眼前山铁矿露天转地下开采边坡破坏过程及 破坏机理研究

李云涛，付煜，任海龙，张洪昌，胡颖鹏

(1.鞍钢集团矿业有限公司 眼前山分公司， 辽宁 鞍山市 114000； 2.辽宁石油化工大学 土木工程学院， 辽宁 抚顺市 113000； 3.东北大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110004)

0 引言

为实现露天转地下的平稳过渡，许多矿山在过渡期开采挂帮矿以满足产能需求[1-3]。在开采挂帮矿的过程中，边坡稳定性一直是矿山开采过程中面临的难题之一，开采引起的边坡岩体移动或破坏将会对矿山的安全生产造成一定影响[4-6]。一直以来，国内外许多学者对该问题进行了大量而深入的研究。煤矿开采的地表沉降研究已近两个世纪，取得了众多的理论成果[7-11]。与煤矿相比，金属矿开采深度一般较浅，地表沉降问题研究起步较晚，近年来，随着监测手段的不断更新与进步，许多先进技术已成功应用于矿山地表岩移监测中[12-15]。其中，LIDAR激光扫描技术在国外边坡监测中已被使用，在我国已在建筑物探测[16]及地质填图[17]工作中使用。而DInSAR监测技术近十几年来在我国的滑坡监测[18]和矿山开采地表沉降观测[19-23]等方面应用广泛。

相比LIDAR激光扫描和DInSAR监测技术的高昂成本，本文采用的Google Earth立体高分辨率图像监测技术成本低，能清晰地观测到地表岩移 的变化。同时收集了眼前山铁矿东边坡4 a时间的Google卫星照片，对比不同时期的地表变化，并结合现场实际情况，研究了东侧挂帮矿开采期边坡破坏的全过程及破坏机理，为矿山露天转地下过渡期安全生产提供了重要依据。

1 矿山概况

眼前山铁矿于2012年9月露天开采结束，经过50多年的开采形成一个东西方向长1410 m，南北方向宽570至710 m的露天坑，封闭圈高度约为93 m，坑底标高-177 m。其中，东西南北的帮坡角分别为43°、30°、35°～38°和32°～35°，其中东侧边坡为本文研究的区域。

东区挂帮矿呈东西走向，东北倾斜70°～88°，宽度为60～200 m。矿体北侧出露碳质千枚岩，岩体中含有破碎带和风化带，与主矿体走向平行的壁状分枝矿体插入其中。千枚岩的西北侧为闪长岩，与碳质千枚岩断层接触。矿体南侧主要为花岗岩和混合岩。现场调查得出，控制各类岩体稳定性的主要节理有三组，分别为40°∠75°、220°∠20°和300°∠80°。露天开采结束后，东坡下的挂帮矿采用无底柱分段崩落法划分为5个分段进行开采，分段高度为18 m。首次开采分段布置在-69 m，向下依次布置-87 m，-105 m，-123 m和-141 m分段。开采范围内的矿体长度100～220 m，宽度110～130 m， 开采方向自东向西。挂帮矿开采于2013年开始，到2017年12月，已经开采至-141 m分段。

无底柱分段崩落法连续开采将导致空区逐渐变大，地表发生沉降，边帮最终可能出现大规模的滑坡。为此，在开采过程中对边坡的地貌变化进行了长时间的监测。

2 东边坡地貌变化的调查与分析

采用现场调查和卫星图片解译相结合的方法，根据典型现场地貌破坏特征，跟踪记录了2013—2017年4 a内东边坡的地貌变化情况，共进行了5次调查，调查分析的步骤如下：

