王瑞青 张春磊
(1．中交公路规划设计院有限公司，北京 100088; 2．中国石油集团工程设计有限责任公司，北京 100085)
地下采矿条件下坡体移动变形分析
王瑞青1张春磊2
(1．中交公路规划设计院有限公司，北京 100088; 2．中国石油集团工程设计有限责任公司，北京 100085)
针对重庆武隆鸡尾山滑坡，结合地质分析，采用二维离散元方法(UDEC2D)，分别建立了前缘崩塌体和后缘滑动体的简化二维数值模型，对地下开采作用下滑坡体前缘发生崩塌和后缘发生滑动失稳机制分别进行了研究，分析了地下开采作用对滑坡体前缘应力场和对滑坡体后缘位移场的影响。
地质灾害，滑坡，地下开采，稳定性分析
0 引言
近年来，由于人类地下采矿活动导致的山区滑坡地质灾害逐渐增多，并造成严重的人员伤亡与财产损失［1］。1980年6月，湖北宜昌盐池河磷矿区发生大规模山体崩塌，总体积约100万m3。研究发现，地下开采磷矿是导致此次大规模滑坡的主要原因［2］。1996年5月31日和6月3日，云南省元阳县老金山金矿群采区接连发生两次滑坡，直接经济损失达1．4亿元。调查表明，金矿开采是此次灾难发生的重要原因［3］。2009年6月5日，重庆武隆鸡尾山发生大规模滑坡，滑坡体体积约500万m3，造成重大灾难［4，5］。调查分析后认为，山体“积木块”状的岩体结构为滑坡发生提供了物质基础和有利地质条件，而超过5万m2的地下开采铁矿活动则是此次灾难发生的主要诱发因素。山体下部存在持续近百年的开采活动，而灾难发生前数年开采又刚好位于滑坡体前缘之下，这对坡体稳定带来强烈的扰动作用［4，5］。2013年1月11日8时20分左右，云南省昭通市镇雄县果珠乡高坡村赵家沟村民小组发生山体滑坡，人员伤亡严重［6］。由于这类滑坡多分布于工矿区等人类活动较频繁的场所附近，因此，应加强对这类地下采矿活动导致的山区滑坡灾害发生原因的研究。
针对武隆鸡尾山滑坡，许强等［4］采用现场工程地质调查、数值模拟方法对其发生机制进行了分析，认为地下开采活动会对坡体稳定带来不利影响;殷跃平［5］建立了滑坡体的简化三维数值模型，并通过对比自然演化、地下采空等不同工况条件下的坡体状态，认为地下采矿主要通过坡体应力环境的调整和岩体的不均匀沉降而对坡体带来扰动;刘传正［7］采用类比分析的方法，提出地下采矿活动导致的“张拉悬板效应”是山体拉裂失稳的主要原因。
本文结合已有的研究工作及现场调查，以鸡尾山滑坡为例，进一步分析地下开采铁矿活动对滑坡体稳定性的影响。采用二维离散元方法(UDEC2D)，分别建立前缘崩塌块体和后缘滑动坡体的简化二维数值模型，分析在地下采矿作用下的移动变形特征。
1 鸡尾山滑坡移动变形计算
结合现场工作，山体主要发育二叠系下统灰岩和志留系中统页岩，滑坡体西侧和南侧被两组大型裂缝切割分离，前缘和东部侧壁两面高陡临空，下伏软弱层面。岩层为单斜构造，其倾向与陡崖临空面走向呈小角度相交并略倾向山内，如图1所示。
以下从应力场变化方面对前缘块体崩塌的变形趋势进行分析，对后缘坡体的滑动趋势则从位移场角度进行研究。
1．1 前缘崩塌体移动变形分析
图2为前缘崩塌块体的横剖面简化模型。按调查资料确定岩层产状、崩塌体及地下开采的大体位置，山体中大规模的地下采空区在模型中采用分步开挖的方式进行模拟，共10个开挖步，每步开挖长度为6 m。
图1 重庆武隆鸡尾山滑坡
图2 横剖面模型网格
因滑坡体中灰岩强度较高，为计算方便，模型中块体采用弹性本构，节理面采用库仑本构模型，参数见表1，表2(后面模型本构、参数均相同)。
表1 横剖面模型块体物理力学参数
表2 横剖面模型节理面物理力学参数
为便于分析前缘崩塌块体内应力场，在计算模型中设置了若干记录点，见图3。
图3 横剖面模型中数据记录点布置
由现场调查可知，前缘发生崩塌变形的茅口灰岩西侧壁为较发育的岩溶带，其岩体结构较差，抗拉强度较低，因此分析中采用块体中的水平拉应力值作为衡量块体崩塌变形趋势的参量。图4为在地下开采作用下模型中记录点的水平拉应力变化。
从图4可以明显的看出，随着地下开采量的逐渐增加，崩塌块体中的水平拉应力值亦不断增大。开采导致的拉应力在崩塌块体中广泛存在，在坡体后侧应力值整体较大，且愈靠近坡顶愈大，向下逐渐降低;而在坡前侧拉应力值则整体较小，且愈靠近坡顶愈小，甚至变为压应力。这说明在地下开采作用下，抗拉强度较小的西侧岩溶带在拉应力作用下最先出现拉裂破坏，这与现场西侧壁附近裂缝较发育是相吻合的。同时，坡体“积木块”状的岩体结构也为崩塌发生提供了有利条件。
图4 地下开采作用下记录点水平拉应力变化
1．2 后缘滑动体移动变形分析
建立了后缘滑动坡体的纵剖面(南北向)简化模型，见图5。为单独分析后缘坡体在失去前缘块体支撑后的滑移变形机制，对后缘滑动体进行了较大的简化，模型中没有考虑前缘的阻滑块体。山体中大规模的地下采空区，在模型中同样采用分步开挖的方式进行模拟，共10个开挖步，每步开挖长度为5 m。
图5 纵剖面模型网格
为便于后缘滑移坡体位移场的分析，同样在模型块体中设置了若干记录点，见图6。
