露天礦邊坡巖體狀態變化與多災害耦合作用關系研究

崔鐵軍，李莎莎

（沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

礦業生產是國民經濟的支柱之一，煤礦生產更是重中之重。煤礦生產主要分為露天和井工兩種方式，相較于井工方式，露天開采具有明顯優勢，包括開采受限制少、大型機械多、資源回收率高、生產效率好、成本低、生產條件好、建設速度快等；同時缺點是占用土地多，對地表和環境破壞嚴重，受氣候影響直接等。具體來說，露天開采是開放式的開采方式，形成人造礦坑和邊坡。這些礦坑和邊坡的原始地質環境可能較為復雜且有水系發育；特別是隨著露天礦深度的增加，邊坡坡度和范圍也將逐漸增加，由于設計和已知地質條件的缺失極易造成失穩塌方，受雨水作用形成泥石流，或是礦坑周圍造成大范圍沉陷和地表裂縫。無論是哪種災害都將影響露天礦的安全生產，同時影響周邊建筑及人們的生產生活。特別是在閉坑后，由于缺少生產帶來的資金支持，對露天礦的維護措施將進一步弱化，這將促使更大范圍的礦坑變形和周圍地質條件的改變，直到水文和地質條件重新平衡。進一步而言，各種自然災害和水文地質條件對露天礦礦坑和邊坡的破壞將加強，例如水系作用、礦震、煤層自燃等都將改變巖體狀態，而巖體重新平衡的過程就是礦坑和邊坡的破壞過程，況且這些災害過程可能同時出現，具有耦合作用，會加快破壞過程，加強破壞程度。多災害耦合作用將對資源型城市和距露天礦較近的城鎮造成嚴重的地質災害隱患，因此巖體狀態變化與多災害耦合作用關系是亟待解決的重要科學和工程問題。

對礦業領域多災害耦合研究的文獻較少。明確提出露天礦邊坡工程中各類災害演化過程耦合研究的是王來貴教授，他在2014 年發表的露天礦邊坡工程系統演化過程一文中詳細介紹了災害演化耦合關系[1]。包括多災害耦合疊加模型的區域地震風險評估[2]，深部采動響應與災害防控[3]，瓦斯突出多物理場參數演化[4]，多因素耦合模型的滑坡預警[5]，多因素作用的極震區泥石流過程分析[6]，多災害耦合礦井強沖擊災后恢復治理[7]，多場耦合作用下瓦斯與煤自燃協同預防[8]，動力災害風險精準判識及監控預警[9]，煤與瓦斯突出動力災害多參數耦合預警[10]，多災害耦合的貼近突出煤層安全開采[11]，煤礦動力災害多參數耦合測定[12]，多場耦合煤礦動力災害模擬研究[13]等。這些研究多集中于多因素對災害的影響，而少有多災害之間耦合作用對巖體應力應變的影響研究。而實際情況下露天礦經常出現多災害連發、相互促進、發生發展的綜合災害演化過程。這種災害演化過程與各災害之間的關系、出現時機、發生程度等有著顯著的相關性，因而需要確定不同條件下可能出現的災害及其耦合情況，但目前缺乏相關研究。

對于上述問題，筆者在數學方法上提出了空間故障網絡理論[14]，可描述自然災害演化過程，確定災害過程經歷的事件、影響因素、邏輯關系和演化條件等。但實際中該方法需要大量數據，難以對礦區具體位置進行災害演化過程分析。結合筆者已有的礦山災害模擬研究[15-18]，論文提出了使用模擬方法研究露天礦邊坡巖體狀態變化與多災害耦合作用關系來替代露天礦邊坡自然災害演化過程的研究。設置了該露天礦在未來50 年內可能出現的災害及其耦合情況，通過模擬得到滲水、礦震和煤層自燃與巖體塑性、位移和應力之間的關系，為露天礦災害預測防治提供了依據。

1 露天礦水文地質條件與模型建立

某露天礦東西長為6600 m，南北寬為2200 m，總面積達13.2 km2。其位于城市邊緣，與市區非常接近，隨著城市發展和露天礦開采活動的進行，該礦北幫邊坡的應力應變狀態變化對臨近城市造成了嚴重影響。最顯著的是地表出現的不均勻沉降，長達百米的地表裂縫及周圍建筑產生的裂隙。加之礦坑北幫以北1200～1600 m有較大河流經過，且礦坑位置原為兩條支流的河道，使得礦區周邊水系發育較好，據測算在不進行排水情況下礦坑將在50 年左右完全注水形成湖泊。研究涉及的礦坑邊坡和河流等的位置如圖1所示。