（1）通过对比地表变形前后的照片，在卫星照片上确认地表变形迹线并进行绘制；

（2）基于地表现场调查，在三维虚拟现实技术的帮助下，将照片上标识的地表变形迹线进行复核和分类（陡坡，反倾陡坡和张拉裂缝）；

（3）根据该时期地表变形和地下开采的情况，绘制工程地貌图，在平面图上绘制地表破坏迹线和破坏种类，以及同时期的地下开采范围。

2.1 2013年11月调查结果分析

2013年11月初，东边坡下-69 m水平已经开 采完毕。地下开采形成了一个东西长136 m，南北长115 m，高度18 m的采空区，图1（c）展示了与卫星照片相同视角下的开采区域位置和尺寸。

可以看出，东端帮地表未见塌陷，仅出现一条近南北走向约50 m长的裂缝（图1（b）中标注的黄色线），与采空区水平投影的西边界重合，且边坡有零散滚石。

图1 2013年11月东边坡地貌现状

综合监测数据及现场调查情况，绘制出2013年11月8日的东边坡地貌图，如图2所示。

图2 2013年11月8日边坡地貌

2.2 2014年3月12日调查结果分析

到2014年2月底，-69 m分段已开采完毕，-87 m分段正在开采。形成的空区东西长145 m，南北长120 m（图3（b））。

2014年2月26日东部边坡首次出现崩塌破坏（见图3（d）），岩体突然向下陷落形成一个塌陷坑，破坏位置在+16 m的运输公路上。图3（a）清晰地展现了东边坡首次地表塌陷后的地貌形态。塌陷坑上方岩体向坑内滑移引发了小型的滑坡，一系列拉伸裂缝出现在塌陷坑上方（见图3（c）），其它裂隙沿优势节理组方位呈东西方向平行发展，裂纹将原岩逐步分裂，分裂的岩石主要向塌陷坑滑落。

图3 2014年3月东边坡地貌现状

综合上述监测及现场调查，绘制出2013年3月12日的地貌图，如图4所示。

图5 2015年10月东边坡地貌现状

图4 2014年3月12日边坡地貌

2.3 2015年10月12日调查结果分析

至2015年10月初，-87 m分段已开采完毕，正在进行-105 m分段开采。开采区域的东西水平投影180 m，南北130 m，空区高度54 m（见图5（b））。

从卫星照片和现场调查结果可以看出，对比2014年3月，塌陷范围不断扩大，边坡滑坡范围明显增大。小滑坡区域上部向东发展至+74 m，宽度约56 m，滑坡上方岩体出现环绕的张拉破坏。

小滑坡区域的北边界为分支矿脉地表出露形成的陡坡，该陡坡东西走向，存在一些拉伸裂缝，长度为9～20 m，较均匀地分布在后方千枚岩边坡上，裂缝的产状和结构面的产状十分接近。由此判 定，裂缝的形成是由于采矿扰动结构面发展而成的。相比北侧的千枚岩，滑坡南侧岩体为混合岩，岩性较好，节理裂隙不发育，完整性较好，仅在+36 m平台处发现一条长度约18 m的拉伸裂缝。

综合上述监测及现场调查，绘制了2015年10 月12日的地貌图，如图6所示。

图6 2015年10月12日边坡地貌

2.4 2016年10月17日调查结果分析

到2016年10月17日，-105 m和-123 m两个分段处于开采状态，从卫星图片可以看出，开采区域正上方的滑坡范围相比上一时期扩大较小，但东 帮边坡地貌形态却发生了很大的变化（见图7（a））。经过1 a的开采，滑坡上部的裂缝持续发育，原有的裂缝逐步贯通，新的裂缝不断产生。被切割分离的岩体滚入塌陷坑，滑坡上部裂隙延伸至+120 m水平，长度达到约90 m左右。小滑坡区域北侧陡坡下方的千枚岩被裂隙切割后向塌陷坑方向倾倒，原有的小裂隙扩展错动，地表出现陡坡（见图7（c））。同时，北侧更远的原生千枚岩中产生新的张拉裂隙。此外，千枚岩蠕变较为明显，相比一年前，东北侧边坡发生了新的大规模滑坡破坏，由之前的开裂和滑移破坏发展成弧形陡坡（见图7（d））。

