下伏復雜空區山體斜坡滑塌形成機理與數值模擬研究①

劉 璨，姜安民，2，董彥辰，2，王飛飛，熊奇偉，武庚鑫

（1.湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411100；2.中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004；3.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；4.湖南友誼國際工程咨詢股份有限公司，湖南 長沙 410005；5.中建四局第六建設有限公司，安徽 合肥 230011）

地下空場法采礦會形成地下采空區（群），經常會造成地表沉降、山體斜坡滑塌等問題［1?2］。賦存在山體中的礦體被開采后，會引起山體斜坡出現不同程度的滑塌現象，嚴重者會形成大規模垮塌滑坡地質災害［3?4］。礦體上覆山體造成的地質災害以及社會影響較大，因此急需開展地下采空區上覆山體斜坡滑塌產生的機理研究。目前已有多位學者開展了地下采空區引起地表塌陷、山體垮塌等災害機理研究［5?9］，通過對以上多位學者的研究內容進行總結分析可知，每個礦山產生的地質災害原因都不相同，主要原因在于不同礦山有其獨特的地質條件與開采方式，因而會產生不同特點的地表塌陷與山體斜坡滑塌情況。本文以實際礦山山體斜坡滑塌為研究背景，分析該礦山的地質災害產生機理，為礦山進一步開展災害治理與安全生產提供理論依據。

1 礦山概況

1.1 礦山地質條件

某金屬礦山礦區地形地貌和地質構造較簡單，地層巖性主要有3種，未發現大的巖溶，巖石以堅硬?半堅硬、完整?中等完整巖組為主，結構以層狀和整體塊狀為主，大部分巖石強度較高，穩定性較好，不易發生礦山工程地質問題。但部分地段巖石力學強度相對較低，穩定性差，可能引起礦山工程地質問題。

礦體產于斷裂破碎帶中，斷裂破碎帶呈北東向或北東東向切穿不同的地質體，因此不同部位圍巖性質也有所不同，巖性主要為黑云母花崗巖、礫巖及砂礫巖。由現場巖體結構面測繪統計結果可知，黑云母花崗巖有3組主要結構面，結構面傾角范圍77°～81°。礫巖有3組主要結構面，結構面傾角范圍85°～90°。砂礫巖有2組主要結構面，結構面傾角范圍75°～83°。

山體斜坡坡腳處存在一條寬10 m的省級道路，道路邊有一條寬100 m的河流，附近有多棟村莊房屋。目前道路運行正常，河流正常流通。若山體斜坡發生滑坡，將會沖毀道路、村民房屋并堵塞河流，造成嚴重的經濟損失與社會影響。

1.2 礦山生產概況

井下主要有礦體1、礦體2與礦體3共3個礦體。礦區采用斜井、盲豎井、平硐聯合開拓。開拓＋87 m，＋127 m，＋177 m，＋212 m和＋246 m共5個中段。采用普通淺孔留礦法開采礦體，采場構成要素：采場長40～60 m，采場垂直高度40 m，漏斗間距5～6 m，頂柱高3 m，底柱高3～4 m，順路天井通風，采場兩端順路天井架設平臺和樓梯行人。

2 山體滑坡概況

2.1 山體地表塌陷坑

目前在礦區山體地表存在2個塌陷坑。2個塌陷坑相距較近，一個在北部，另外一個在南部。其中一個塌陷坑是早期形成的，相對較穩定，塌陷范圍近些年有相對較大發展；另一個是新形成的塌陷坑，由于井下礦體的開采，新形成的塌陷坑不斷發展擴大，已經塌陷到井下正在開采的中段。

舊的塌陷坑坑口面積約245 m2、坑深10 m左右。新形成的塌陷坑坑口面積約150 m2、坑深6 m左右。地面塌陷區位于4.2×104m3的采空區上部，最低標高至采空區頂垂直距離21.8 m。該區域30號勘探線以東19 m位置出現地面下沉，形成一個“條帶狀坑”，初步測量長20 m、寬6 m、深5～6 m，滑坡體活動進一步加劇。

