山西山林礦區(qū)滑坡體形成機(jī)制及采礦治理研究

山西山林礦區(qū)滑坡體形成機(jī)制及采礦治理研究

1滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)采空坍塌通常發(fā)生在礦區(qū)。然而，如果同時(shí)具有其他合適的地形、地質(zhì)條件和降水條件，則可能會(huì)形成斜坡。例如，礦區(qū)內(nèi)山脈的陡峭傾斜角和斜面下的平坦角形成了滑動(dòng)的平面滑動(dòng)層。隨著采礦活動(dòng)的加劇,礦區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害愈演愈烈。1987年11月1日,羅山礦區(qū)邊坡(現(xiàn)滑坡體I)發(fā)生山體滑動(dòng),滑坡體體積約4×104m3,滑坡后緣形成高約30m的陡坎,舌部向前滑移約30m,推毀房屋數(shù)間,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)700萬元,企業(yè)停產(chǎn)近1a。2001年后,又連續(xù)發(fā)生3次以上小型滑坡,形成塌陷坑14個(gè),體積14393m3,地裂縫22條,長度2160m。如果不能對(duì)滑坡體的演變特征進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警,同時(shí)采取有效的防治措施治理滑坡,可能會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡,并且嚴(yán)重影響著下方多金屬礦產(chǎn)資源的安全可持續(xù)開采。針對(duì)礦山開采誘發(fā)滑坡的廣泛性、邊坡巖體復(fù)雜性等實(shí)際情況,目前,許多文獻(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。如:Z.Leonardo等研制出超前預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)滑坡體內(nèi)的震動(dòng)噪音、孔隙水壓力、地表位移、降雨量等參數(shù),并自動(dòng)激發(fā)警報(bào)程序發(fā)出滑坡災(zāi)害預(yù)警。B.A.Reevea等利用In-SAR技術(shù),對(duì)露天礦巖石邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)目的是為了對(duì)經(jīng)常發(fā)生崩塌災(zāi)害的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),以此來判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。R.Ohbayashi等提出應(yīng)用感知節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)滑坡體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),該系統(tǒng)具有自我恢復(fù)、自動(dòng)控制和高效數(shù)據(jù)傳輸功能,避免自然災(zāi)害對(duì)傳感裝置的破壞。許利凱等基于遙測(cè)技術(shù)和GSM通訊網(wǎng)絡(luò)研發(fā)出“滑坡體無人值守監(jiān)測(cè)設(shè)備(KLA–1)”,該系統(tǒng)是測(cè)量滑坡體地表相對(duì)位移的監(jiān)測(cè)儀器。唐然等對(duì)時(shí)域反射法的工作原理及在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用作了一定的理論和試驗(yàn)研究。G.Puglisi等基于GPS和衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù),研發(fā)出“地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,該系統(tǒng)具有連續(xù)測(cè)量地表變形及無線傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。在滑坡實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中,上述方法為滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警提供了許多新思路和新技術(shù),取得了眾多研究成果。然而,位移和傾斜是產(chǎn)生滑坡的必要而非充分條件,即滑坡體產(chǎn)生位移或裂縫不一定會(huì)發(fā)生滑坡災(zāi)害,下滑力才是滑坡發(fā)生的充要條件,只有下滑力超過巖體抗滑力,邊坡才會(huì)發(fā)生破壞。因此,單純的位移監(jiān)測(cè)具有一定的時(shí)間滯后性和現(xiàn)象不確定性,很難實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的超前預(yù)警預(yù)報(bào)。本文針對(duì)羅山滑坡體的基本特征和形成機(jī)制,提出利用“采礦治理滑坡”的新理念,并探討了基于滑動(dòng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)滑坡體演變特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從而指導(dǎo)礦山開采,及時(shí)調(diào)整采礦順序,促進(jìn)采礦活動(dòng)和滑坡體穩(wěn)定和諧發(fā)展。