塌陷坑陡倾斜边坡稳定性有限元分析

2021-05-22彭敏杰邹平王飞飞

新疆有色金属 2021年2期

彭敏杰邹平王飞飞

（①内蒙古兴业集团融冠矿业有限公司锡林郭勒盟026300 ②长沙矿山研究院有限责任公司长沙 410012）

1 引言

采用传统采矿方法开采井下矿体极易引起地表塌陷[1-2]。地表形成的塌陷坑由于不连续塌陷，形成了塌陷坑陡倾边坡，给矿山安全生产带来隐患[3-4]。在融冠矿业采用无底柱分段崩落采矿法作为主体采矿方法进行开采矿体，于2008 年6 月按1158 中段放顶设计进行了放顶施工，之后井下采空区与地表连通，地表沉陷形成了最初的地表塌陷坑[5]。随着井下开采的推进，塌陷区范围不断扩大，至2019 年5 月，已形成一个南北长约275m，东西宽约210m，近似椭圆塌陷坑，呈漏斗状，塌陷坑上口面积约5.4万m2，下口约0.78 万m2，最深处与地表高差近135m，经测算漏斗型塌陷坑体积约267万m3。

地表塌陷坑形成了陡崖式的边坡，尤其在矿体下盘岩体处边坡接近垂直，在地表多处有宽度大小不一的裂缝，后期有进一步垮塌或产生滑坡的可能，诱发井下冲击波、井下局部突水等安全隐患[6]。

2 矿山概况

2.1 地层

区内出露地层比较简单，主要有奥陶系中统多宝山组及二叠系下统宝力格组及第四系。

2.1.1 奥陶系中统多宝山组

出露于矿区中部，主要为其下岩段，岩性主要为石榴石矽卡岩、绿帘石矽卡岩、大理岩、黑云母角岩；为查干敖包铁锌矿赋矿层位，总厚度498m。地层产状：走向NE35～40°，倾向NW，倾角50～62°。

（1）石榴石矽卡岩：灰黄绿、黑绿色，它形～半自形粒状变晶结构，块状构造。主要组成矿物为石榴石，少量透辉石、绿帘石、绿泥石、方解石、石英、磁铁矿、闪锌矿等。与磁铁矿、闪锌矿关系密切。石榴石：约占70%，淡黄、黄褐色，半自形～它形晶，粒径多为0.3～0.8mm，多具环带状光性异常，以钙铁石榴石为主，钙铝石榴石少量。透辉石：约占10%，淡绿色，柱状、粒状半自形晶，粒径0.1～0.7mm，局部被碳酸盐、石英交代。磁铁矿：少量，多以它形～半自形晶充填于石榴石间隙处，少数呈自形晶。被闪锌矿交代，有时见磁铁矿被磁黄铁矿交代呈骸晶状。粒径0.1～0.5mm 左右，少数呈浸染状者粒径小于0.1mm。绿帘石：少量，微粒状，粒径小于0.1mm。

（2）绿帘石矽卡岩：黄绿、灰褐色，粒状变晶结构，块状构造。主要组成矿物为绿帘石，其次是石榴石、透辉石、阳起石、绿泥石、磁铁矿、闪锌矿、褐铁矿、方解石。绿帘石呈粒状，短柱状，半自形～它形晶，微具走向排列，含量85～90%。岩层厚度80～110m。夹磁铁矿及闪锌矿体，为36～49号矿体赋矿岩石。

（3）大理岩：灰白色，粒状变晶结构，块状构造，矿物组成主要为受热变质作用重结晶的方解石组成。方解石约占90%，其余为白云石、透闪石、石英，岩层厚度98m。

（4）黑云母角岩：灰黑色，鳞片花岗变晶结构，矿物成分主要为黑云母（约占60%）、石英（约占30%），少量长石及不透明金属矿物，岩层厚度10～25m。

2.1.2 二叠系下统宝力格组

出露于矿区西部及北部，其岩性主要为凝灰质板岩、含角砾岩屑凝灰岩及凝灰岩。

（1）凝灰质板岩：灰～灰黑色，变余凝灰质泥质结构，板状构造，岩石中隐晶质的鳞片状矿物（黑云母和绢云母）具定向排列，由凝灰质矿物蚀变而成。此外，尚含有隐晶质的长石和石英及细脉状的绿泥石集合体等。

