眼前山鐵礦露天轉地下開采邊坡破壞過程及 破壞機理研究

李云濤，付煜，任海龍，張洪昌，胡穎鵬

(1.鞍鋼集團礦業有限公司 眼前山分公司， 遼寧 鞍山市 114000； 2.遼寧石油化工大學 土木工程學院， 遼寧 撫順市 113000； 3.東北大學 土木工程學院， 遼寧 沈陽 110004)

0 引言

為實現露天轉地下的平穩過渡，許多礦山在過渡期開采掛幫礦以滿足產能需求[1-3]。在開采掛幫礦的過程中，邊坡穩定性一直是礦山開采過程中面臨的難題之一，開采引起的邊坡巖體移動或破壞將會對礦山的安全生產造成一定影響[4-6]。一直以來，國內外許多學者對該問題進行了大量而深入的研究。煤礦開采的地表沉降研究已近兩個世紀，取得了眾多的理論成果[7-11]。與煤礦相比，金屬礦開采深度一般較淺，地表沉降問題研究起步較晚，近年來，隨著監測手段的不斷更新與進步，許多先進技術已成功應用于礦山地表巖移監測中[12-15]。其中，LIDAR激光掃描技術在國外邊坡監測中已被使用，在我國已在建筑物探測[16]及地質填圖[17]工作中使用。而DInSAR監測技術近十幾年來在我國的滑坡監測[18]和礦山開采地表沉降觀測[19-23]等方面應用廣泛。

相比LIDAR激光掃描和DInSAR監測技術的高昂成本，本文采用的Google Earth立體高分辨率圖像監測技術成本低，能清晰地觀測到地表巖移 的變化。同時收集了眼前山鐵礦東邊坡4 a時間的Google衛星照片，對比不同時期的地表變化，并結合現場實際情況，研究了東側掛幫礦開采期邊坡破壞的全過程及破壞機理，為礦山露天轉地下過渡期安全生產提供了重要依據。

1 礦山概況

眼前山鐵礦于2012年9月露天開采結束，經過50多年的開采形成一個東西方向長1410 m，南北方向寬570至710 m的露天坑，封閉圈高度約為93 m，坑底標高-177 m。其中，東西南北的幫坡角分別為43°、30°、35°～38°和32°～35°，其中東側邊坡為本文研究的區域。

東區掛幫礦呈東西走向，東北傾斜70°～88°，寬度為60～200 m。礦體北側出露碳質千枚巖，巖體中含有破碎帶和風化帶，與主礦體走向平行的壁狀分枝礦體插入其中。千枚巖的西北側為閃長巖，與碳質千枚巖斷層接觸。礦體南側主要為花崗巖和混合巖?，F場調查得出，控制各類巖體穩定性的主要節理有三組，分別為40°∠75°、220°∠20°和300°∠80°。露天開采結束后，東坡下的掛幫礦采用無底柱分段崩落法劃分為5個分段進行開采，分段高度為18 m。首次開采分段布置在-69 m，向下依次布置-87 m，-105 m，-123 m和-141 m分段。開采范圍內的礦體長度100～220 m，寬度110～130 m， 開采方向自東向西。掛幫礦開采于2013年開始，到2017年12月，已經開采至-141 m分段。

無底柱分段崩落法連續開采將導致空區逐漸變大，地表發生沉降，邊幫最終可能出現大規模的滑坡。為此，在開采過程中對邊坡的地貌變化進行了長時間的監測。

2 東邊坡地貌變化的調查與分析

采用現場調查和衛星圖片解譯相結合的方法，根據典型現場地貌破壞特征，跟蹤記錄了2013—2017年4 a內東邊坡的地貌變化情況，共進行了5次調查，調查分析的步驟如下：

