下伏复杂空区山体斜坡滑塌形成机理与数值模拟研究①

刘 璨，姜安民，2，董彦辰，2，王飞飞，熊奇伟，武庚鑫

（1.湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411100；2.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004；3.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；4.湖南友谊国际工程咨询股份有限公司，湖南 长沙 410005；5.中建四局第六建设有限公司，安徽 合肥 230011）

地下空场法采矿会形成地下采空区（群），经常会造成地表沉降、山体斜坡滑塌等问题［1⁃2］。赋存在山体中的矿体被开采后，会引起山体斜坡出现不同程度的滑塌现象，严重者会形成大规模垮塌滑坡地质灾害［3⁃4］。矿体上覆山体造成的地质灾害以及社会影响较大，因此急需开展地下采空区上覆山体斜坡滑塌产生的机理研究。目前已有多位学者开展了地下采空区引起地表塌陷、山体垮塌等灾害机理研究［5⁃9］，通过对以上多位学者的研究内容进行总结分析可知，每个矿山产生的地质灾害原因都不相同，主要原因在于不同矿山有其独特的地质条件与开采方式，因而会产生不同特点的地表塌陷与山体斜坡滑塌情况。本文以实际矿山山体斜坡滑塌为研究背景，分析该矿山的地质灾害产生机理，为矿山进一步开展灾害治理与安全生产提供理论依据。

1 矿山概况

1.1 矿山地质条件

某金属矿山矿区地形地貌和地质构造较简单，地层岩性主要有3种，未发现大的岩溶，岩石以坚硬⁃半坚硬、完整⁃中等完整岩组为主，结构以层状和整体块状为主，大部分岩石强度较高，稳定性较好，不易发生矿山工程地质问题。但部分地段岩石力学强度相对较低，稳定性差，可能引起矿山工程地质问题。

矿体产于断裂破碎带中，断裂破碎带呈北东向或北东东向切穿不同的地质体，因此不同部位围岩性质也有所不同，岩性主要为黑云母花岗岩、砾岩及砂砾岩。由现场岩体结构面测绘统计结果可知，黑云母花岗岩有3组主要结构面，结构面倾角范围77°～81°。砾岩有3组主要结构面，结构面倾角范围85°～90°。砂砾岩有2组主要结构面，结构面倾角范围75°～83°。

山体斜坡坡脚处存在一条宽10 m的省级道路，道路边有一条宽100 m的河流，附近有多栋村庄房屋。目前道路运行正常，河流正常流通。若山体斜坡发生滑坡，将会冲毁道路、村民房屋并堵塞河流，造成严重的经济损失与社会影响。

1.2 矿山生产概况

井下主要有矿体1、矿体2与矿体3共3个矿体。矿区采用斜井、盲竖井、平硐联合开拓。开拓＋87 m，＋127 m，＋177 m，＋212 m和＋246 m共5个中段。采用普通浅孔留矿法开采矿体，采场构成要素：采场长40～60 m，采场垂直高度40 m，漏斗间距5～6 m，顶柱高3 m，底柱高3～4 m，顺路天井通风，采场两端顺路天井架设平台和楼梯行人。

2 山体滑坡概况

2.1 山体地表塌陷坑

目前在矿区山体地表存在2个塌陷坑。2个塌陷坑相距较近，一个在北部，另外一个在南部。其中一个塌陷坑是早期形成的，相对较稳定，塌陷范围近些年有相对较大发展；另一个是新形成的塌陷坑，由于井下矿体的开采，新形成的塌陷坑不断发展扩大，已经塌陷到井下正在开采的中段。

旧的塌陷坑坑口面积约245 m2、坑深10 m左右。新形成的塌陷坑坑口面积约150 m2、坑深6 m左右。地面塌陷区位于4.2×104m3的采空区上部，最低标高至采空区顶垂直距离21.8 m。该区域30号勘探线以东19 m位置出现地面下沉，形成一个“条带状坑”，初步测量长20 m、宽6 m、深5～6 m，滑坡体活动进一步加剧。

