长期矿震作用对露天矿边坡岩体状态的影响研究

崔铁军,李莎莎

(1. 沈阳理工大学 环境与化学工程学院, 辽宁 沈阳 110159; 2. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院, 辽宁 葫芦岛 125105;3. 辽宁工程技术大学 工商管理学院, 辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

矿业领域,特别是各类矿山生产过程的安全问题是影响国民经济、财产和人民生命的重要因素之一。虽然各类矿产性质不同,但生产方式一般是露天开采和井工开采。2种生产方式各具特点,露天开采优点在于易于生产,无论是开采方式、机械设备、矿产利用率等方面存在优势,缺点是破坏环境,影响周边人员生产生活。而井工开采虽然对地表影响较露天开采小,但需要的人力、财力、物力更多。在矿产覆存条件允许的情况下,优先选择露天开采。因此就必须面对和解决露天开采对周边环境的影响,而在众多影响中露天矿边坡的滑坡及失稳是主要灾害之一。导致边坡滑坡和失稳的因素很多,内部的岩体自身属性和结构特征因素,外部的采掘、水系和风化作用因素都有存在影响。从另一角度可划分为静力荷载和动力荷载,静力荷载包括岩体本身重力等,动力荷载包括采掘活动和自然灾害,如矿震、冲击地压等。静力荷载对边坡的破坏是缓慢的,动力荷载对边坡的影响是剧烈的,往往在短时间内造成边坡滑坡失稳,且动力荷载伴随着一定的随机性,为滑坡等灾害预防治理增加了难度。特别是在如矿震等动力荷载对边坡长时间的反复作用下,边坡整体结构将逐渐破坏,为后继矿震瞬间造成滑坡提供了必要条件。因此研究合理范围内的长时间多矿震情况下,边坡岩体状态变化及变化的累积作用有重要意义。

关于矿震、冲击地压及爆破等震动对边坡的影响研究逐渐增加,这些研究主要包括露天矿背波台阶边坡爆破振动研究[1],煤矿矿震类型及震动波传播规律分析[2],冲击地压-矿震协同控制机理[3],爆破地震波传播规律[4],爆破荷载作用下露天边坡稳定性[5],地震作用下层状岩质边坡动力响应[6],含软弱夹层堆积体边坡动力响应规律与失稳破坏[7],冲击地压发生机制与矿震活动规律[8],单条顺层结构面岩体的爆破振动[9],边坡稳定性的爆破振动控制[10],露天铁矿爆破振动对边坡的动态响应[11],边坡滑坡应力变化规律及影响因素[12],竖向地震效应土质边坡临界滑动面识别[13],斜坡地震稳定性研究[14],地震影响受锚土质边坡的稳定性分析[15]等研究。这些研究重点关注了矿震、冲击地压及爆破等震动对边坡的短时间作用,考虑单次震动对边坡的影响。少有对长时间多次累积震动作用对边坡岩体多个应力应变状态的综合研究。难以发现矿震对边坡的潜在影响和状态变化趋势,这不利于对边坡滑坡等灾害治理的长期考虑。

本文根据以往对边坡震动破坏的研究经验[16-21],结合所研究边坡的实际情况、灾害特点和对周边城市的影响,制定了对该边坡长时间多次矿震的模拟场景。研究常年矿震对边坡塑性区、位移和最大主应力的变化影响,以此作为边坡灾害预测、预防和治理的依据。

1 工程背景

研究选取我国某一较大露天煤矿,该矿紧邻市区,东西长6600 m,南北宽2200 m,总面积约13 km2,是我国较早地进行开采的露天煤矿,矿区平面如图1所示。

图1 露天矿矿坑

目前该露天矿坑深400 m左右,由于开采需要边坡陡凸,同时坡内岩体存在大量裂隙和大型断层,边坡断层裂隙发育充分;矿坑北帮以北2 km外有较大河流经过,矿坑位置原有2条支流河床,现改道经过矿坑周边,因此矿坑及周围岩体内水系发育充分。该矿已有多次大规模滑坡灾害,1927年出现滑坡,至1982年有记录滑坡50多次,近年大型滑坡也多次发生,如2014年滑坡3.4万m2、2015年69万m2、2016年313万m2[22]。除此之外,地表变形、塌陷、沉陷、地裂缝等都是经常出现且造成显著破坏的灾害现象。究其根本原因,首先是采矿活动,加之水的作用,但更为集中且影响较大的是动力作用为代表的矿震和冲击地压等现象。矿区1990年开始发生3级矿震,2002年3级矿震达到高峰共21次,矿区长期经受3级以上矿震反复作用,对边坡及周围建构筑物造成严重破坏。因而需要研究矿震对露天矿边坡岩体状态的作用和影响,进而预测和预防由矿震带来的各种滑坡和失稳灾害。

