贵州开阳磷矿山体崩塌形成机理与数值模拟

黄 刚，郑 达

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

0 引言

开阳地处黔中腹地，素有“中国磷都”之称，境内的开阳磷矿更是闻名全国［1］。20世纪80年代以前，开阳矿区曾享有“花园式矿山”的美誉，但是随着80年代后期“全民采矿”的兴起，大批缺乏先进开采技术和支护措施的小磷矿进入开采，矿区矿业秩序极度混乱，乱采乱挖如火如荼，更有甚者盗采保留的安全矿柱，使得矿区的地质环境和生态环境受到严重破坏，整个矿区遍布各类地质灾害，其中以山体崩塌最为常见，严重威胁到当地人民的生命财产安全及矿区的正常生产作业［2-3］。

有关资料显示，我国每年因地下采矿引发的地质灾害造成的直接经济损失高达数百亿元，这些灾害轻者破坏矿井，导致矿区无法正常生产;重者诱发山体崩滑，直接摧毁矿区，造成重大的人员伤亡事故，诸如湖北宜昌的盐池河磷矿崩塌、重庆武隆的鸡尾山滑坡等［4-5］。对于地下采矿引发的一系列地质灾害问题，国内外学者通过理论分析、数值模拟、物理模拟等研究手段在灾害的形成机理，地表沉陷的分布规律以及相应的防治措施等方面取得了大量的研究成果［4-9］。但是其中数值模拟多采用的二维模型，研究地表沉陷问题时基本都是在水平地表的前提下进行的，对于地下采矿引起斜坡变形的三维有限元研究却相对较少。因此，本文在开阳矿区内选取某代表性崩塌作为研究对象，利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维模型模拟磷矿层的开采，研究地下采矿与上覆斜坡体变形之间的作用关系，并结合相应结果对崩塌的形成机理进行了分析。

1 工程地质条件

崩塌所在坡体地形上具有上部陡坡，下部缓坡平台的陡缓折线状特征，其中陡坡段坡度达到65°，高程1080～1190m。岩层产状为N13°E/SE∠30°，坡体的坡面走向与岩层走向基本一致，属于中倾反向层状结构斜坡。

坡体地层自上而下分别为:震旦系上统灯影组(Zbdn)浅灰色厚层白云岩、震旦系上统陡山沱组(Zbd)磷矿岩和薄层石英砂岩、震旦系上统南沱组(Zant)紫红色页岩，其工程地质剖面图如图1所示。

根据现场调查，岩体除岩层层面以外还发育三组优势结构面，分别为:陡倾坡外的结构面J1:N5°E/NW∠75°，构成崩塌的后缘边界;中倾坡外的结构面J2:N15°E/NW∠47°，构成崩塌的底滑面;陡倾洋水河下游的结构面J3:N85°E/NW∠75°，构成崩塌的侧向切割面。

2 地下采矿数值模拟

2.1 模型的建立

现场利用三维激光扫描仪获得当前的崩塌地形图，并在此基础上对地形进行了适当的恢复，建立的崩塌三维计算模型如图2。模型地层自上而下分别为:白云岩、磷矿、砂岩和页岩。其中，根据开采需要将磷矿层划分为斜井、开采区和矿柱区等区域(图3)。

图1 坡体工程地质纵剖面图Fig.1 Engineering geological cross-section of slope1—震旦系下统南陀组;2—震旦系下统陡山沱组;3—震旦系下统灯影组;4—剖面方向;5—白云岩;6—磷矿;7—砂岩;8—页岩

图2 三维计算模型Fig.2 Three-dimensional calculation model

模型计算尺寸为:270m(X向)×300m(Y向)×340m(Z向)。其中X向平行于岩层走向方向，Y向平行于岩层倾向方向，Z向为竖直方向，底边界高程为880m，上边界最大高程为1220m。

2.2 边界条件及参数的选取

图3 磷矿层分区图Fig.3 Phosphate layer zoning map

模型采用位移约束的边界条件，根据坡体的实际情况，将模型的四周和底边界固定。计算中仅考虑自重应力场，模型全部采用实体单元模拟，假定岩土体按照均质弹塑性材料考虑，材料的破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。

计算采用的各类岩体物理力学参数是在室内岩石力学试验数据的基础上结合同地区类似工程经验综合取值得到的，最终计算选用结果如表 1［11］。

表1 岩体物理力学参数建议值表Table 1 Physical and mechanical parameters of rockmass

2.3 磷矿的开采步骤

矿区磷矿的开采是顺矿层倾向方向自下而上分步分区进行的，斜井左右两侧采区沿矿层走向方向各延伸250m，保留的矿柱形状近似方形，柱心距为30m×30m。将计算模型中的磷矿层顺倾向自上而下进行分区并编号(图3)。计算时对矿层的开采过程进行了一定的简化，即从6#开采区开始顺矿层倾向分六步向上推进，直至将1#开采区开采完成为止。坡脚至采区的斜井长40m，宽10m;开采区沿矿层走向贯穿模型左右边界，开采完成后的矿柱分布图如图4。

2.4 数值模拟结果

图5和图6分别为磷矿开采完成后坡体Y向和XYZ向的位移矢量图，从图中可以看出:

(1)受地下采空的影响，坡体内部的位移矢量方向总体表现为指向采空区，且上覆岩层受影响的范围和程度均比下伏岩层大。

图4 矿柱分布图Fig.4 Pillar distribution map

(2)在Y向上，坡肩位置的坡体位移方向指向坡内，量值为2.18cm，随着高程的降低，坡体的位移方向逐渐指向坡外，在坡脚位置处，坡体的位移量为-2.34cm，使得该区域内的岩体发生相对错动。受此影响，坡体XYZ向的合位移矢量方向在坡肩到坡脚之间的浅表部区域范围内发生逐渐指向坡外临空面的偏转。在坡脚位置处，由于坡体的合位移量基本受Y向的位移控制，使得坡脚的位移矢量方向与重力方向呈大角度相交指向坡外。

