采空区充水对边坡稳定性影响的研究

樊赟赟，董志圣，张 放

(1.东北大学资源与土木工程学院； 2.兰州有色冶金设计研究院有限公司沈阳分公司)

引 言

矿产既是人类社会赖以生存和发展的重要资源，也是国家经济发展的重要保障。地下采空区一直是影响矿山安全开采的重要因素之一，其在充水条件下极可能会引发边坡失稳事故，进而严重威胁矿山人员和设施的安全。国内外学者对该领域的相关问题进行了卓有成效的探索，为保障矿山生产和生命财产安全作出了贡献。

董慧明[1]结合力学理论研究了含采空区边坡的滑动模式及滑动机理。刘欣欣等[2]通过新的DDD(非连续变形与位移分析)离心加载法对含采空区边坡的滑移机理进行研究分析。李世俊等[3]基于离心模型试验得到开采过程中边坡位移场，并与数值模拟结合研究了包含采空区边坡的渐进破坏过程及破坏模式。万文[4]提出计算复杂边坡更具优势的改进遗传算法，通过Matlab编写滑动面搜索程序，对含采空区边坡最危险滑动面进行搜索并计算其安全系数。龚声武等[5]研究了地下老采空区对边坡稳定性的影响规律。江学良等[6]通过SURPAC建立三维采场地质模型，对采空区与露天边坡之间的相互影响进行研究。李同鹏等[7]对不同采空区跨度与边坡滑动面和安全系数之间的关系进行研究。毕钰璋等[8]利用PFC2D构建二维边坡模型，对不同采空区高度导致的滑坡堆积结果与周边结构体之间的关系进行研究分析。柴红保等[9]基于强度折减法研究了不同采空区分布位置对边坡稳定性的影响。赖秀英等[10]分析了不同釆空区走向对露天矿边坡稳定性的影响。许名标等[11]研究分析了含采空区边坡安全系数与采空区跨度、位置、双层采空区三者间的变化关系。胡建军等[12]研究了地下采空区群对露天边坡稳定性的影响。FREIDIN等[13]利用有限元法模拟采空区顶板的受力状态来分析采空区的稳定性，得到安全的采空区顶板暴露范围。王军等[14]研究了采空区顶板的安全厚度和采空区对边坡稳定性的影响。解联库等[15]依据采空区形态、围岩特性及力学参数并结合露天采场的开采技术条件，提出了一种确定采空区顶板安全厚度的综合判别法。GUI等[16]以中国矿山采空区水灾害案例为基础，提出了采空区水治理的理论和技术体系。冯志楼等[17]考虑地下采空区、地下水对露天边坡的影响，研究边坡的变形特征。TAO等[18]提出了一种在露天矿山台阶施工过程中对采空区进行充填的前处理工艺。尚振华等[19]结合统计学中概率的基本原理,以数值模拟为基础引入采空区破坏概率概念，将采空区稳定性问题量化。ZHAO等[20]引入层次分析法和TOPSIS(优劣解距离法)方法，建立了存在采空区边坡稳定性预测模型。

在矿山开采中，矿山地下采空区很可能处于充水状态，然而目前关于采空区充水对边坡稳定性影响的研究仍不够深入。本文以某含充水采空区的露天边坡为工程背景，利用Flac3D软件研究采空区充水对边坡稳定性的影响。

1 工程概况

某大型露天铁矿主要出露太古界鞍山群、元古界辽河群、新生界第四系地层及一些中基性岩脉。辽河群覆盖于鞍山群之上，产状与鞍山群基本一致，在鞍山群和辽河群之上覆盖第四系坡积、残积和冲积层。

矿区地下水的补给来源主要是大气降水，其次为山丘基岩裂隙水和第四系孔隙水，另外在近河地段还有随季节变化的河水补给。地下水以径流形式排泄，其流向与地形坡度基本一致。调查表明，在厚大铁矿体中赋存着以透镜状、似层状、脉状不连续分布的富矿体。所形成的采空区多为开采富矿体所致。同时，在矿体两侧存在断裂构造，断裂构造可能是地下水稳定补给的导水构造，且与采空区连通。采空区多年间贮存了第四系冲洪积孔隙含水、残坡积孔隙含水、基岩构造裂隙水，以及地面径流的汇水。充水采空区对扩帮开采作业造成了安全隐患，因而有必要进行充水采空区对边坡稳定性的影响分析。

2 数值模型与边界条件

依据地质剖面资料和采空区的物探信息，基于Flac3D软件建立含采空区的边坡有限元模型(如图1所示)，并按地层岩性分布将模型分为7种材料分组(如图2所示)。所建立的模型长1 830 m，高510 m，边坡角约32°，模型包含6 580个节点，4 641个单元。为便于比较分析，选择采空区周围的6个节点(a、b、c、d、e、f)及边坡坡肩的2个节点(g、h)作为参考监测点(如图1所示)。

图1 边坡数值模型示意图

图2 边坡材料分区图

参考矿山地质勘查报告选取各地层岩体的物理力学参数，结果如表1所示。

表1 地层岩体的物理力学参数

为便于比较分析，设置3种工况分析充水采空区对边坡稳定性的影响，其中Case-A1为无采空区工况，Case-A2为有采空区但未充水工况，而Case-A3为采空区中全充水工况。参考现场勘查资料，3种工况对应的边界条件设置如表2所示。