圖1 露天礦、市區及河流地形圖Fig.1 Topographic map of open pit mine，urban area and river

表1 模型內各組土層名稱

研究模擬范圍為北幫E200 到E800 范圍，如圖1 中虛線內區域。模型南北長1100 m，東西寬600 m，底部海拔-600 m，最高處海拔70 m。該模型北側邊界距河流平均1300 m。模型中包括花崗片麻巖、玄武巖、白堊系砂巖、綠色泥巖、油母頁巖、煤巖等，同時存在多條斷層。根據不同巖層的位置和物理力學參數設置模型及斷層接觸面，模型層理結構、主要研究區域和地震作用位置如圖2 所示，編號與巖層對應關系如表1所示，各巖層參數如表2所示。

圖2 左圖表示模型中不同區域巖層的巖體種類。中圖表示模擬過程中巖體狀態變化的主要區域，區域1 是大高差邊坡，主要由綠色泥巖構成；區域2 是小高差邊坡，主要由玄武巖、煤巖和油母頁巖構成。右圖表示礦震荷載施加位置，即模型的下底面和北側邊界，以及發生自燃的煤層位置和接觸面。

巖體模型采用FLAC3D 的摩爾庫倫本構模型建立，網格為四面體網格，邊長為10～30 m。為了模擬斷層設置兩處接觸面，分別為ZG_008與ZG_007 的接觸面1，ZG_007 與ZG_006 的接觸面2，接觸面參數如表3所示。

表1至表3參數是經過實地測量獲得的，有一些參數通過差值法得到。

圖2 模擬區域構造圖Fig.2 Simulated regional structure

表2 各組土體參數表

表3 接觸面參數

2 多災害耦合作用設置

考慮到在自然狀態下礦坑預計將在50 年左右被周圍水系注滿，同時考慮到坑底距地表約為400m，將坑內水位高度變化50m 作為一個模擬階段，那么全過程模擬分為9 個階段進行，分別是-380m（第一次）、-380～-330（第二次）、-330～-280（第三次）、-280～-230（第四次）、-230～-180（第五次）、-180～-130（第六次）、-130～-80（第七次）、-80～-30（第八次）、-30～20（第九次）。模擬過程的9 個階段如圖3 所示。另外根據不同高度的水的滲入速度，可判斷9 個階段分別對應的持續時間，但在這里不是重點不做贅述。

圖3 潛水層設置與水位變化過程圖Fig.3 Water plan setting and water level change process

考慮到礦區較為常見的災害形式，設置在滲水過程中伴隨著礦震和煤層自燃現象。模擬主體順序為自燃、滲水和礦震，自燃和礦震的發生在滲水期間是隨機發生的。

煤層自燃現象是煤礦開采中經常發生且不可避免的自然災害，因此首先考慮煤層自燃對邊坡的影響。自燃的模擬考慮到實際煤燃燒過程中的物理化學性質變化，突出表現在體系縮小、強度減小及密度減小幾方面，因此對煤層中煤的參數進行調整。另考慮煤自燃主要發生在煤層露頭部分及一定深度內，結合已有研究成果[17-18]，設置煤自燃范圍是從露頭延伸入煤層260 m 左右，最深處距地表約178 m，如圖2中右圖煤層所示。上述9 個階段內均發生一次自燃模擬，參考表2 對煤層參數進行適當折減，折減系數為0.94。但考慮到煤層實際位置，在被水覆蓋后煤層自燃較為困難，因此在第6 次模擬后不再設置煤層自燃。

水的滲透作用對邊坡的影響模擬使用潛水面（water plan）實現。water plan 之下代表巖體被水淹沒，認為巖體被水完全浸泡是飽和狀態巖土體。對應于水位變化的9個階段，設置9個water plan 來模擬9 次水位上升過程對巖體的影響。由于本構的內部機制，water plan 之下的巖體以飽和形式模擬，那么關鍵問題是設置適合的water plan。參考該露天礦與北側最大水系距離，模擬區域與該河流的平均距離為1300 m，因此設置9 個water plan 的焦點在模型北側水平距離1300 m 處。另外模型南側邊緣到河流水平距離約2400 m，按照實際測量存在3/1000 的水力梯度，因此模擬河流位置應比實際位置下降7.2 m，同時考慮到該河流流域海拔約為39～70 m，及河流下部的滲透情況，模擬位置再下降10 m，最終各water plan 的焦點海拔設為20 m。因此water plan的焦點假設位置在海拔20 m且距模型南側2400 m，如圖3所示。

在露天礦礦坑注水后極易發生礦震和小型地震。在每個模擬階段內都設置3 次礦震，每次礦震約為三級，對應的最大運動速率約為0.075 m/s。施加的地震荷載為正弦曲線波，且為相同縱波和橫波的混合形式，震動周期為0.7 s，最大速率為0.075 m/s，速率隨時間的變化而變化。地震正弦波施加的位置為模型最北側邊界平面和模型底部邊界平面，如圖2 右圖中設置的正弦地震波位置。