如图7所示为在地下开采作用下滑动面附近数据记录点1～5的水平和垂直方向位移变化曲线。可以看出，随地下开采面积的增加，滑动面的水平位移和垂直位移都不断增加;且滑动面愈靠近地下采空区的部分，其水平位移愈小，而垂直位移愈大。这说明滑动面随地下开采的推进有向滑动方向倾倒的趋势，滑动面角度不断增大，从而增加了坡体的下滑力，降低了其抗滑力，增强了坡体的滑动变形趋势，最终导致后缘坡体滑动失稳，如图8所示。
图6 纵剖面模型中数据记录点布置图
图7 地下开采作用下滑动面附近点位移变化
图8为滑移体中点6，7，8的水平和垂直位移变化曲线。由曲线可知，地下开采导致坡体发生滑动失稳，且变形量随开采量增加而不断增加;同时，三个点数据基本相同，说明坡体发生的是整体性的滑动失稳，这与现场后缘坡体发生整体性失稳破坏是相吻合的。同时，第8步(40 m)开采完成后，坡体开始出现了明显的水平和垂直滑动变形，表明发生了整体性的滑移失稳。
2 结语
根据武隆鸡尾山滑坡前期的研究工作，并且结合现场的实际调查，采用二维离散元方法来分别建立前缘崩塌体和后缘滑动体的简化二维数值分析模型，从地下开采作用诱发坡体内应力场和位移场变化的角度分析了地下采矿活动对坡体移动变形分析的影响。
图8 地下开采作用下坡体内点位移变化
在地下开采作用下，前缘块体部分有向采空区变形的趋势，造成其对西侧山体的牵拉作用，拉应力值在靠近西侧壁部位达到最大值，而西侧壁附近为岩体结构性质较差的岩溶带，从而导致其拉裂破坏发生崩塌，从而降低了对后缘滑移体的支撑作用。同时，地下开采作用导致的坡体不均匀沉降造成后缘滑移坡体滑动面角度变大，降低了坡体抗滑力，增加了其下滑力，随着后缘坡体滑移启动，最终导致整体性的崩滑——碎屑流。因此，认为地下采矿是鸡尾山滑坡灾害发生的主要原因。
［1］王思敬，黄鼎成．中国工程地质世纪成就［M］．北京：地质出版社，2004：7-12．
［2］姚宝魁，孙玉科．宜昌盐池河磷矿山崩及其崩塌破坏机制［C］．北京：科学出版社，1988：89-98．
［3］金德山．云南元阳老金山滑坡［J］．中国地质灾害与防治学报，1998，9(4)：98-101．
［4］许 强，黄润秋，殷跃平，等．2009年6·5重庆武隆鸡尾山崩滑灾害基本特征与成因机理初步研究［J］．工程地质学报，2009，17(4)：433-444．
［5］殷跃平．斜倾厚层山体滑坡视向滑动机制研究——以重庆武隆鸡尾山滑坡为例［J］．岩石力学与工程学报，2010，29 (2)：217-226．
［6］殷跃平，刘传正，陈红旗，等．2013年1月11日云南镇雄赵家沟特大滑坡灾害研究［J］．工程地质学报，2013，21(1)：6-15．
［7］刘传正．重庆武隆鸡尾山危岩体形成与崩塌成因机制［J］．工程地质学报，2010，18(3)：297-304．
Analysis of slope movement and deformation induced by underground mining
WANG Rui-qing1ZHANG Chun-lei2
(1．CCCC Highway Consultants Co．，Ltd，Beijing 100088，China;
2．China Petroleum Engineering Design Limited Company，Beijing 100085，China)
Based on the geological analysis，two-dimensional Discrete Element Method(UDEC2D)was used to analyse the failure progress of Jiweishan Landslide in Wulong in Chongqing．Two simplified two-dimensional numerical models was built to simulate the rock blocks in front of the landslide that had collapsed and the masses at back of the landslide that had slided，respectively．The failure mechanism of rock blocks collapsing and rock masses sliding were investigated under the conditions of undermining．The influence of stress field in the collapsed rock blocks and displacement field in the slided rock masses caused by underground mining were analysed．
geohazard，landslide，underground mining，movement and deformation analysis
TU413．62
A
10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.006
1009-6825(2013)10-0091-03
2013-01-09
王瑞青(1985-)，女，助理工程师; 张春磊(1984-)，男，助理工程师
