位于辽宁省阜新市的排山楼金矿于1997年建成投产,开采初期主要以露天开采方式为主,2004年末露天矿闭坑后逐渐转为井工开采方式。

随着回采工作面的下降,由于顶板围岩滞后冒落,形成了规模较大的不连续采空区,其中+225 m水平之上形成的采空区的总面积达45 470 m²,已形成大面积露天采坑和井下不连续的采空区,且井工开采仍在进行之中,煤矿采空区范围仍然在不断扩大。

边坡的稳定性分析采用强度折减法即对边坡岩体的抗剪参数进行折减,当达到边坡的极限平衡状态时,折减系数即为边坡的安全系数(柴红保等,2010),其计算公式为

c'=c/(F_trial).(1)

φ'=arctan((tanφ)/(F_trial)).(2)

式中:F_trial为边坡的安全系数(F_trial>1表示边坡处于稳定状态,F_trial=1表示边坡处于稳定临界状态,F_trial<1表示边坡处于失稳状态); c为边坡岩土未经折减状态时的粘聚力(单位:MPa); c'为边坡岩体折减至极限平衡状态时的粘聚力(单位:MPa); φ为边坡未经折减状态时的内摩擦角(单位:°); φ'为边坡岩体折减至极限平衡状态时的摩擦角(单位:°)。

本文基于有限元分析软件FLAC3D建立露天矿边坡的整体三维有限元分析模型,模型的平面尺寸为500 m×300 m,岩层倾向方向取150 m,采深为80 ～200 m,2个采空区长度分别为20 m和70 m,所建立的露天矿边坡的有限元几何分析计算模型如图1所示; 假设露天矿边坡岩体为满足Mohr-Column屈服准则的弹塑性模型,则该岩体物理力学参数如表1所示。

图1 露天矿边坡的几何模型
Fig.1 Geometric model of slope of open-pit mine

表1 岩层物理力学参数
Tab.1 The physical and mechanical parameters of the stratum

基于强度折减法的基本理论,将露天矿边坡岩体的抗剪参数进行折减后,此时达到岩体的极限平衡状态,此时露天矿边坡没有进行开采时其边坡安全系数F_trial为1.21,由此可以判断露天矿边坡的安全储备理想,此时边坡处于稳定状态。当对露天矿边坡中的煤层进行开采后,所形成的两个采空区内部可以视为松散层,对其进行抗剪参数折减,所得到的边坡安全系数F_trial为1.12,由此可以判断煤层开采后所形成的采空区比较稳定,边坡不会产生失稳破坏现象。

为了保证在分析地震和煤矿采动耦合作用下的边坡稳定性时的数值结果的可靠性,在露天矿边坡的煤层开采完成后,将其几何模型的边界条件改为自由边界条件,以避免地震波折射振荡对边坡的重复破坏(魏晓刚,2011)。边坡的阻尼系数为局部阻尼,阻尼系数为0.15。为了保证数值分析计算结果的可靠性和良好的对比性,所选取的地震波输入为集集地震波。图2为集集地震波的加速度时程曲线。

图2 集集地震波
Fig.2 Chi-Chi earthquake wave

为了探讨煤矿采空损害影响下露天矿边坡及采空区失稳破坏的原因,对地震与煤矿采动作用下露天矿边坡及采空区的应力场分析进行了重点分析,在对露天矿边坡及采空区的地震动力响应进行有限元数值计算完成后,重点研究了露天矿边坡及采空区X、Y、Z三个方向的应力云图的切片如图3所示。

分析图3可知:在地震荷载和煤矿采动的耦合作用下露天矿边坡及采空区水平方向上(X向和Y向)出现了拉应力(由于露天矿边坡岩石已经风化,其抗拉强度较低,在拉应力作用下会岩石出现局部拉裂,由此导致采空区出整体失稳现象),在竖直方向上(Z向)出现了压应力(露天矿边坡右侧采空区顶板和底板在压应力的作用下,可能顶板冒落、底板鼓起的破坏现象,导致巷道破坏现象严重,采空区会出现整体垮塌现象),并且地震作用下露天矿边坡及采空区的应力集中现象明显,此时露天矿边坡及采空区的稳定性极差,极易发生边坡失稳和采空区坍塌的地震动力破坏现象。