矿震震动对边坡岩体施加了动力荷载,由于坡内岩体对荷载的响应不同造成了原本固结的岩体变得松散,导致了一系列灾害现象。矿震改变了边坡岩体内部结构形式、边坡外部几何特征、岩体内外水系状态。因此可知矿震震动是边坡岩体强度弱化的主要原因之一,也是最为剧烈、直接和快速的作用。进一步考虑矿震对边坡的影响,边坡破坏可用塑性区表示,变形用位移表示,能量蓄积用最大主应力表示,因此本文用塑性区、位移和最大主应力的变化表征边坡岩体状态的变化,从而呈现矿震对岩体的作用。

2 模型建立

考虑到该露天矿北帮与城市接壤,且裂隙发育较好,是该矿区重点研究和控制以防止塌方及周围地面沉降的主要区域,因此选取图1中虚线框内的区域作为模拟研究对象。岩体模型采用FLAC3D的摩尔库伦本构模型,边长10～30 m的四面体网格单元建立模型。

如图2所示,模拟北帮E200到E800范围,模型东西宽600 m,南北长1100 m,底部海拔-600 m,最高处海拔70 m。该区域地质构造包括花岗片麻岩、玄武岩、白垩系砂岩、绿色泥岩、油母页岩和煤岩等,岩层位置和参数如图2(a)和表1所示;同时岩体存在充分发育的节理、裂隙和断层,位置和参数如图2(c)及表2所示。

表1 各组土体参数表

表2 接触面参数

图2 边坡模型

图2(b)为矿震作用下岩体状态变化的主要区域,区域1是大高差边坡,主要由绿色泥岩构成;区域2是小高差边坡,主要由玄武岩、煤岩和油母页岩构成。图2(c)为矿震荷载施加位置,即模型的底面和北侧边界,也表示了煤层和接触面位置。

矿震模拟设置,模拟以5 a为一周期,发生3次3级矿震,持续45 a共9周期的震动作用。震动荷载为正弦曲线波,包括纵波和横波且形式相同。由于矿震频率成分较单一,优势频率集中在1～3 Hz[23],结合当地情况设震动周期为0.7 s(频率1.42 Hz),震动加速度峰值为0.2 g,震动持续10 s,速率随时间变化而变化。矿震时程曲线如图3所示。作用于模型北侧边界和底部边界,如图2(c)所示。

图3 矿震时程曲线

3 模拟结果与分析

3.1 塑性区情况分析

图4为了9个周期各自平衡时边坡岩体的塑性区情况。由上至下,由左至右模拟次数依次增加,同图5和图6所示。

注:Zone State By Average表示岩体的状态。None为无塑性区; shear-n为当前剪切塑性区; shear-p为过去剪切塑性区; tension-n为当前拉伸塑性区; tension-p为过去拉伸塑性区。当多个状态并列时代表一次经历了这些状态,例如shear-n shear-p tension-p表示过去为剪切塑性区和拉伸塑性区,现在为剪切塑性区。

图5 边坡岩体的位移变化

图6 边坡岩体的主应力变化

由图4可知,出现塑性的区域主要有3部分,一是北帮边坡顶部的2个断层,二是图2(b)的区域1,三是图2(b)的区域2。北帮边坡的2个断层在矿震震动作用下出现了大变形,由于在模型中设置了接触面,物理力学性质远低于岩体参数。这部分相当于矿震震动对节理、裂隙和断层的作用。如果原岩体固结,则内部岩石由于对震动作用的响应不同,会造成岩体裂隙增加。而对于原本存在断层的岩体,在震动荷载下断层可能被活化产生较大位移。由于FLAC3D基于连续介质理论,因此这种破坏的大变形以塑性区的形式被表示出来。断层在矿震震动中产生的塑性区是不可逆的,全部9个模拟周期中都存在且变化不大。

区域1在9个模拟周期中的特征类似,该区域塑性区由剪塑性区、拉剪塑性区和拉塑性区组成。他们的分布有一定特征,剪塑性区在模拟过程中存在于边坡自由面中下部且范围有缩小的趋势,但变化不大。这是由于该边坡中下部坡角较大,在矿震过程中滑坡体与基岩之间有大角度剪切破坏趋势,因此这部分主要是剪塑性区。在区域1的剪塑性区之上是拉剪塑性区,该区域沿着断层2深入岩体,在9个模拟周期中只在边坡自由面区域有所减少但变化不大。在震动过程中,拉剪塑性区一边是自由面一边是断层,因此整体上这部分岩体在震动中即存在与震动方向相反的拉力又存在下滑的剪力,形成了拉剪塑性区。区域2实际是坑底南侧边坡,主要由玄武岩、煤岩和油母页岩组成,结合图2(c)可知煤层在该区域存在露头。这部分存在拉塑性区、剪塑性区和拉剪塑性区。拉塑性区主要在该边坡的顶部,下部坡内是拉剪塑性区,而坡面出现了少量剪塑性区。区域2上部的拉塑性区主要是受到边界约束形成的受拉区域,虽然下部存在拉剪塑性区和剪塑性区但总体上区域2的边坡稳定。