（1）通過對比地表變形前后的照片，在衛星照片上確認地表變形跡線并進行繪制；

（2）基于地表現場調查，在三維虛擬現實技術的幫助下，將照片上標識的地表變形跡線進行復核和分類（陡坡，反傾陡坡和張拉裂縫）；

（3）根據該時期地表變形和地下開采的情況，繪制工程地貌圖，在平面圖上繪制地表破壞跡線和破壞種類，以及同時期的地下開采范圍。

2.1 2013年11月調查結果分析

2013年11月初，東邊坡下-69 m水平已經開 采完畢。地下開采形成了一個東西長136 m，南北長115 m，高度18 m的采空區，圖1（c）展示了與衛星照片相同視角下的開采區域位置和尺寸。

可以看出，東端幫地表未見塌陷，僅出現一條近南北走向約50 m長的裂縫（圖1（b）中標注的黃色線），與采空區水平投影的西邊界重合，且邊坡有零散滾石。

圖1 2013年11月東邊坡地貌現狀

綜合監測數據及現場調查情況，繪制出2013年11月8日的東邊坡地貌圖，如圖2所示。

圖2 2013年11月8日邊坡地貌

2.2 2014年3月12日調查結果分析

到2014年2月底，-69 m分段已開采完畢，-87 m分段正在開采。形成的空區東西長145 m，南北長120 m（圖3（b））。

2014年2月26日東部邊坡首次出現崩塌破壞（見圖3（d）），巖體突然向下陷落形成一個塌陷坑，破壞位置在+16 m的運輸公路上。圖3（a）清晰地展現了東邊坡首次地表塌陷后的地貌形態。塌陷坑上方巖體向坑內滑移引發了小型的滑坡，一系列拉伸裂縫出現在塌陷坑上方（見圖3（c）），其它裂隙沿優勢節理組方位呈東西方向平行發展，裂紋將原巖逐步分裂，分裂的巖石主要向塌陷坑滑落。

圖3 2014年3月東邊坡地貌現狀

綜合上述監測及現場調查，繪制出2013年3月12日的地貌圖，如圖4所示。

圖5 2015年10月東邊坡地貌現狀

圖4 2014年3月12日邊坡地貌

2.3 2015年10月12日調查結果分析

至2015年10月初，-87 m分段已開采完畢，正在進行-105 m分段開采。開采區域的東西水平投影180 m，南北130 m，空區高度54 m（見圖5（b））。

從衛星照片和現場調查結果可以看出，對比2014年3月，塌陷范圍不斷擴大，邊坡滑坡范圍明顯增大。小滑坡區域上部向東發展至+74 m，寬度約56 m，滑坡上方巖體出現環繞的張拉破壞。

小滑坡區域的北邊界為分支礦脈地表出露形成的陡坡，該陡坡東西走向，存在一些拉伸裂縫，長度為9～20 m，較均勻地分布在后方千枚巖邊坡上，裂縫的產狀和結構面的產狀十分接近。由此判 定，裂縫的形成是由于采礦擾動結構面發展而成的。相比北側的千枚巖，滑坡南側巖體為混合巖，巖性較好，節理裂隙不發育，完整性較好，僅在+36 m平臺處發現一條長度約18 m的拉伸裂縫。

綜合上述監測及現場調查，繪制了2015年10 月12日的地貌圖，如圖6所示。

圖6 2015年10月12日邊坡地貌

2.4 2016年10月17日調查結果分析

到2016年10月17日，-105 m和-123 m兩個分段處于開采狀態，從衛星圖片可以看出，開采區域正上方的滑坡范圍相比上一時期擴大較小，但東 幫邊坡地貌形態卻發生了很大的變化（見圖7（a））。經過1 a的開采，滑坡上部的裂縫持續發育，原有的裂縫逐步貫通，新的裂縫不斷產生。被切割分離的巖體滾入塌陷坑，滑坡上部裂隙延伸至+120 m水平，長度達到約90 m左右。小滑坡區域北側陡坡下方的千枚巖被裂隙切割后向塌陷坑方向傾倒，原有的小裂隙擴展錯動，地表出現陡坡（見圖7（c））。同時，北側更遠的原生千枚巖中產生新的張拉裂隙。此外，千枚巖蠕變較為明顯，相比一年前，東北側邊坡發生了新的大規?；缕茐?，由之前的開裂和滑移破壞發展成弧形陡坡（見圖7（d））。