井下开采矿体后存在的大面积采空区是造成塌陷坑的主要原因。由于井下采空区面积较大，且空区分布错综复杂，井下矿体仍在进行开采，塌陷坑在后期极易进一步发展扩大，2个塌陷坑最终会形成一个较大的塌陷坑。通过塌陷坑揭露的地层可知，塌陷区第四系土层较厚，在雨季，山坡汇聚的雨水顺着塌陷坑夹杂泥土碎石极易形成泥石流灌入到井下，形成井下泥石流，给矿山安全生产带来极大的影响。塌陷坑的形成与不断扩大，破坏了地表树木、植被等矿山地质环境。

2.2 山体地表裂缝

前期，在山体斜坡地表主要是塌陷坑上缘部位出现了多处新老裂痕，距离塌陷坑约40 m。斜坡地表开裂长度达到80～100 m，宽度5～50 cm不等。发育的拉张裂缝近似弧形拉张裂缝，缝宽10～20 cm不等，且已经形成裂缝错台，岩土分离下错，后缘壁陡直，可用竹竿插入2.0 m，裂缝边缘呈不规则状。如图1所示。

图1 山体地表裂缝

后期，矿区地表裂缝又出现了新的变化，地表裂缝长度、宽度及范围进一步扩大，长度增加到100～270 m，宽度增加到50～260 cm，裂缝区域面积变大，伴随有地表多处垮塌、下沉现象。

3 山体斜坡变形破坏机制分析

3.1 山体原始稳定阶段

山体原始状态如图2所示。在井下矿体未被开采之前均属于山体原始稳定阶段，该阶段地压处于平衡状态，地应力未被转移，地层未被扰动。

图2 山体斜坡原始状态

3.2 山体地表塌陷裂缝形成阶段

从井下矿体开始开采到地表出现塌陷坑和地表裂缝时间段为山体地表塌陷裂缝形成阶段。由矿山技术资料可知，塌陷区第四系土层较厚，一般为10 m左右。矿体3被开采后，形成大面积采空区，空区顶板受开采扰动、结构面影响、裂缝发育扩展及地下水弱化岩石强度等因素影响，采空区上部岩层不断垮塌冒落，采空区不断向地表发展，最终导致上覆岩层与第四系土体产生变形垮塌，进一步造成地表形成塌陷坑及多处的张拉裂缝，地表裂缝与塌陷坑最近距离仅40 m。

矿区地表塌陷与裂缝是由井下采矿形成大量空区造成的，如图3所示。

图3 山体地表裂缝垮塌形成

3.3 山体地表塌陷裂缝扩展阶段

矿体3开采完成后，在地表形成了塌陷坑与地表裂缝。继续开采矿体2后，会造成地表塌陷与地表裂缝，开采矿体3形成的裂缝会逐渐向山顶发展，如图4所示。由现场岩体结构面测绘统计结果可知，岩层结构面倾角相对较陡，在卸荷回弹效应与雨水侵蚀作用下，塌陷坑垂直岩体极易形成倾倒式破坏，岩体产生折断，发生倾倒滑移变形，逐渐扩大了塌陷坑的范围，并加剧了地表裂缝的发展。

图4 山体地表裂缝垮塌扩展

依据现场调查可知，地表裂缝与塌陷坑之间的斜坡体产生了牵引式山体滑坡地质灾害隐患，所形成的圈椅式地表张拉裂隙，圈定了山体滑坡的滑动范围，确定了可能发生山体滑坡的边界。目前山体斜坡处于山体地表垮塌裂缝进一步扩展阶段。