图7 2016年10月东边坡地貌现状

新滑坡的西部边界长度为170 m左右，东北-西南走向，与之前调查的北侧千枚岩和闪长岩之间的断层位置基本重合，因此，判断为地下开采引起 的断层错动形成的滑坡。滑坡东侧边界存在一些未贯通的裂隙（见图7（e）、图7（f）），长度在8～20 m，向南与小滑坡上部相连，走向与千枚岩优势节理组产状相似（150°∠87°），因此，判断这些裂隙是由千枚岩节理扩张产生的。

综合上述监测及现场调查，绘制了2016年10月17日的地貌图（见图8）。

图8 2016年10月17日边坡地貌

2.5 2017年12月27日调查结果分析

至2017年12月27日，-123 m分段已开采完毕，正在进行-141 m分段开采，开采区域的水平投影南北长132 m，东西长220 m（见图9（b））。

从图9（a）可以看出，露天坑东北侧的新滑坡范围变大。大滑坡上部仍在露天坑东北角+150 m处。相比上次监测，大滑坡东部边界的不连续裂缝已发育贯通（见图9（e）），与小滑坡的南部相贯通。大滑坡上部出现开裂（见图9（d））和滑移，西侧和东侧出现明显的剪切滑移破坏（见图9（e））。这些特征表明北侧千枚岩体中存在一组控制岩体移动的节理。大滑坡的滑移体开始向西南方向下滑，未进入塌陷坑时，在滑坡之间岩体的挤压作用下，小滑坡北侧的千枚岩倾倒破坏加剧，大量裂缝形成反倾斜坡（见图9（f））。

图9 2017年12月东边坡地貌现状

综合上述监测及现场调查，绘制了2017年12月27日的地貌图（见图10）。

图10 2017年12月27日边坡地貌

3 边坡破坏机理研究

为研究眼前山铁矿东边坡的破坏机理，依据地貌破坏调查结果，将东边坡的破坏情况分为4个区 域：塌陷区、开裂区、倾倒区和滑移区。

（1）塌陷区。采空区上方顶板围岩失去支撑，在垂直和水平方向应力的共同作用下而垮落，最终冒落至地表，形成塌陷坑，两侧坑壁为塌陷坑边界。

（2）开裂区。在塌陷区外围一定的范围内，地表出现拉伸破坏，形成一条条裂缝，该区域为开裂区。裂缝一般沿优势节理发展，开裂区的裂缝受拉张开，但未出现较为明显的垂直错动。

（3）倾倒区。在开裂区域外指向地表方向的一定范围内为倾倒区。该区域中分布着许多拉伸裂缝，并发育形成反倾斜裂纹，随着挂帮矿开采的进行，开裂区中的拉伸裂缝逐渐加宽，沿优势节理面持续发展后相互贯通，将岩体切割成离散层理状，向塌陷区弯曲倾倒。倾倒区的裂缝相比于之前开裂区的裂缝，不仅开裂宽度增大，而且垂直方向出现错动，演变成反倾斜裂缝。

（4）滑移区。区域内部地表无明显的开裂、陡坡、反倾等现象。在区域边缘有明显的开裂，形成陡坡，随着矿体开采的进行，空区面积不断扩大，最后出现大规模的岩体滑移。

根据上述不同时期的地貌图，绘制了眼前山铁矿东坡地表破坏范围及破坏区域（见图11）。图中红色实线为塌陷区，黄色实线为开裂区，粉色为倾倒区，青色的为滑移区，黑色虚线为-69 m水平， 紫色虚线为-87 m水平，粉红色虚线为-105 m水平，绿色虚线为-123 m水平，蓝色虚线为-141 m水平。

