號礦體最大延長386m，延深425m。厚度0.64～69.07m，平均49.22m，厚度變化系數94.08%；TFe品位29.90～38.12%，平均品位31.06%，品位變化系數43.47%；Zn品位1.22～11.30%，平均品位4.60%，品位變化系數47.28%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（2）1-1號礦體（新增）

分布于7～8 線之間，位于1 號礦體下盤，為本次生產勘探根據礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀，走向23～35°，傾向北西，傾角50～68°，礦體產狀較穩定。由3 個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1068m 中段：由5 個穿脈控制，礦體延長233m，礦 體 厚 度10.11～26.51m，平 均18.38m；品 位：TFe29.56～30.98%，平均品位30.43%；Zn3.80～4.60%，平均品位4.20%。

1021m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長329m，礦 體 厚 度11.04～23.89m，平 均17.35m；品 位：TFe29.01～32.86%，平均品位30.79%；Zn4.18～6.07%，平均品位5.19%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長321m，礦體厚度14.49～29.07m，平均18.87m；品位：TFe27.16～34.32%，平均品位30.52%；Zn4.60～5.21%，平均品位4.94%。

1-1 號礦體最大延長329m，延深140m。厚度10.11～29.07m，平均18.25m，厚度變化系數78.32%；TFe 品位27.16～34.32%，平均品位30.48%，品位變化系數40.35%；Zn 品位3.80～6.07%，平均品位5.01%，品位變化系數45.17%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（3）1-3號礦體（新增）

分布于7～8 線之間，位于1-1 號礦體下盤，為本次生產勘探根據礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體，賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀，走向23～35°，傾向北西，傾角50～68°，礦體產狀較穩定。由3個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1068m 中段：由5 個穿脈控制，礦體延長233m，礦 體 厚 度4.65～23.58m，平 均14.95m；品 位：TFe26.76～36.37%，平均品位30.71%；Zn4.17～5.30%，平均品位4.62%。

1021m 中段：由7 個穿脈控制，礦體延長330m，礦 體 厚 度7.34～36.20m，平 均26.48m；品 位：TFe27.73～35.49%，平均品位30.79%；Zn4.43～4.84%，平均品位4.61%。

971m中段：由7個穿脈控制，礦體延長321m，礦體厚度21.84～66.39m，平均40.63m；品位：TFe31.02～33.11%，平均品位32.06%；Zn4.57～4.98%，平均品位4.71%。

1-3 號礦體最大延長320m，延深155m。厚度4.65～66.39m，平均23.19m，厚度變化系數65.18%；TFe 品位26.76～36.37%，平均品位31.36%，品位變化系數39.76%；Zn 品位4.17～5.31%，平均品位4.67%，品位變化系數43.19%；其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。

（4）35號鐵鋅礦體

分布于8～14線之間，為盲礦體，礦體賦存于石榴石矽卡巖中，走向30°左右，傾向北西，傾角67～78°，平均75°，礦體呈脈狀產出。地下深部由段高約20m的3個中段控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。

1138m 中段：由8 個穿脈控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度16.39～48.30m，平均39.32m；TFe 品位25.17～26.75%，平均品位25.57%；Zn 品位4.79～6.71%，平均品位5.81%。

1118m 中段：由7 個穿脈控制，控制礦體長度210m，控制礦體真厚度15.45～36.70m，平均29.94m；TFe 品位25.30～31.39%，平均品位27.25%；Zn 品位5.14～6.36%，平均品位5.73%。

1098m 中段：由7 個穿脈控制，控制礦體長度200m，控制礦體真厚度7.73～37.28m，平均23.84m；TFe 品位25.75～28.48%，平均品位26.94%；Zn 品位5.05～6.60%，平均品位5.48%。

35 號礦體延長210m，延深105m。厚度7.73～48.30m，平均31.03m，變化系數83.66%，TFe品位25.17～31.39%，平均品位26.65%，品位變化系數45.67%；Zn品位4.79～6.71%，平均品位5.78%，品位變化系數36.88%；礦體形態復雜，厚度較穩定，有用組分均勻。

3 有限元分析

選取塌陷坑最危險的剖面作為本次研究的主要剖面，剖面見圖1 所示。采用的力學參數見表1 所示。利用phase2 計算軟件模擬了剖面的應力、位移、剪應變及邊坡拉剪破壞區域分布[7-9]，見圖2～圖3。并進一步計算了在不同折減系數下的邊坡最大剪應變，見圖4～圖6。

（1）應力分析：通過剖面模型的主應力等值線分布圖（圖2）可知：邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大，越接近坡面主應力值越小，其方向從坡體深部的垂直方向，逐漸轉為淺部的順坡方向，且在坡體的下部受開采臺階的影響，其應力的擾動狀態較大。

（2）位移分析：剖面模型開挖坡體的位移主要是向塌陷坑臨空面移動（圖3），最大位移值為0.60m。

（3）塑性破壞區分析：剖面模型坡體的塑性破壞區主要為拉應力和剪切破壞區（圖4）。拉應力破壞區主要分布在坡頂和第四系層面；剪切破壞區主要分布在風化帶面附近、塌陷坑底和坡頂。

圖1 工程地質剖面

圖2 剖面模型的應力分布圖

圖3 剖面模型的位移矢量分布圖

圖4 剖面模型的拉剪破壞區域圖

圖5 剖面模型F=1.0時最大剪應變分布圖

圖6 剖面模型F=1.20時最大剪應變分布圖

圖7 P1剖面模型F=1.22時最大剪應變分布圖

（4）安全系數：強度折減法計算的安全系數為F=1.20，比極限平衡的分析結果（F=1.181）稍大，顯示的滑面位置基本相同，符合一般規律，結果可靠。

（5）滑坡機理分析：圖5～圖7為剖面模型強度折減法計算安全系數的過程，從強度折減系數F取值為1.0、1.20和1.22的情況下計算出邊坡內最大剪應變和剪切破壞區的發展趨勢來看，初始階段坡腳范圍存在剪切破壞區，隨著折減系數的增大（1.0～1.20），剪切破壞區向上發展。當折減系數增大至1.20～1.22 時，坡底剪切破壞區繼續向上發展，邊坡產生整體破壞。

4 結論

為了得到礦山塌陷坑陡傾斜邊坡穩定性情況，采用phase 2 有限元分析軟件分析模擬了邊坡穩定性。得到了以下幾點結論：

（1）邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大，越接近坡面主應力值越小；

（2）通過二維有限元分析邊坡位移較大，有失穩的可能；

（3）分析結果顯示塌陷區邊坡上部凸起部位是目前滑塌產生的主要位置。