2滑動(dòng)梯子總結(jié)2.1海域面積和海拔高度羅山礦區(qū)滑坡體地處河南省靈寶市陽平鎮(zhèn)桑園村,位于大湖河?xùn)|岸(見圖1),海拔680~980m。隨著礦山開采規(guī)模的日益擴(kuò)大,現(xiàn)已形成了滑坡體I,II,III,IV(見圖2),總面積約17.96×104m2,滑坡體地表坡度為20°~40°。2.2第四系黃土及殘坡積地下水滑坡區(qū)出露的地層為太古界太華群鋁家峪組及第四系。(1)鋁家峪組總體產(chǎn)狀與區(qū)域上一致,走向近EW,傾向NNW~NNE,傾角20°~50°,巖石呈層狀或似層狀產(chǎn)出,巖性組合主要為中深變質(zhì)巖的混合巖、混合片麻巖、黑云斜長片麻巖等。(2)第四系黃土及殘坡積主要分布于羅山礦區(qū)北部及溝谷中,覆蓋了礦區(qū)總面積的70%左右,根據(jù)鉆探工程揭露由南向北,黃土由薄變厚,最大厚度可達(dá)246m?；聟^(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造具有多期性活動(dòng)特征,受區(qū)域大地構(gòu)造影響,可以分為近EW向、NW~NWW向、NE向和近SN向4組。近EW向的斷裂較發(fā)育,為礦區(qū)主要斷裂,其中F5,F1,S35為礦區(qū)主要儲(chǔ)礦構(gòu)造,控制了近90%以上工業(yè)礦體。2.3城市聚乙烯納米巖石滑坡區(qū)主要含水層為第四系礫石層和構(gòu)造帶,其次為混合花崗巖偉晶巖、碎裂石英脈,其他巖石可視為相對(duì)隔水層,大氣降雨補(bǔ)給后,松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散堆積物孔隙中,具有較強(qiáng)富水性?；聟^(qū)原始靜水位為688.19~654.39m標(biāo)高,經(jīng)過礦坑排水,地下水位已經(jīng)降至610m左右,地下水充水水源主要為構(gòu)造帶補(bǔ)給。2.4滑坡體iii羅山礦區(qū)滑坡體呈東西展布,其中滑坡體I,II,III位于山脊主裂縫西側(cè),大塘溝北側(cè),主滑方向300°,屬于巖土混合滑坡?；麦wIV位于山脊主裂縫東側(cè),主滑方向46°,屬于土質(zhì)滑坡?；w、滑坡體特征統(tǒng)計(jì)表如表1所示。3羅馬法上滑坡體物理力學(xué)機(jī)制滑坡機(jī)制是一定地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下,邊坡在各種因素作用下從穩(wěn)態(tài)到失穩(wěn),再到新的穩(wěn)態(tài)整個(gè)過程動(dòng)態(tài)變化的物理力學(xué)本質(zhì)和規(guī)律。由于羅山滑坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、作用因素和滑坡歷史復(fù)雜,不可能用一種機(jī)制來解釋。通過對(duì)羅山滑坡體特征、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采空區(qū)時(shí)空分布特征、礦山開采現(xiàn)狀等因素的研究,確定出羅山礦區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生機(jī)制。3.1為基巖防護(hù)地質(zhì)及變形提供了依據(jù)羅山滑坡體前緣和中后部大部分出露第四系粉質(zhì)黏土,中部為基巖,巖性為碎裂混合花崗巖及高嶺土化糜棱巖,在礦山開采、風(fēng)化作用和構(gòu)造活動(dòng)的聯(lián)合作用下,巖體碎裂、構(gòu)造發(fā)育,巖體強(qiáng)度較低,為滑坡災(zāi)害的發(fā)生提供了基本物質(zhì)條件。3.2滑坡災(zāi)害發(fā)生原因羅山滑坡體原為一穩(wěn)定的巖質(zhì)邊坡,受開采技術(shù)、成本和礦體空間分布特征的影響,礦區(qū)采取“坡腳下方首先開采”的技術(shù)方案(見圖3),使邊坡內(nèi)應(yīng)力重新分布。隨著礦產(chǎn)資源開采規(guī)模的日益擴(kuò)大,羅山滑坡體下方采空區(qū)面積逐漸增加,頂板巖體拉應(yīng)力增大,裂隙發(fā)育,采場頂板由于被割裂而垮落。同時(shí),引起上覆巖層變形、移動(dòng),在地表形成多條地裂縫和塌陷坑,局部地區(qū)發(fā)生沉陷,促使邊坡坡度變陡,勢(shì)能變高,產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。應(yīng)用SPSS13.0軟件,對(duì)羅山礦區(qū)2005~2008年間154個(gè)采礦量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地表垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,二者呈顯著線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)R=0.968,反映出礦山開采直接導(dǎo)致了滑坡體表面位移變化(見圖4)。3.3坡面邊界裂縫下的雨水中風(fēng)壓羅山滑坡體頂部和底部裂縫發(fā)育,根據(jù)現(xiàn)場勘察,主要有4種類型:垂直裂縫、斜交裂縫、水平裂縫、羽狀裂縫。其中,在滑坡體頂部山脊處,有一條貫穿整個(gè)山脊的南北向張拉裂縫,寬度為55~500mm,這些裂縫為大氣降水的入滲提供了良好的條件。