（2）含角砾岩屑凝灰岩：岩石呈灰白色，含角砾岩屑凝灰结构，块状构造。一般由小于2mm 的火山灰组成，局部含有大于2mm 角砾碎屑物，以岩屑为主，次为晶屑、玻屑和火山尘，一般含有火山角砾，构成含角砾凝灰岩。岩屑成分为凝灰岩、流纹岩、熔结凝灰岩，局部见少量安山岩，棱角状，含量40%左右，晶屑为斜长石、钾长石和石英，含量小于10%，其余为火山尘和玻屑。

（3）凝灰岩：岩石为灰色、灰白色、灰粉色、浅红色、灰紫色等，凝灰结构，块状构造。由凝灰物组成，个别含有正常沉积物。凝灰物为小于2mm 的晶屑、岩屑、玻屑、火山尘，晶屑为钾长石或斜长石、石英，呈次棱角状－棱角状，含量为5～40%；岩屑为流纹岩、安山岩、粗安岩等，次棱角状－棱角状，含量为5～10%；玻屑，多已脱玻形成长英质矿物，长石可见土化，鸡骨状、弧面棱角状假象清楚，含量为0～45%；火山尘，均已脱玻形成长英质矿物，含量为0～25%。副矿物有磷灰石、锆石。部分岩石可见土化、绢云母化、碳酸盐化等蚀变。

2.1.3 新生界第四系

广泛分布于矿区，岩性以残坡亚砂土含碎石、风成砂为主，一般厚0.8～25m，局部低洼处，厚度可达38m以上。

2.2 矿体特征

矿床由27 条工业矿体组成，地表露头矿体2 条（1、2 号），隐伏盲矿体25 条（其中铁锌矿体12 条，编号为1、1-1、1-3、7、9、10、11、35、36、38、41、43 号；铁矿体10 条，编号为2、6、13、23、42、44、45、46、48、49号；锌矿体5 条，编号为31、37、39、40、47 号）。1、1-1、1-3、2、6、7、9、10、11、13、23、31、35号矿体，赋矿岩石为石榴石矽卡岩；36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49号矿体，赋矿岩石为绿帘石矽卡岩。

1 号铁锌矿体矿石资源储量占矿区总储量的51.66%，Zn金属量占总金属量的50.45%，1-1、1-3为新增矿体，生产勘探工程集中于1、1-1、1-3号矿体，该3条矿体为本次生产勘探增储对象，也是生产勘探后的首采区，其它矿体均无变化。

（1）1号矿体

分布于7～10线之间，为铁锌共生矿体，赋存于石榴石矽卡岩中。矿体呈似层状、走向23～35°，倾向北西，倾角37～50°，矿体产状上陡下缓，但总体较稳定。地表由探槽控制，深部由5个中段及6个钻孔控制矿体延深、延长、厚度及品位变化情况。该矿体1068m中段以上大部分采空。

地表：由4 个探槽控制，控制矿体长度210m，控制矿体真厚度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 个穿脉控制，控制矿体长度210m，矿体厚度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 个穿脉及8 勘探线的钻孔ZK4控制，矿体延长355m，矿体厚度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 个穿脉控制，矿体延长354m，矿体厚度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 个穿脉控制，矿体延长379m，矿体厚度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个穿脉控制，矿体延长386m，矿体厚度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个穿脉控制，矿体延长312m，矿体厚度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号矿体最大延长386m，延深425m。厚度0.64～69.07m，平均49.22m，厚度变化系数94.08%；TFe品位29.90～38.12%，平均品位31.06%，品位变化系数43.47%；Zn品位1.22～11.30%，平均品位4.60%，品位变化系数47.28%；其矿体复杂程度中等、有用组分均匀。

（2）1-1号矿体（新增）

分布于7～8 线之间，位于1 号矿体下盘，为本次生产勘探根据矿山探采工程及取样控制新圈定的铁锌共生盲矿体，赋存于石榴石矽卡岩中。矿体呈透镜状，走向23～35°，倾向北西，倾角50～68°，矿体产状较稳定。由3 个中段的坑道工程控制矿体延深、延长、厚度及品位变化情况。