綜上所述，模擬礦坑及邊坡在50 年自然狀態下，研究區域模擬過程可總結為：根據水位變化分為9個階段進行模擬，前6階段模擬過程為自燃、地震和滲水的耦合結果，后3 階段為礦震和滲水的耦合結果。在水充滿當前高度的模擬過程中，隨機設置發生自燃和地震，自燃發生1次，礦震發生3次。隨機發生通過間隔計算步實現，雖然隨機災害影響的礦坑和邊坡狀態變化結果不同，但總體狀態變化的趨勢相同，可以為類似災害過程耦合提供分析對照。

3 模擬結果與分析

上述多災害耦合作用模擬過程共分9 個階段，每階段中的自燃和礦震存在隨機順序，但總體上先執行自燃，然后水位變化，最后模擬礦震，因此前6階段有3次模擬平衡，分別為自燃、滲水和礦震，后3階段只有2次平衡。由于研究需要和篇幅所限，僅研究了9 階段的最終平衡狀態，即礦震結束后的平衡狀態。獲得巖體狀態變化最具特征的量，包括塑性區變化、位移變化和主應力變化。

多災害耦合作用下模擬區域礦坑及邊坡的9階段塑性區變化過程如圖4所示。

圖4 塑性區變化圖Fig.4 Change of plastic zone

在模擬過程中塑性區表示了巖體變形和受力等超過彈性變形極限，巖體進入塑性的狀態，在應力消失后變形依然有殘余。對巖體而言塑性區則代表了受拉和受剪破壞的區域，而巖體的抗拉和抗剪強度較低，因而塑性區代表了巖體在模擬過程中可能受破壞的區域。從圖4 的塑性區變化過程可知巖體狀態變化的特征。邊坡頂部存在兩條明顯的紅色區域，是受拉破壞形成的塑性區。這兩個位置對應了兩條斷層（對比圖2 右圖），因而在巖體運移過程中都是較薄弱的環節，只要下部巖體狀態發生變化這兩處斷層就會出現較大位移形成塑性區，這是9階段模擬結果的共同特點。

討論模擬過程中塑性區的特征變化，根據圖2 中的區域1（大高差邊坡）和區域2（小高差邊坡）分別討論，兩個區域中間的坑底未受到破壞，處于原始狀態。對區域1，主要存在于邊坡自由面，也是決定邊坡安全系數的重要區域。從圖4中的9次模擬可知該部分巖體一直表現為受剪和受拉剪破壞狀態。受拉剪破壞形成的塑性區（下文簡稱拉剪塑性區）主要集中在邊坡上部，而下部是受剪產生的塑性區（簡稱剪塑性區）。形式上9 次模擬中剪塑性區和拉剪塑性區的總區域變化不大，且拉剪塑性區在剪塑性區之上。隨著模擬次數增加，即滲水水位上升，拉剪塑性區逐漸增加，剪塑區逐漸減小，但剪塑性區始終在拉剪塑性區下方。解釋這一現象，受剪區域代表了不穩定的滑坡，而從基巖上產生的滑坡必然使之上巖體與基巖之間產生剪切變形，形成剪塑性區。而拉剪塑性區更接近于自由面，這部分巖體自由度更大約束更小，在模擬過程中拉剪塑性逐漸增加。提供這部分生成條件的主要是礦震震動；另一方面由于水位的上升，靜水壓力也提供了形成上述現象的條件。區域2 主要是由玄武巖、煤巖和油母頁巖組成，該區域巖體狀態較為多樣，包括剪塑性區、拉剪塑性區和拉塑性區。隨著模擬次數增加，這些塑性區都在逐漸增加，其特點是剪塑性區仍然在該區域的底部，其上是拉剪塑性區，最上方是拉塑性區。分析形成原因主要是受到煤層自燃和水位影響，受地震影響較小。因為這部分邊坡高度低、體積小，并未形成如區域1 的大高差邊坡，對震動正弦波作用的響應不大，形成的剪塑性區不大。煤層自燃導致煤體體積縮小，其物理力學性質弱化，導致上覆巖體沉降；沉降巖體產生明顯位移形成拉剪塑性區；之上區域由于拉剪塑性區的支撐作用并未產生剪塑性區，而受到側向巖體的拉力維持穩定，因此區域2 頂部形成了拉塑性區。另一方面，由于水位升高，第七至九次模擬都未考慮煤的自燃，期間區域2 巖體狀態變化不大。