雨季,特別是高強(qiáng)度集中降雨,雨水從坡體和邊界裂縫下滲,在滑動(dòng)面上聚積,軟化滑動(dòng)面土體,增大孔隙水壓力,降低滑動(dòng)面土體抗剪強(qiáng)度,減小了抗滑力,同時(shí)增大滑體重量和下滑力。降雨和裂縫起到催化劑的作用,降低滑坡體自身穩(wěn)定性,在一定條件下誘發(fā)了邊坡的失穩(wěn)。4滑動(dòng)試驗(yàn)和質(zhì)量控制4.1礦山開采的地質(zhì)意義礦山開采和滑坡是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體,具有統(tǒng)一性與斗爭性、絕對(duì)與相對(duì)、有條件與無條件的特性。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為采礦必然引起滑坡,滑坡與采礦有著內(nèi)在的因果聯(lián)系。然而,實(shí)踐證明在某種條件下,正確的礦山開采也能夠治理滑坡。隨著礦產(chǎn)資源開采規(guī)模的日益擴(kuò)大,2001年后,羅山礦區(qū)又發(fā)生多次小型山體滑坡。筆者對(duì)這些滑坡進(jìn)行了多次災(zāi)后追蹤考察,掌握了大量第一手資料。通過分析滑坡特征、采空區(qū)分布、礦山開采方案等資料,提出利用采礦治理滑坡的新思路,并且及時(shí)調(diào)整了礦山開采方案,要求“首先開采山頂下方的礦體”,使采空區(qū)頂板脆性巖層的應(yīng)變能逐漸積累、釋放,山頂處發(fā)生沉陷,滑坡體坡度變緩,勢(shì)能降低,山坡趨于穩(wěn)定,而后再開采中部和坡腳下的礦體(見圖5)。礦山開采勢(shì)必要改變其周圍原巖應(yīng)力場分布,破壞滑動(dòng)面上下滑力和抗滑力之間的平衡狀態(tài)。為了能夠及時(shí)捕捉滑動(dòng)面上下滑力在礦山開采等作用力下的演變特征,動(dòng)態(tài)調(diào)整礦山開采方案,使礦山開采向著有利于邊坡穩(wěn)定的方向發(fā)展,本研究采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研發(fā)的滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(SPRM–01)對(duì)羅山礦區(qū)滑坡體進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)。4.2不可測(cè)的下滑力監(jiān)測(cè)SPRM–01型滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以下滑力大于抗滑力是滑坡產(chǎn)生的充要條件作為滑坡體滑動(dòng)的主要判據(jù),提出滑動(dòng)面上抗滑力和下滑力之間的平衡關(guān)系是滑坡體內(nèi)各種因素包括巖性、構(gòu)造、位移、巖層傾斜、地下水水位變化以及降雨共同作用的結(jié)果,決定了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。因此下滑力監(jiān)測(cè)最能反映滑坡體運(yùn)動(dòng)特征和演變規(guī)律。但是,滑坡體內(nèi)部的下滑力作為“天然力學(xué)系統(tǒng)”是不可測(cè)的,而人為力學(xué)系統(tǒng)是可以測(cè)量的,因此將可測(cè)的人為力學(xué)系統(tǒng)插入到不可測(cè)的天然力學(xué)系統(tǒng)中,組成一個(gè)新的部分力學(xué)量可測(cè)的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng),利用可測(cè)的人為力學(xué)量,通過公式計(jì)算出不可測(cè)的下滑力,從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的超前、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)(見圖6)。不可測(cè)的下滑力可表示為其中,式中:P為擾動(dòng)力(攝動(dòng)力)(kN);1k,k2均為常數(shù),由巖性、幾何和水這三大影響系數(shù)控制;為邊坡滑動(dòng)體各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值(°);c為滑動(dòng)面各土層黏聚力(kPa);l為滑動(dòng)面長度(m);α為滑動(dòng)面與水平面的夾角(°);θ為監(jiān)測(cè)錨索入射角(°);U為單寬滑動(dòng)面承受的孔隙水壓力(kPa);V為后緣單寬拉裂面承受的總孔隙水壓力(kPa)。U,V的大小視坡體結(jié)構(gòu)和地下水流綱具體情況而定。4.3測(cè)試系統(tǒng)組成SPRM–01型滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成:力學(xué)傳感裝置(現(xiàn)場安裝)、力學(xué)信號(hào)采集傳輸設(shè)備(現(xiàn)場安裝)和信號(hào)接收分析終端(室內(nèi)安裝)。(1)力學(xué)傳感裝置由監(jiān)測(cè)錨索和應(yīng)力傳感器組成。其中,應(yīng)力傳感器安裝在監(jiān)測(cè)錨索外端部,完成攝動(dòng)力感應(yīng)任務(wù)。(2)力學(xué)信號(hào)采集發(fā)射裝置,是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。