1068m 中段：由5 个穿脉控制，矿体延长233m，矿体厚度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 个穿脉控制，矿体延长329m，矿体厚度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个穿脉控制，矿体延长321m，矿体厚度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 号矿体最大延长329m，延深140m。厚度10.11～29.07m，平均18.25m，厚度变化系数78.32%；TFe 品位27.16～34.32%，平均品位30.48%，品位变化系数40.35%；Zn 品位3.80～6.07%，平均品位5.01%，品位变化系数45.17%；其矿体复杂程度中等、有用组分均匀。

（3）1-3号矿体（新增）

分布于7～8 线之间，位于1-1 号矿体下盘，为本次生产勘探根据矿山探采工程及取样控制新圈定的铁锌共生盲矿体，赋存于石榴石矽卡岩中。矿体呈透镜状，走向23～35°，倾向北西，倾角50～68°，矿体产状较稳定。由3个中段的坑道工程控制矿体延深、延长、厚度及品位变化情况。

1068m 中段：由5 个穿脉控制，矿体延长233m，矿体厚度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 个穿脉控制，矿体延长330m，矿体厚度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个穿脉控制，矿体延长321m，矿体厚度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 号矿体最大延长320m，延深155m。厚度4.65～66.39m，平均23.19m，厚度变化系数65.18%；TFe 品位26.76～36.37%，平均品位31.36%，品位变化系数39.76%；Zn 品位4.17～5.31%，平均品位4.67%，品位变化系数43.19%；其矿体复杂程度中等、有用组分均匀。

（4）35号铁锌矿体

分布于8～14线之间，为盲矿体，矿体赋存于石榴石矽卡岩中，走向30°左右，倾向北西，倾角67～78°，平均75°，矿体呈脉状产出。地下深部由段高约20m的3个中段控制矿体延深、延长、厚度及品位变化情况。

1138m 中段：由8 个穿脉控制，控制矿体长度210m，控制矿体真厚度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 个穿脉控制，控制矿体长度210m，控制矿体真厚度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 个穿脉控制，控制矿体长度200m，控制矿体真厚度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 号矿体延长210m，延深105m。厚度7.73～48.30m，平均31.03m，变化系数83.66%，TFe品位25.17～31.39%，平均品位26.65%，品位变化系数45.67%；Zn品位4.79～6.71%，平均品位5.78%，品位变化系数36.88%；矿体形态复杂，厚度较稳定，有用组分均匀。

3 有限元分析

选取塌陷坑最危险的剖面作为本次研究的主要剖面，剖面见图1 所示。采用的力学参数见表1 所示。利用phase2 计算软件模拟了剖面的应力、位移、剪应变及边坡拉剪破坏区域分布[7-9]，见图2～图3。并进一步计算了在不同折减系数下的边坡最大剪应变，见图4～图6。

（1）应力分析：通过剖面模型的主应力等值线分布图（图2）可知：边坡岩体的应力大小随深度的增加而增大，越接近坡面主应力值越小，其方向从坡体深部的垂直方向，逐渐转为浅部的顺坡方向，且在坡体的下部受开采台阶的影响，其应力的扰动状态较大。

（2）位移分析：剖面模型开挖坡体的位移主要是向塌陷坑临空面移动（图3），最大位移值为0.60m。

（3）塑性破坏区分析：剖面模型坡体的塑性破坏区主要为拉应力和剪切破坏区（图4）。拉应力破坏区主要分布在坡顶和第四系层面；剪切破坏区主要分布在风化带面附近、塌陷坑底和坡顶。

图1 工程地质剖面

图2 剖面模型的应力分布图

图3 剖面模型的位移矢量分布图

图4 剖面模型的拉剪破坏区域图

图5 剖面模型F=1.0时最大剪应变分布图

图6 剖面模型F=1.20时最大剪应变分布图

图7 P1剖面模型F=1.22时最大剪应变分布图

（4）安全系数：强度折减法计算的安全系数为F=1.20，比极限平衡的分析结果（F=1.181）稍大，显示的滑面位置基本相同，符合一般规律，结果可靠。

（5）滑坡机理分析：图5～图7为剖面模型强度折减法计算安全系数的过程，从强度折减系数F取值为1.0、1.20和1.22的情况下计算出边坡内最大剪应变和剪切破坏区的发展趋势来看，初始阶段坡脚范围存在剪切破坏区，随着折减系数的增大（1.0～1.20），剪切破坏区向上发展。当折减系数增大至1.20～1.22 时，坡底剪切破坏区继续向上发展，边坡产生整体破坏。