多災害耦合作用下模擬區域礦坑及邊坡的9階段位移變化過程如圖5所示。

圖5 位移變化圖Fig.5 Change of displacement

位移更為直觀的表示了邊坡變形狀態特征。如圖5 中9 階段模擬的位移變化可分為3 個階段，前三次為第一階段，特點是water plan 在巖體之下。這時水滲入巖體間隙形成飽和狀態，water plan 之上巖體并未受到水的作用仍處于原始狀態，下部浸水巖體的骨架系統未變化。區域1 的變形更為明顯，但變形量較小，對邊坡的安全性影響較小，不構成滑坡破壞條件。隨著水位升高，第四至第七次模擬結果的位移量較上一階段增加了一個數量級。大變形區域集中于被水浸沒的部分，且主要變形區域由區域1 轉為區域2。這是由于區域2 下部經歷了煤層自燃，自燃后煤體受水侵蝕強度進一步降低，體積進一步縮小，造成上覆巖體沉降，沉降將進一步促使周圍巖體受拉剪作用形成更大范圍的沉降。但由于煤層自燃的深度存在極限并未影響到區域1，因此隨后的模擬中區域1并未發生大變形。由于水位上升，煤層自燃難易進行，第八、九次模擬結果差別不大。經過更細致的模擬結果分析，當水位較低時礦震對邊坡影響較大；而水位較高浸沒邊坡后礦震對邊坡的影響較小。

多災害耦合作用下模擬區域礦坑及邊坡的9階段主應力變化過程如圖6所示。

圖6 主應力變化圖Fig.6 Change of principal stress

最大主應力代表了巖體在某一方向上的最大受力情況，在巖體中最大應力位置存儲了較大的彈性勢能有釋放傾向，可能受拉、壓或剪應力。同樣最大主應力的變化也可分為三個階段，分別為第一至第四次模擬，這時最大主應力的數量級不變，數值差別不大。因為這時最大主應力來源于巖體本身，水位并未完全浸沒底部巖體，模型整體上壓應力占主導地位，拉壓應力變化較??；模型邊坡不同程度的承受拉應力，這是由于震動造成的受拉狀態，因為此時水位和煤層自燃都不作用于自由面巖體。第二階段第五至第七次模擬，這時隨著水位升高，由于水滲透進入巖體產生靜水壓力（浮力），因而該階段模型中的壓應力變化不大，而拉應力出現增加和集中。這同樣是水位變化的作用，而隨著水位升高，礦震對邊坡影響的程度降低；煤層自燃在該階段也停止，自燃造成了煤層弱化，其上部巖體由于煤層體積流失和強度下降有下沉的趨勢，導致這部分巖體受周圍拉應力增加。第三階段第八和九次模擬中，由于水位已到達高位，礦震對最大主應力的影響變得更??；煤層自燃停止對主應力的影響停止，因而這兩次模擬結果的變化較小。

4 演化過程的規律總結

在上述設定情況下，考慮礦坑滲水過程伴隨礦震和煤層自燃現象，水位由-380 m 升至20 m 過程中模擬了礦坑及邊坡巖體塑性區、變形和最大主應力的變化情況，可總結得到如下規律：

（1）巖體塑性區域變化特征：兩個區域中不同塑性區域分層存在；大高差邊坡主要受水位和礦震影響，塑性區變化不大；小高差邊坡受自燃和水位影響，塑性區變化較大。在滲水、礦震和自燃的影響下塑性區將形成滑坡體。

（2）巖體位移變化特征：水和煤層自燃主要導致了位移變形的產生；水位低時礦震作用大，水位高時作用??；區域1 的位移主要由水位變化導致；區域2 的位移主要由煤層自燃和水位變化導致。

（3）巖體主應力變化特征：水位較低時礦震對主應力的影響較大，高水位時影響較??；煤層自燃在水位低時影響不大；水位高時產生較大的受拉主應力。

總結上述規律，水位變化全程影響了礦坑的塑性區、位移和主應力變化。水的作用抑制了礦震對巖體的作用。煤層自燃主要影響煤層露頭及其周圍的巖體。礦坑滲水直接影響礦坑及邊坡穩定性，造成巖體覆存狀態改變，極易造成邊坡失穩滑坡。

5 結論

論文研究了礦坑在50 年內完全滲水過程中礦坑及邊坡巖體狀態的變化情況，主要結論如下：

（1）模擬過程中巖體塑性區域變化存在明顯特征。礦坑中巖體的拉剪塑性區及拉塑性區等是分層存在的；大高差邊坡塑性區受水位和礦震影響，但作用不大，小高差邊坡塑性區受自燃和水位影響變化較大。

（2）模擬過程中巖體位移變化存在一定特征。水位和煤層自燃對巖體位移影響最大；高水位對震動產生的巖體位移有抑制作用。

（3）模擬過程中巖體主應力變化特征不明顯。水位較低時礦震對主應力的影響較大，高時影響較??；煤層自燃在水位低時影響不大，高時影響較大。

因此礦坑在生產或廢棄之后都不建議且應避免水的滲入，以避免巖體狀態改變，導致邊坡失穩滑坡，擴展至周邊地表造成不均勻沉降和建筑裂縫。