图5 坡体Y向位移矢量图Fig.5 Displacement vector map of Y-direction

(3)采空区顶板的位移量随着埋深的增加而增大，但是由于7#矿柱保留面积较大，对6#采空区起到了较好的支撑作用，所以采空区顶板的最大位移量，同时也是整个坡体的最大位移量出现在5#采空区，量值达到18.18cm;而在1#采空区，顶板的位移量为5.09cm。采空区的不均匀变形直接导致坡表产生差异沉降，整个坡表的最大沉降量为9.13cm，出现在5#采空区正上方位置，而坡脚位置的沉降量仅为1.52cm。

图6 坡体XYZ向合位移矢量图Fig.6 Displacement vector map of XYZ-direction

图7和图8分别是磷矿开采完成后坡体的最大主应力和最小主应力云图(图中负值表示压应力，正值表示拉应力)，从图中可以看出:

(1)在重力作用下，坡脚出现应力增大区，而矿柱位置的应力集中程度则更为明显，并且表现出随着埋深的增大而增大的趋势。以2#矿柱和6#矿柱为例，天然状态下矿柱的最大主应力值分别为2.23MPa和4.38MPa;磷矿开采完成后对应的矿柱的应力值增加到7.39MPa和11.12MPa，分别是天然状态下的3.32倍和2.54倍。矿柱的应力集中在导致自身产生较大变形的同时也会造成采空区底板的鼓起。特别是在底板砂岩相对磷矿岩而言属于软弱岩体的情况下，矿柱被整体压入底板砂岩之中，也一定程度上增加了坡体的沉降量。

(2)与简支梁受力模式相似，在重力作用下两相邻矿柱之间的采空区顶板中部位置出现拉应力，导致该区域的岩体容易沿坡体内发育的陡倾结构面发生拉裂破坏，造成采空区顶板发生冒顶，并逐步向上发展不断引起上覆岩体发生应力调整和变形破坏。

(3)山脊中上部坡表出现拉应力，量值最大约为-39kPa，而山脊两侧仍为压应力区，表明山脊相对于坡体其他区域而言，由于具备较好的临空条件，对地下采矿所产生的应力调整具有放大效应，受到的影响更为明显。

图7 坡体最大主应力云图Fig.7 Maximum principal stress nephogram of slope

图8 坡体最小主应力云图Fig.8 Minimum principal stress nephogram of slope

3 崩塌的形成机理分析

在现场调查和地质分析的基础上，结合地下采矿数值模拟的结果，分析认为崩塌的变形破坏模式为拉裂-滑塌［12］，其形成的主要影响因素包括以下几点:

(1)崩塌所在区域地形上沟梁相间，山脊突出，属于中倾角反向层状结构斜坡地貌。斜坡高、坡度陡，且存在上硬下软的岩性组合特征。同时，坡体发育的三组结构面将岩体切割呈块状结构，为崩塌的形成提供了有利的基础条件。

(2)地下采空引起的差异沉降导致坡表产生错动裂缝;山脊坡表出现的拉应力在减小岩体间摩擦力的同时加剧了裂缝端部的应力集中，有利于裂缝的扩展开裂。这些裂缝会追踪陡倾的结构面J1逐渐向坡内扩展延伸，使得原本闭合的结构面逐渐张开贯通。同时由于整个坡体的最大沉降区在5#采空区正上方，处于山脊的后缘位置，该区域在沉降过程中会对外侧坡体产生挤压作用，但由于坡脚位置的结构面J2原本并未贯通，之间存在的岩桥起到了“锁固点”的作用，阻止外侧坡体向临空方向的位移变形，造成沿结构面J2出现剪应力集中带，有利于崩塌底滑面的形成。

(3)持续的地下采矿不断扰动岩体，导致坡体应力场始终处于调整的状态，即使在磷矿开采完成后很长一段时间里，采空区以及整个坡体仍会继续发生蠕动变形，采空区对坡体稳定性产生的不利影响和结构面位置的应力集中都处于一个不断积累的过程。坡表的沉陷裂缝也为地表水等外部营力的进入提供了通道，渗入的地表水一方面增加了岩体的自重，产生水楔作用，另一方面软化结构面的抗剪强度。在重力和静水压力等因素的共同作用下，坡体下部的结构面J2与后缘裂缝构成一贯通的破裂面，使得坡体最终沿结构面J2剪出而产生滑塌失稳。

4 结论

(1)该崩塌的变形破坏模式为拉裂-滑塌。坡体的地形地貌、岩体结构特征为崩塌形成提供了基础条件，而地下采矿则对崩塌产生起到了决定性作用。

(2)地下采空引起坡体产生应力调整和差异沉降，导致坡体沿结构面J1错动开裂，同时沉降量大的区域挤压外侧坡体，使其向临空方向发生变形，促使了底滑面沿结构面J2的贯通。

(3)较坡表其他区域而言，山脊位置对地下采矿引起的应力调整具有放大效应，受地下采矿的影响更为明显。

(4)崩塌的形成过程可分为:地下采矿-坡体应力调整-坡表差异沉降-结构面J1错动开裂-结构面J2剪断贯通-坡体失稳等6个阶段。

(5)采空区的沉降变形是崩塌形成的主要诱发因素，对采空区进行支护和回填能够有效的避免采空区发生垮塌，控制其沉降，从而在根源上减小坡体的变形量;对于地表已经形成的裂缝，建议进行充实、封闭，以阻止地表水的下渗，降低水对坡体的不利影响。

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