井下某个中段主石门运输平硐位置处巷道顶板发生拱顶变形、水泥块脱落，巷道底板出现突起、垮塌、沉陷，巷道已完全报废，滑坡体滑动进一步加剧。

3.4 山体斜坡滑塌阶段

开采完矿体2与矿体3后，矿区地表裂缝不断发展，井下采空区不断扩大，随着矿体1开采进行，地表裂缝进一步向山顶方向发展，当矿体1开采到一定程度后，地表又进一步形成了塌陷坑，地表多个塌陷坑基本连接在一起。雨季时，由于塌陷坑汇聚了雨水，灌入到井下，弱化了岩体强度。裂缝与塌陷坑贯通，塌陷坑进一步发展会沿着地表裂缝形成牵引式的山体滑坡地质灾害，进而形成下部斜坡的推移式滑坡。如图5所示。

受矿体开采的扰动或雨水沿裂缝渗入，塌坑与裂缝会进一步发展，极易诱发沿着潜在滑弧面（图5中虚线）产生上牵引式⁃下推移式山体滑坡，危及坡脚人居环境的安全以及山坡脚下的公路运营和河流通畅。

图5 山体斜坡滑塌形成

4 数值模拟分析

为了研究山体斜坡的滑塌过程与机理，采用phase2二维有限元分析软件强度折减法分析了斜坡产生的潜在滑弧面与斜坡产生的位移情况，并进一步分析了斜坡在原始状态的安全系数。数值模拟采用的岩体力学参数如表1所示。斜坡最大剪应力云图如图6所示，位移云图如图7所示。

图7 斜坡位移云图

表1 岩体力学参数

图6 斜坡最大剪应力云图

由图6可知，斜坡原始状态安全系数为1.23，根据规范［10］要求，取安全系数1.15～1.20，斜坡安全系数大于许用安全系数，原始状态斜坡处于稳定状态，但随着斜坡下伏矿体被开采，原始平衡状态被打破，极可能会沿着潜在滑弧面发生滑坡灾害，滑坡类型为圆弧形推移式滑坡。图6中的潜在滑弧面与图5分析的潜在滑弧面基本一致，由此可知，井下矿体被开采后，山体斜坡会沿着潜在滑弧面发生滑坡灾害。后期可采用挡墙对滑坡体前缘部位进行支挡，抑制滑坡体产生滑坡。

由图7可知，采用极限平衡分析方法得到的边坡可能形成的滑坡体水平方向长度243 m，垂直方向深度128 m，斜坡最大位移4.0 m，且发生在斜坡坡脚处，整体斜坡滑塌基本沿着潜在滑弧面发生滑坡。由实际情况可知，斜坡坡脚发生4.0 m位移时，则斜坡发生了滑坡灾害，因此图7中的红黄绿颜色区域的斜坡体会发生滑塌。后期开展潜在滑坡治理时，该数值模拟结果可作为治理方案参考。

5 结 论

以某金属矿山山体斜坡滑塌为研究背景，分析了矿山的滑坡地质灾害产生过程及形成机理，得到以下几点结论：

1）山体斜坡滑塌主要由3个阶段构成：山体地表塌陷裂缝形成阶段、山体地表塌陷裂缝扩展阶段和山体斜坡滑塌阶段。

2）黑云母花岗岩与砾岩均有3组主要结构面，结构面倾角相对较陡。砂砾岩有2组主要结构面，结构面倾角较陡。岩层结构面产状对山体斜坡稳定性有重要影响，加速了塌陷坑的扩展。

3）斜坡原始状态安全系数为1.23，大于许用安全系数，原始状态斜坡处于稳定状态。在井下矿体开采影响下，山体斜坡沿着潜在滑弧面产生上牵引式⁃下推移式特殊形式的山体滑坡。

4）数值模拟得到的潜在滑弧面与机理分析的滑弧面基本一致，验证了机理分析的准确性。滑坡体水平方向长度243 m，垂直方向深度128 m。斜坡坡脚处最大位移4.0 m，整体斜坡滑塌基本沿着分析得到的潜在滑弧面发生滑坡。