矿震震动对该边坡塑性区的影响:断层在模拟过程中始终存在拉塑性区;区域1边坡上部以拉剪塑性区为主,下部以剪塑性区为主;区域2主要是拉塑性区。这说明矿震震动对岩体,特别是边坡区域岩体塑性有影响,多次模拟的塑性区存在累积但不明显。

3.2 位移情况分析

图5为9个周期各自平衡时边坡岩体的位移情况,并展示了矿震过程中边坡岩体的位移情况。位移代表了岩体变形的程度,岩体变形越大位移越大,反之亦然。从模拟过程看,颜色变化的变形区域逐渐缩小,而从另一角度说明某些位置的岩体位移变化逐渐集中,变形集中的位置可能发生滑坡。这是由于矿震震动对边坡坡面特定位置和形状的岩体的作用,而岩体变形就是对这些作用的响应。这些区域的特点是坡度大、有突出坡面的结构,进而具有较大惯性矩, 受动荷载后产生作用力, 即惯性力, 使得该岩体与基岩之间受较大作用力,进而产生更大位移。对矿震震动在不同模拟阶段的累积作用,从最大位移量分析,前4次模拟周期中位移大约是前次模拟位移的2倍,之后5次模拟虽然位移量都在累积增加,但增加幅度逐渐减小。可预见的是,如继续增加震动累积作用则会发生滑坡。而滑坡范围在模拟过程中逐渐缩小,最后2次模拟中该区域基本保持不变,说明应变已相当集中,濒临破坏。而北帮边坡上部的2个断层位移没有显著变化,同时由煤岩和油母页岩组成的南帮边坡位移变化不大。因此在矿震震动作用累积过程中,区域2对震动荷载的响应不明显,矿震影响较小。

矿震震动对该边坡位移的影响:北帮坡面受震动影响较大,随震动过程位移也随之累积,但作用逐渐减小;位移区域也在累积过程中缩小并稳定。边坡其余区域对震动的响应不明显。

3.3 主应力情况分析

图6为9个周期各自平衡时边坡岩体的主应力情况,并展示了矿震过程中边坡岩体的主应力变化。主应力变化代表了岩体储存能量和破坏征兆。当压主应力增加时,代表岩体受压产生弹性变形存储了更多弹性势能;当拉主应力增加时,代表岩体受拉可能随时破坏。无论是存储弹性势能的意外释放或受拉破坏都是岩体的主要破坏形式,可作为边坡破坏的前期征兆。从9个周期的模拟结果可知,无论是最大拉主应力或是最大压主应力的变化都很小,数量级无变化,具体数值有波动,因此矿震震动对主应力的作用无积累。也可理解为多次矿震对主应力的作用都是独立的。模型中所有坡面都受到拉主应力作用,特别是断层内部的拉主应力更为集中;对应的,岩体基岩内部一般都为压主应力。

矿震震动对主应力的影响:震动对岩体拉或压主应力影响很小,震动作用不累积,边坡坡面仅为拉主应力,内部为压主应力。

总结矿震震动在长时间跨度,多次震动作用下的边坡岩体塑性区、位移和主应力的变化情况。认为大高差边坡坡面塑性区受震动作用影响较大,且主要呈现拉塑性区和拉剪塑性区,多次震动塑性区累积较小;大高差边坡坡面位移受震动影响较大且多次震动的位移累积,但作用逐渐减小,位移区域缩小并稳定。震动对主应力影响很小且作用不累积,坡面为拉主应力而内部为压主应力。综上,矿震震动对岩体塑性区有影响,对位移影响最大,对主应力影响甚微。

4 结论

本文模拟了长时间多次矿震震动对露天矿边坡的塑性区、位移和主应力的变化影响,主要结论如下:

1)分析了矿震对露天矿边坡的作用。矿震改变了边坡岩体内部结构形式、边坡岩体外部几何特征、边坡岩体内外水系状态,使边坡岩体强度弱化。可用塑性区、位移和最大主应力变化表征边坡岩体状态变化,进而表征矿震对岩体的作用。

2)矿震震动主要影响岩体位移,其次是塑性区,对主应力影响很小。大高差边坡坡面塑性区受震动影响较大形成拉和拉剪塑性区,塑性区累积不明显;大高差坡面位移受震动影响较大且位移累积发展,位移区域缩小并稳定;震动对主应力影响很小且作用不累积。