井下開采礦體后存在的大面積采空區是造成塌陷坑的主要原因。由于井下采空區面積較大，且空區分布錯綜復雜，井下礦體仍在進行開采，塌陷坑在后期極易進一步發展擴大，2個塌陷坑最終會形成一個較大的塌陷坑。通過塌陷坑揭露的地層可知，塌陷區第四系土層較厚，在雨季，山坡匯聚的雨水順著塌陷坑夾雜泥土碎石極易形成泥石流灌入到井下，形成井下泥石流，給礦山安全生產帶來極大的影響。塌陷坑的形成與不斷擴大，破壞了地表樹木、植被等礦山地質環境。

2.2 山體地表裂縫

前期，在山體斜坡地表主要是塌陷坑上緣部位出現了多處新老裂痕，距離塌陷坑約40 m。斜坡地表開裂長度達到80～100 m，寬度5～50 cm不等。發育的拉張裂縫近似弧形拉張裂縫，縫寬10～20 cm不等，且已經形成裂縫錯臺，巖土分離下錯，后緣壁陡直，可用竹竿插入2.0 m，裂縫邊緣呈不規則狀。如圖1所示。

圖1 山體地表裂縫

后期，礦區地表裂縫又出現了新的變化，地表裂縫長度、寬度及范圍進一步擴大，長度增加到100～270 m，寬度增加到50～260 cm，裂縫區域面積變大，伴隨有地表多處垮塌、下沉現象。

3 山體斜坡變形破壞機制分析

3.1 山體原始穩定階段

山體原始狀態如圖2所示。在井下礦體未被開采之前均屬于山體原始穩定階段，該階段地壓處于平衡狀態，地應力未被轉移，地層未被擾動。

圖2 山體斜坡原始狀態

3.2 山體地表塌陷裂縫形成階段

從井下礦體開始開采到地表出現塌陷坑和地表裂縫時間段為山體地表塌陷裂縫形成階段。由礦山技術資料可知，塌陷區第四系土層較厚，一般為10 m左右。礦體3被開采后，形成大面積采空區，空區頂板受開采擾動、結構面影響、裂縫發育擴展及地下水弱化巖石強度等因素影響，采空區上部巖層不斷垮塌冒落，采空區不斷向地表發展，最終導致上覆巖層與第四系土體產生變形垮塌，進一步造成地表形成塌陷坑及多處的張拉裂縫，地表裂縫與塌陷坑最近距離僅40 m。

礦區地表塌陷與裂縫是由井下采礦形成大量空區造成的，如圖3所示。

圖3 山體地表裂縫垮塌形成

3.3 山體地表塌陷裂縫擴展階段

礦體3開采完成后，在地表形成了塌陷坑與地表裂縫。繼續開采礦體2后，會造成地表塌陷與地表裂縫，開采礦體3形成的裂縫會逐漸向山頂發展，如圖4所示。由現場巖體結構面測繪統計結果可知，巖層結構面傾角相對較陡，在卸荷回彈效應與雨水侵蝕作用下，塌陷坑垂直巖體極易形成傾倒式破壞，巖體產生折斷，發生傾倒滑移變形，逐漸擴大了塌陷坑的范圍，并加劇了地表裂縫的發展。

圖4 山體地表裂縫垮塌擴展

依據現場調查可知，地表裂縫與塌陷坑之間的斜坡體產生了牽引式山體滑坡地質災害隱患，所形成的圈椅式地表張拉裂隙，圈定了山體滑坡的滑動范圍，確定了可能發生山體滑坡的邊界。目前山體斜坡處于山體地表垮塌裂縫進一步擴展階段。