图3 露天矿边坡及采空区X(a)、Y(b)、Z(c)三个方向的应力场分布云图
Fig.3 Stress distribution nephogram of the slope and goaf of open-pit mine in X(a)、Y(b)、Z(c)direction

在分析露天矿边坡及采空区X、Y、Z三个方向的地震动力应力场分布的基础上,需要对其所产生的地震动力位移响应进行分析,以此来保证分析结果的可靠性,所得到的露天矿边坡及采空区的地震动力位移响应如图4所示。

通过图4可知:在煤矿采动与地震荷载的耦合作用下露天矿边坡及采空区在水平方向上出现了分别向左、向右的位移响应,在边坡的坡顶出现了 0.1 m的向右侧位移响应,在露天矿边坡内部的右侧采空区则出现了0.124 m向左侧的位移响应。边坡的表面位移响应与内部采空区的位移响应的不一致导致露天矿的岩体发生相对运动的动力响应,岩层容易被拉断而出现裂缝,一旦内外部的裂隙贯通则露天矿边坡及采空区会出现崩塌的现象。

分析图4可知:采空区巷道的顶板处的地震动力位移响应的峰值位移为0.5 m,此时顶板极易产生冒落垮塌现象,由于位移响应过大采空区的沉陷变形会波及地表,导致边坡产生崩塌的整体失稳破坏现象; 而采空区巷道的底板的峰值位移响应为 0.2 m,说明此时巷道底板的底鼓现象严重,出现底鼓的原因是煤层开采后岩石内力发生应力重分布,产生卸荷现象所产生的,当地震发生时,巷道的顶板坍塌和底板鼓起现象加剧说明了煤矿采动损害影响下的露天矿边坡及采空区巷道的地震动力稳定性极差,需要采取相应的抗震加固措施。

图4 露天矿边坡及采空区水平方向(a)及下沉(b)位移变化
Fig.4 Horizontal direction(a)and subsidence(b)displacement of the slope and goaf of open-pit mine

岩层的塑性区分布形态反映了在不同的外力扰动荷载作用下岩层的地质强度指标以及破坏程度(李祥龙等,2014),在分析地震与煤矿采动作用下露天矿边坡及采空区的应力场与位移场分布的基础上,为了更为直观的分析露天矿边坡及采空区的地震动力破坏特征,需要对其塑性区分布形态进行分析研究,地震与煤矿采动作用下露天矿边坡及采空区的塑性区分布如图5所示。

图5 露天矿边坡及采空区塑性区分布
Fig.5 Plastic zone distribution of the slope and goaf of open-pit mine

综合分析地震与煤矿采动作用下露天矿边坡及采空区的的应力场、位移场和塑性区分布可以发现,煤矿采动损害影响下的露天矿边坡及采空区的地震动力破坏主要以以下两种形式的破坏为主。

(1)采空区顶板大面积冒落和底板底鼓现象:应力集中现象、峰值位移响应和塑性区分布均集中出现在露天矿边坡内部的采空区顶板和底板处,由此可以判断采空区的顶板冒落和底板底鼓现象极易发生,如果扰动荷载的强度过大,两个采空区之间的煤柱会发生冲击剪切破坏,产生压碎失稳现象,此时采空区的冒落现象会迅速贯通至地表,导致采空区及边坡出现突然塌陷现象。

(2)露天矿边坡出现崩塌跨落现象:从图5可以看出,采空区上方的大量岩体均处于塑性区范畴,在拉伸破坏和剪切破坏的共同作用下,边坡坡体已经失稳,但并未出现滑移面,这说明在地震和采动耦合作用下,边坡失稳形式主要是以岩体破碎后沿边坡向下滚动,形成大面积的崩塌,分析其机理主要是由于采空区成为了岩体中的弱面,导致边坡在地震作用下上方岩体破碎崩塌。