圖7 2016年10月東邊坡地貌現狀

新滑坡的西部邊界長度為170 m左右，東北-西南走向，與之前調查的北側千枚巖和閃長巖之間的斷層位置基本重合，因此，判斷為地下開采引起 的斷層錯動形成的滑坡?；聳|側邊界存在一些未貫通的裂隙（見圖7（e）、圖7（f）），長度在8～20 m，向南與小滑坡上部相連，走向與千枚巖優勢節理組產狀相似（150°∠87°），因此，判斷這些裂隙是由千枚巖節理擴張產生的。

綜合上述監測及現場調查，繪制了2016年10月17日的地貌圖（見圖8）。

圖8 2016年10月17日邊坡地貌

2.5 2017年12月27日調查結果分析

至2017年12月27日，-123 m分段已開采完畢，正在進行-141 m分段開采，開采區域的水平投影南北長132 m，東西長220 m（見圖9（b））。

從圖9（a）可以看出，露天坑東北側的新滑坡范圍變大。大滑坡上部仍在露天坑東北角+150 m處。相比上次監測，大滑坡東部邊界的不連續裂縫已發育貫通（見圖9（e）），與小滑坡的南部相貫通。大滑坡上部出現開裂（見圖9（d））和滑移，西側和東側出現明顯的剪切滑移破壞（見圖9（e））。這些特征表明北側千枚巖體中存在一組控制巖體移動的節理。大滑坡的滑移體開始向西南方向下滑，未進入塌陷坑時，在滑坡之間巖體的擠壓作用下，小滑坡北側的千枚巖傾倒破壞加劇，大量裂縫形成反傾斜坡（見圖9（f））。

圖9 2017年12月東邊坡地貌現狀

綜合上述監測及現場調查，繪制了2017年12月27日的地貌圖（見圖10）。

圖10 2017年12月27日邊坡地貌

3 邊坡破壞機理研究

為研究眼前山鐵礦東邊坡的破壞機理，依據地貌破壞調查結果，將東邊坡的破壞情況分為4個區 域：塌陷區、開裂區、傾倒區和滑移區。

（1）塌陷區。采空區上方頂板圍巖失去支撐，在垂直和水平方向應力的共同作用下而垮落，最終冒落至地表，形成塌陷坑，兩側坑壁為塌陷坑邊界。

（2）開裂區。在塌陷區外圍一定的范圍內，地表出現拉伸破壞，形成一條條裂縫，該區域為開裂區。裂縫一般沿優勢節理發展，開裂區的裂縫受拉張開，但未出現較為明顯的垂直錯動。

（3）傾倒區。在開裂區域外指向地表方向的一定范圍內為傾倒區。該區域中分布著許多拉伸裂縫，并發育形成反傾斜裂紋，隨著掛幫礦開采的進行，開裂區中的拉伸裂縫逐漸加寬，沿優勢節理面持續發展后相互貫通，將巖體切割成離散層理狀，向塌陷區彎曲傾倒。傾倒區的裂縫相比于之前開裂區的裂縫，不僅開裂寬度增大，而且垂直方向出現錯動，演變成反傾斜裂縫。

（4）滑移區。區域內部地表無明顯的開裂、陡坡、反傾等現象。在區域邊緣有明顯的開裂，形成陡坡，隨著礦體開采的進行，空區面積不斷擴大，最后出現大規模的巖體滑移。

根據上述不同時期的地貌圖，繪制了眼前山鐵礦東坡地表破壞范圍及破壞區域（見圖11）。圖中紅色實線為塌陷區，黃色實線為開裂區，粉色為傾倒區，青色的為滑移區，黑色虛線為-69 m水平， 紫色虛線為-87 m水平，粉紅色虛線為-105 m水平，綠色虛線為-123 m水平，藍色虛線為-141 m水平。