图11 东边坡破坏区域演变过程

地下开采初期，开采区域周围的岩体破坏均匀分布。2015年监测发现，东边坡北侧千枚岩的破坏范围开始大于南侧混合岩。2017年底最后一次的监测结果表明，东边坡北侧千枚岩地表破坏的边界距离采空区东西轴线的最远距离为320 m，南侧混合岩破坏边界距离采空区东西轴线的最远距离为90 m，北侧千枚岩的破坏范围远远大于南侧的混合岩。此外，东边坡北侧千枚岩的破坏形式也比南侧更为复杂多样。按照图11中的Ⅰ和II两个剖面，统计了5个时期的边坡塌陷角和错动角的变化，分别见图12和图13。

图12 不同时期塌陷角的变化过程

图13 不同时期错动角的变化过程

从图12和图13可以看出，东边坡南侧和东侧的混合花岗岩破坏特征近似传统的地表塌陷破坏形式，塌陷坑形成后，塌陷边缘逐渐出现拉伸破坏，形成裂缝，之后随着开采范围的扩大和延深，陷落范围和错动范围也逐渐增大，塌陷角和错动角不断增大。与混合花岗岩的变化规律不同，北侧千枚岩边坡塌陷角由100°（2014年3月）变化至73°（2016年2月）后不再变化，到2107年底仍稳定在73°，与此同时相应的错动角却不断减小。

根据4 a的监测调查结果以及东边坡的破坏范围和形式的变化，分析得出东边坡的破坏演变分为如下几个过程。

（1）地下开采引起采空区顶板坍塌，继而地表塌陷形成塌陷坑。

（2）塌陷坑外逐渐出现裂缝，岩体被裂缝切割后滑向塌陷坑，出现小规模滑坡。

（3）千枚岩（软岩）中夹杂着其它硬岩，阻碍了塌陷范围向北的扩展。但持续大规模开采导致应力重新分布，坡脚处应力集中，岩体中主要节理开始发育形成拉伸裂缝。随着地下开采范围的不断扩大，拉伸裂缝尺寸逐渐增大，被裂缝切割的千枚岩逐渐向塌陷坑方向倾倒，并且随着开采的进行倾倒范围不断扩大。同时，节理不断发育，形成新的裂缝，逐渐向东北方向蔓延，最终在距塌陷坑较远的地表处出现剪切滑移。

（4）持续的地下大规模开采，空区的范围不断扩大，为节理裂隙的发育提供了足够的空间，在原岩应力的作用下，之前距离塌陷坑较远的小规模剪切滑移发展成整体的大规模滑移，形成二次 滑坡。

4 结论

（1）监测结果表明，眼前山铁矿东边坡北侧的千枚岩破坏范围远大于南侧的混合岩。破坏形式主要有开裂破坏、陡坡破坏和反倾陡坡破坏。开裂破坏主要出现在边坡北侧的千枚岩中，是拉张作用下节理发育形成的；陡坡破坏是由于地表塌陷引起的；反倾陡坡主要出现在北侧千枚岩中，节理的扩展将岩体分割为离散的层状岩体，岩体反向弯曲倾倒，形成反倾陡坡。

（2）眼前山铁矿东边坡破坏分为3个阶段：采空区顶板失稳地表塌陷破坏；塌陷坑周围的小规模滑坡破坏；北侧千枚岩大规模滑坡破坏。

（3）根据边坡的破坏形式，将边坡破坏范围分为4个区域：塌陷区、开裂区、倾倒区和滑移区。统计塌陷角和错动角得出，小规模滑坡向大规模滑坡发展的过程中，初期北侧千枚岩中的分支矿脉起到阻挡作用，塌陷坑形成后，尽管分支矿脉阻碍了北侧千枚岩向南侧的大规模滑移，但随着地下开采的持续进行，地表千枚岩体呈现出的破坏形式为：裂缝-反倾陡坡-新裂缝。

（4）根据边坡破坏过程监测分析得出，前期出现的小滑坡主要是地表塌陷引起的，后期的大滑坡是地下开采引起应力变化，导致岩体中的节理不断扩展，裂缝变大，而采矿形成的空区为岩体的移动提供了足够的空间，最终发生大规模滑坡。