設(shè)備內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、電源管理模塊和SIM卡槽,設(shè)備外接電池組和天線等硬件。(3)信號(hào)接收分析終端,由信號(hào)接收器、信號(hào)處理器硬件及接收分析軟件組成。接收分析軟件用于同信號(hào)接收設(shè)備進(jìn)行通信,將接收設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行分類匯總和計(jì)算處理,便于授權(quán)用戶查詢和檢索,并且利用圖表繪制軟件實(shí)時(shí)繪制“下滑力–時(shí)間”監(jiān)測(cè)曲線。4.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工結(jié)果驗(yàn)證潛在滑動(dòng)面的確定主要是通過對(duì)面波地震勘探資料和工程地質(zhì)詳勘資料的深入研究得出,并且利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆孔施工過程中得到的實(shí)際鉆孔編錄資料對(duì)詳勘資料進(jìn)行驗(yàn)證。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)部分詳勘資料與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆孔記錄存在差異,在這種情況下,以實(shí)際鉆孔記錄資料為準(zhǔn),來確定潛在滑動(dòng)面的埋深和分布特征。4.5滑坡體監(jiān)測(cè)線點(diǎn)設(shè)置在確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案時(shí),充分考慮滑坡體地形地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、裂縫空間分布、采空區(qū)時(shí)空分布特征、監(jiān)測(cè)精度、施工可操作性等因素,根據(jù)“體上布線,線上設(shè)點(diǎn)”的原則,按照一定的密度在4個(gè)滑坡體上共設(shè)置11條監(jiān)測(cè)線,53個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。例如滑坡體III面積較大,縱向長320m,橫向?qū)?60m,滑坡后緣至前緣裂縫發(fā)育,廢棄坑道分布密集,在監(jiān)測(cè)線(點(diǎn))選取時(shí)橫向設(shè)置3條監(jiān)測(cè)線,每個(gè)監(jiān)測(cè)線上布設(shè)5~6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖7),按照從坡腳到坡頂?shù)捻樞驅(qū)ΡO(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分類匯總與管理。另外,考慮到羅山滑坡體上已有27個(gè)位移監(jiān)測(cè)樁(見圖7),為了驗(yàn)證位移監(jiān)測(cè)的時(shí)間滯后性,在每個(gè)位移監(jiān)測(cè)樁附近安裝一個(gè)或多個(gè)下滑力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。4.6滑坡體應(yīng)力下降明顯羅山礦區(qū)滑坡體53套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)于2008年5月3日~2008年8月1日全部安裝并調(diào)試完畢,開始對(duì)滑坡體進(jìn)行24h智能監(jiān)測(cè)。近10個(gè)月來,累計(jì)采集了10萬條珍貴監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為羅山礦區(qū)滑坡體演變特征分析及預(yù)警預(yù)報(bào)提供了重要依據(jù)。通過對(duì)53條“下滑力–時(shí)間”監(jiān)測(cè)曲線和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):(1)近10個(gè)月,86%的監(jiān)測(cè)曲線呈水平直線或近似于水平直線,滑坡體保持穩(wěn)定狀態(tài)(見圖8(a))。(2)14%的監(jiān)測(cè)曲線呈緩慢上漲/下降趨勢(shì),應(yīng)力上漲/下降幅度平緩,最大極差約238kN,滑坡體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)(見圖8(b))。宏觀分析,羅山礦區(qū)4個(gè)滑坡體整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),滑坡體抗滑力暫時(shí)可以維持坡體平衡。應(yīng)力上漲部位主要集中在滑坡體頂部,沿山脊主裂縫呈帶狀分布,如監(jiān)測(cè)點(diǎn)No.3–11,No.2–15,No.1–7等均出現(xiàn)滑動(dòng)力上漲趨勢(shì)(見圖8(b))。這表明調(diào)整開采順序后,采取“首先開采山頂下方礦體”的采礦方案使山頂處發(fā)生沉陷趨勢(shì),有利于坡度變緩,勢(shì)能降低,山坡趨于穩(wěn)定。5滑坡體充填采礦對(duì)采礦方向的影響(1)通過對(duì)羅山礦區(qū)滑坡體特征、采空區(qū)時(shí)空分布特征和礦山開采方案的綜合分析可知,滑坡體松散、脆弱的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和不合理的采礦順序是滑