地下采矿引起山体滑坡发展过程数值模拟研究①

2021-09-15亓文斌刘会林王飞飞孟中华田春艳

矿冶工程 2021年4期

亓文斌，刘会林，王飞飞，孟中华，田春艳

（1．沧州职业技术学院，河北沧州061001；2．洛阳丰瑞氟业有限公司，河南洛阳471500；3．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012）

随着矿山开采等工程建设强度增加和规模日益扩大，其引起的地表塌陷、山体滑坡等地质灾害越来越受到研究者的关注［1－2］，也有了诸多的研究成果［3－9］。为了研究地下采矿引起山体滑坡发展过程，本文以某金属矿山地下开采引起的山体滑坡为研究背景，采用数值模拟建立含地下矿体、岩层、山体等实体模型，模拟井下矿体的开采过程，重现了山体变形滑坡，将数值模拟结果与滑坡现状对比验证了数值模拟结果的可靠性，并预测了今后山体滑波发展过程。研究结果可为矿山滑坡治理提供参考。

1 概况

1．1 地质条件

矿区内出露的地层有震旦系上统灯影组（Zbd）、下寒武统筇竹寺组、沧浪铺组和龙王庙组，此外还有第四系残坡积层。其中震旦系上统灯影组（Zbd）分布于矿区东、南、北、中部，根据岩性差异，可将其分为8大层、13小层。其中Zbd5、Zbd6、Zbd7、Zbd8层为矿区含矿层。

矿床位于横切向斜东翼南东段以F1和F15为边界的地堑式断块构造中。该断块走向北西，长15～20 km、宽150～600 m，倾斜延深到基底变质岩系中，是东西向褶皱基底断裂的继承和发展。地堑中断裂裂隙发育，是矿区内主要的导、容矿构造。

1．2 生产概况

该矿区井下开采为平硐-斜坡道-溜井开拓，开采对象为4～23线1 884 m水平以上1号矿体的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿段。中段高度60 m，具体划分为2 124 m、2 064 m、2 004 m、1 944 m和1 884 m共5个中段，采用底柱分段崩落法开采。

目前，矿山采矿在2004、1992及1980水平，以2004与1992为主要采矿水平。2004水平以上基本开采完毕，2004中段剩余极少部分低品位矿体，1944中段和1884中段还剩余少部分矿体，其他中段均已开采完毕。1944水平17－19线采用充填法回采了部分高品位矿石，1932水平脉外巷及穿脉施工结束，17－19线施工了部分凿岩巷，1920水平正在施工脉外巷及穿脉。井下开采现状见图1。

图1 井下开采现状

1．3 山体滑坡现状

井下采用底柱分段崩落法开采矿体，导致矿体上覆岩层不断崩落。在井下矿体开采扰动下，上覆岩层有新的裂隙不断形成再发展，目前裂缝已发展至地表，且裂缝宽度逐渐扩大，裂缝附近的山体出现了破碎岩体垮塌滑坡。在下伏采空区不断发展的影响下，上覆岩层不断崩落至地表，导致地表塌陷、山体垮塌、滑坡灾害。

目前，山体滑坡正处于发展过程，山体斜坡处于不稳定状态，尤其近3年，斜坡垮塌非常严重，山顶表土和黄泥受雨水冲刷，大量进入露天坑，露天坑底由原来1968水平堆积至1980水平以上。

2 数值模拟

2．1 计算模型

基于具有强大的前处理功能Rhino（犀牛）专业3D造型软件，FLAC3D具有强大的后处理功能，利用kubrix和griddle对复杂地质体及工程结构的网格划分，建立了包含矿山原始地形、井下矿体及各种围岩体的FLAC3D数值分析的三维模型，见图2。

图2 计算网格模型

数值模拟建立的模型是属于从大地整体结构中截取出来的块体。为了使截取出来的块体与处于原位状态具有一致的条件，需要对块体边界进行处理［10］。开展了边界条件对数值模拟结果影响的研究，得到了“数值模型长、宽度大于3～5倍的所研究结构体（矿体）时，边界对数值模拟结果影响较小”的结论。依据学者研究成果，选取长（X向）1 152．43 m、宽（Y向）886．88 m、高（Z向）395．65～1 065．10 m（地表高低起伏较大）。矿体水平方向上长度300～450 m，满足边界条件要求。

在数值模型中，限制边界条件和自由面，在地理坐标X＝34 585 600．00 m与34 586 752．43 m平面上所有节点在X方向固定，即滑动铰支座。在地理坐标Y＝2 946 600．00 m与2 947 486．88 m平面上所有节点在Y方向固定，即滑动铰支座。Z＝1 334．35 m平面上所有节点在X、Y、Z方向上固定，即固定铰支座。地表为自由面。三维数值模拟采用摩尔-库伦本构模型。