圖11 東邊坡破壞區域演變過程

地下開采初期，開采區域周圍的巖體破壞均勻分布。2015年監測發現，東邊坡北側千枚巖的破壞范圍開始大于南側混合巖。2017年底最后一次的監測結果表明，東邊坡北側千枚巖地表破壞的邊界距離采空區東西軸線的最遠距離為320 m，南側混合巖破壞邊界距離采空區東西軸線的最遠距離為90 m，北側千枚巖的破壞范圍遠遠大于南側的混合巖。此外，東邊坡北側千枚巖的破壞形式也比南側更為復雜多樣。按照圖11中的Ⅰ和II兩個剖面，統計了5個時期的邊坡塌陷角和錯動角的變化，分別見圖12和圖13。

圖12 不同時期塌陷角的變化過程

圖13 不同時期錯動角的變化過程

從圖12和圖13可以看出，東邊坡南側和東側的混合花崗巖破壞特征近似傳統的地表塌陷破壞形式，塌陷坑形成后，塌陷邊緣逐漸出現拉伸破壞，形成裂縫，之后隨著開采范圍的擴大和延深，陷落范圍和錯動范圍也逐漸增大，塌陷角和錯動角不斷增大。與混合花崗巖的變化規律不同，北側千枚巖邊坡塌陷角由100°（2014年3月）變化至73°（2016年2月）后不再變化，到2107年底仍穩定在73°，與此同時相應的錯動角卻不斷減小。

根據4 a的監測調查結果以及東邊坡的破壞范圍和形式的變化，分析得出東邊坡的破壞演變分為如下幾個過程。

（1）地下開采引起采空區頂板坍塌，繼而地表塌陷形成塌陷坑。

（2）塌陷坑外逐漸出現裂縫，巖體被裂縫切割后滑向塌陷坑，出現小規?；?。

（3）千枚巖（軟巖）中夾雜著其它硬巖，阻礙了塌陷范圍向北的擴展。但持續大規模開采導致應力重新分布，坡腳處應力集中，巖體中主要節理開始發育形成拉伸裂縫。隨著地下開采范圍的不斷擴大，拉伸裂縫尺寸逐漸增大，被裂縫切割的千枚巖逐漸向塌陷坑方向傾倒，并且隨著開采的進行傾倒范圍不斷擴大。同時，節理不斷發育，形成新的裂縫，逐漸向東北方向蔓延，最終在距塌陷坑較遠的地表處出現剪切滑移。

（4）持續的地下大規模開采，空區的范圍不斷擴大，為節理裂隙的發育提供了足夠的空間，在原巖應力的作用下，之前距離塌陷坑較遠的小規模剪切滑移發展成整體的大規?；?，形成二次 滑坡。

4 結論

（1）監測結果表明，眼前山鐵礦東邊坡北側的千枚巖破壞范圍遠大于南側的混合巖。破壞形式主要有開裂破壞、陡坡破壞和反傾陡坡破壞。開裂破壞主要出現在邊坡北側的千枚巖中，是拉張作用下節理發育形成的；陡坡破壞是由于地表塌陷引起的；反傾陡坡主要出現在北側千枚巖中，節理的擴展將巖體分割為離散的層狀巖體，巖體反向彎曲傾倒，形成反傾陡坡。

（2）眼前山鐵礦東邊坡破壞分為3個階段：采空區頂板失穩地表塌陷破壞；塌陷坑周圍的小規?；缕茐?；北側千枚巖大規?；缕茐?。

（3）根據邊坡的破壞形式，將邊坡破壞范圍分為4個區域：塌陷區、開裂區、傾倒區和滑移區。統計塌陷角和錯動角得出，小規?；孪虼笠幠；掳l展的過程中，初期北側千枚巖中的分支礦脈起到阻擋作用，塌陷坑形成后，盡管分支礦脈阻礙了北側千枚巖向南側的大規?；?，但隨著地下開采的持續進行，地表千枚巖體呈現出的破壞形式為：裂縫-反傾陡坡-新裂縫。

（4）根據邊坡破壞過程監測分析得出，前期出現的小滑坡主要是地表塌陷引起的，后期的大滑坡是地下開采引起應力變化，導致巖體中的節理不斷擴展，裂縫變大，而采礦形成的空區為巖體的移動提供了足夠的空間，最終發生大規?；?。