表2 数值计算边界条件

3 结果与分析

3.1 边坡渗流场

为研究充水采空区对边坡稳定性的影响，首先计算Case-A1、Case-A2、Case-A3 3种工况边坡的渗流场，结果如图3所示。

由图3可知：由于所探得采空区的位置略高于地下水浸润线，采空区的存在对渗流场的影响比较有限，但若采空区通过各渗流通道充水，则会使局部渗流场发生明显的改变，引起局部水头的提高，进而可能会对边坡的稳定性产生影响。

图3 渗流水头分布图

3.2 边坡稳定性

在渗流场计算的基础上，将所得的渗透力以节点力的形式施加到离散的节点上，从而利用Flac3D软件得到了在不同渗流条件下的边坡等效应力分布图，如图4所示。

图4 不同渗流条件下的边坡等效应力云图

通过分析各工况条件下的边坡等效应力云图可知：与无采空区工况相比，采空区的存在对边坡局部应力场产生了影响。当采空区存在时，采空区周围的应力明显增大，且出现应力集中的现象，这说明地下采空区的存在对边坡应力场有较大影响。在采空区充水时，采空区附近的等效应力进一步增大，应力集中现象更加明显，这说明采空区充水对边坡应力场也会有较大的影响。

为查明采空区及其充水情况对边坡应力分布的影响，对图1采空区6个监测点的主应力进行对比分析，结果如图5所示。

图5 采空区位置各监测点主应力对比图

由图5可知：Case-A1、Case-A2、Case-A3这3种工况下采空区位置各监测点的主应力均发生了显著的变化。几个监测点最大、最小主应力类似的变化规律表明，采空区会使局部的应力集中，而采空区充水则会使采空区周围的应力进一步提高。这意味着采空区的存在及其充水状态的变化都会引起局部应力场的显著改变，其后果可能会导致边坡的稳定性降低及潜在滑动面发生变化。各工况条件下边坡的位移和在强度折减条件下的滑移面分别如图6和图7 所示。

图6 边坡位移场分布图

1—太古代花岗岩 2—绿泥石英岩 3—云母石英岩4—混合岩 5—磁铁贫矿 6—假象赤铁贫矿 7—极贫矿图7 Case-A1、A2、A3滑移面对比图

由图6可知：如前述分析，采空区的存在及充水状态的改变使边坡的位移场发生了明显的改变。采空区的存在使边坡的最大位移增大，位移场的分布受采空区的影响较大，而在采空区完全充水条件下，边坡的位移又相较采空区无水情况进一步增加。从图7 所示的滑移面对比图可以看出：在采空区及其内充水的影响下，边坡可能的滑移面也发生了明显改变，滑移面经过采空区的下缘被采空区位置所控制，当采空区充水时，滑移面仍受采空区控制，相比采空区无水情况滑移面的体积有所增加。

为进一步考察采空区充水程度对边坡稳定性的影响，对不同充水程度条件下的边坡进行基于强度折减法的稳定性计算，得到如表3和图8(为便于比较分析，图8所示曲线为各工况的安全系数Fs与无采空区Case-A1工况安全系数Fs′的比值)所示的不同充水程度条件下的边坡安全系数，以及如图9所示的不同充水程度条件下的边坡关键监测点位移曲线。

表3 不同充水程度条件下的边坡安全系数

图8 采空区不同充水程度条件下的Fs/Fs′曲线

图9 不同充水程度条件下的边坡关键监测点位移曲线

从表3和图8所示安全系数的变化可以看出，在无采空区条件下边坡安全系数达到了1.34，处于稳定状态。而采空区的存在使安全系数降低了12 %，达到了1.18。而充水条件下边坡的安全系数随充水程度的增加而减小，在采空区充满水(充水程度为100 %)时，边坡的安全系数仅为1.02，相比未充水条件下的安全系数下降了14 %。从图9所示的边坡关键监测点位移随充水程度的变化曲线可以看出，采空区两侧监测点(b、e)的位移明显大于坡肩监测点(g、h)的位移。随着采空区充水程度的增加，在渗透水压的作用下，各监测点的位移逐渐增大，当采空区充满水(充水程度为100 %)时，采空区监测点b的最大位移达到了8.27 cm，与采空区未充水时相比，位移增幅达到了86 %。可见采空区及其充水程度将会对边坡产生极大的影响。由于地层的复杂分布及边坡形态的不规则性，安全系数随充水程度的变化并非呈线性变化。这说明必须重视结合实际工程的数值分析，以此得到采空区及其充水状态对边坡稳定性的相关曲线以供厂矿企业参考。由于在矿山的开采过程中，采空区充水将使得露天边坡更易失稳破坏，为保证矿山持续安全高效开采，在探明采空区的基础上，应采取有效的措施降低采空区内水头，将采空区中的贮水及时排出。

4 结 论

本文以某含充水采空区露天边坡为例，通过边坡渗流及稳定性数值计算分析，研究了采空区及其充水程度对露天边坡稳定性的影响，得到如下结论：

1)采空区的存在对露天边坡有着非常显著的影响。采空区的存在改变了边坡局部的渗流场和应力场，使采空区局部产生应力集中，并使边坡的位移增加，安全系数降低。同时，采空区还是控制潜在滑移面形态的重要因素，使潜在滑移面发生改变。

2)采空区的充水程度对露天边坡也有着显著的影响。采空区充水程度的增加会引起局部水头的提高，进而加剧采空区局部的应力集中，使边坡的位移增加，安全系数降低。边坡安全系数和位移随充水程度的变化是非线性的，因此应将实际工程与数值计算结合加以分析。

3)鉴于采空区及其充水程度对露天边坡的重要影响，为保证矿山持续高效的开采，在探明采空区的基础上，还应采取有效的措施将采空区中的水及时排出，以降低采空区内水头，保障矿山边坡的安全。