2．2 计算参数

采用室内岩石力学试验获得了不同岩性的岩石力学参数，经过工程折减后获得了岩体力学参数，三维模型计算采用岩体力学参数见表1所示。

表1 岩体力学参数

通过矿山实际现状验证数值模拟的可靠性，在现状条件下，矿山的地压显现集中区域与数值模拟得到的最大应力分布区域基本一致，说明数值模拟结果是可信的。数值模拟的步骤为：①模拟矿体开采前的地应力平衡；②模拟山体滑坡之前各水平矿体开采；③模拟今后各水平矿体开采。

3 结果分析

3．1 模型竖直方向位移分析

为了研究井下矿体开采对上覆岩层的影响，模拟了开采的2064水平、2046水平、2004水平、1980水平、1968水平、1956水平、1944水平、1920水平、1908水平、1896水平与1884水平矿体，对模拟开采后的地表竖直方向位移进行提取，得到了地表产生的最大竖直方向位移云图与具体位移值。因云图过多，这里仅展示1884水平开采后的地表竖直方向位移，如图3所示。模拟井下矿体开采全过程得到的地表最大竖直方向位移见表2。由图3可知，在矿山开采最后的1884水平后，地表会出现较大范围塌陷，且影响到北部与南部山体。根据目前现状可以预计，今后山体滑坡继续发展会形成图3所示的结果。

图3 1884水平开采后的地表竖直方向位移

表2 地表竖直方向位移

由表2可知，开采2004水平后，竖直方向位移8．72 m，表明山体处于滑坡阶段，与矿山现场实际情况相符。进一步验证了数值模拟结果的可靠性。

由表2可知，随着矿体开采水平向深部发展，竖直方向位移逐渐增大，在整个地表竖直方向位移发展过程中，存在3个突变点，分别在2046水平、1968水平和1896水平。3个突变点将地表竖直方向产生滑坡到地表塌陷分为4个发展阶段，分别为岩层变形初期、地表出现滑坡、地表出现陷落孔洞和地表塌陷。地表首先出现变形开裂，进一步出现滑坡，最后地表塌陷。对应目前现状，矿山山体出现局部滑坡，正处于第二阶段。可以预测，开采1968水平时地表会进一步出现较大滑坡或塌陷。竖直方向上最大位移20．40 m、最小位移0．063 m，分别对应矿体开采最后与最初阶段。

在岩层变形初期，因2064水平矿体开采后上覆岩层部分垮塌冒落，同时受到扰动，产生裂隙，形成的空区上覆岩层开始逐渐变形。

空区上覆岩层中的裂隙，在开采矿体时受到多次扰动，且在水的作用下，岩体裂隙不断发展贯通，空区上覆岩层逐渐冒落，局部位置冒落至地表，造成地表局部位置沉降，在地表形成滑坡。

地表形成滑坡后，空区上覆岩层在开采扰动与水的不断作用下，继续垮塌冒落，多处冒落至地表，在地表形成多处陷落孔洞。此阶段山体滑坡继续发展，且滑坡灾害愈演愈烈。

空区上覆岩层多处垮塌冒落至地表后，上覆岩层很难自稳，在井下不断开采扰动影响下，造成地表出现塌陷。

3．2 模型水平方向位移分析

为了研究井下矿体开采对上覆岩层的影响，模拟了各水平矿体被开采的过程，对模拟开采后的地表水平方向位移进行提取，得到了地表产生的最大水平方向位移云图与具体位移值。2064水平开采后的地表水平方向位移如图4所示，其他开采水平地表最大水平方向位移见表3。

图4 2064水平开采后的地表水平方向位移

表3 地表水平方向位移

由表3可知，开采2004水平后，水平方向位移1．02 m，表明山体处于滑坡阶段，与矿山现场实际情况相符合。进一步验证了数值模拟结果的可靠性。

对照表2和表3可知，地表水平方向位移比竖直方向小。水平方向位移整体发展趋势与竖直方向基本一致，同样存在3个突变点，整体可以划分为4个阶段。第1个突变点是空区上覆岩层变形到地表产生滑坡的突变；第2个突变点是地表滑坡到地表局部垮塌产生孔洞；第3个突变点是地表滑坡局部坍塌到地表大面积垮塌沉降。水平方向上最大位移10．53 m，最小位移0．027 m，分别对应矿体开采最后与最初阶段。