井下某個中段主石門運輸平硐位置處巷道頂板發生拱頂變形、水泥塊脫落，巷道底板出現突起、垮塌、沉陷，巷道已完全報廢，滑坡體滑動進一步加劇。

3.4 山體斜坡滑塌階段

開采完礦體2與礦體3后，礦區地表裂縫不斷發展，井下采空區不斷擴大，隨著礦體1開采進行，地表裂縫進一步向山頂方向發展，當礦體1開采到一定程度后，地表又進一步形成了塌陷坑，地表多個塌陷坑基本連接在一起。雨季時，由于塌陷坑匯聚了雨水，灌入到井下，弱化了巖體強度。裂縫與塌陷坑貫通，塌陷坑進一步發展會沿著地表裂縫形成牽引式的山體滑坡地質災害，進而形成下部斜坡的推移式滑坡。如圖5所示。

受礦體開采的擾動或雨水沿裂縫滲入，塌坑與裂縫會進一步發展，極易誘發沿著潛在滑弧面（圖5中虛線）產生上牽引式?下推移式山體滑坡，危及坡腳人居環境的安全以及山坡腳下的公路運營和河流通暢。

圖5 山體斜坡滑塌形成

4 數值模擬分析

為了研究山體斜坡的滑塌過程與機理，采用phase2二維有限元分析軟件強度折減法分析了斜坡產生的潛在滑弧面與斜坡產生的位移情況，并進一步分析了斜坡在原始狀態的安全系數。數值模擬采用的巖體力學參數如表1所示。斜坡最大剪應力云圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。

圖7 斜坡位移云圖

表1 巖體力學參數

圖6 斜坡最大剪應力云圖

由圖6可知，斜坡原始狀態安全系數為1.23，根據規范［10］要求，取安全系數1.15～1.20，斜坡安全系數大于許用安全系數，原始狀態斜坡處于穩定狀態，但隨著斜坡下伏礦體被開采，原始平衡狀態被打破，極可能會沿著潛在滑弧面發生滑坡災害，滑坡類型為圓弧形推移式滑坡。圖6中的潛在滑弧面與圖5分析的潛在滑弧面基本一致，由此可知，井下礦體被開采后，山體斜坡會沿著潛在滑弧面發生滑坡災害。后期可采用擋墻對滑坡體前緣部位進行支擋，抑制滑坡體產生滑坡。

由圖7可知，采用極限平衡分析方法得到的邊坡可能形成的滑坡體水平方向長度243 m，垂直方向深度128 m，斜坡最大位移4.0 m，且發生在斜坡坡腳處，整體斜坡滑塌基本沿著潛在滑弧面發生滑坡。由實際情況可知，斜坡坡腳發生4.0 m位移時，則斜坡發生了滑坡災害，因此圖7中的紅黃綠顏色區域的斜坡體會發生滑塌。后期開展潛在滑坡治理時，該數值模擬結果可作為治理方案參考。

5 結 論

以某金屬礦山山體斜坡滑塌為研究背景，分析了礦山的滑坡地質災害產生過程及形成機理，得到以下幾點結論：

1）山體斜坡滑塌主要由3個階段構成：山體地表塌陷裂縫形成階段、山體地表塌陷裂縫擴展階段和山體斜坡滑塌階段。

2）黑云母花崗巖與礫巖均有3組主要結構面，結構面傾角相對較陡。砂礫巖有2組主要結構面，結構面傾角較陡。巖層結構面產狀對山體斜坡穩定性有重要影響，加速了塌陷坑的擴展。

3）斜坡原始狀態安全系數為1.23，大于許用安全系數，原始狀態斜坡處于穩定狀態。在井下礦體開采影響下，山體斜坡沿著潛在滑弧面產生上牽引式?下推移式特殊形式的山體滑坡。

4）數值模擬得到的潛在滑弧面與機理分析的滑弧面基本一致，驗證了機理分析的準確性。滑坡體水平方向長度243 m，垂直方向深度128 m。斜坡坡腳處最大位移4.0 m，整體斜坡滑塌基本沿著分析得到的潛在滑弧面發生滑坡。