山西山林礦區(qū)滑坡體形成機制及采礦治理研究

山西山林礦區(qū)滑坡體形成機制及采礦治理研究

1滑坡災害監(jiān)測與預警技術采空坍塌通常發(fā)生在礦區(qū)。然而，如果同時具有其他合適的地形、地質條件和降水條件，則可能會形成斜坡。例如，礦區(qū)內山脈的陡峭傾斜角和斜面下的平坦角形成了滑動的平面滑動層。隨著采礦活動的加劇,礦區(qū)滑坡地質災害愈演愈烈。1987年11月1日,羅山礦區(qū)邊坡(現滑坡體I)發(fā)生山體滑動,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,推毀房屋數間,直接經濟損失達700萬元,企業(yè)停產近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,體積14393m3,地裂縫22條,長度2160m。如果不能對滑坡體的演變特征進行準確的預警,同時采取有效的防治措施治理滑坡,可能會造成巨大的財產損失和人員傷亡,并且嚴重影響著下方多金屬礦產資源的安全可持續(xù)開采。針對礦山開采誘發(fā)滑坡的廣泛性、邊坡巖體復雜性等實際情況,目前,許多文獻對滑坡災害的監(jiān)測及預警預報技術進行了研究和探討。如:Z.Leonardo等研制出超前預警監(jiān)測系統(tǒng),能夠自動監(jiān)測滑坡體內的震動噪音、孔隙水壓力、地表位移、降雨量等參數,并自動激發(fā)警報程序發(fā)出滑坡災害預警。B.A.Reevea等利用In-SAR技術,對露天礦巖石邊坡進行監(jiān)測,監(jiān)測目的是為了對經常發(fā)生崩塌災害的邊坡進行穩(wěn)定性評價,以此來判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。R.Ohbayashi等提出應用感知節(jié)點網絡系統(tǒng)對滑坡體變形進行監(jiān)測,該系統(tǒng)具有自我恢復、自動控制和高效數據傳輸功能,避免自然災害對傳感裝置的破壞。許利凱等基于遙測技術和GSM通訊網絡研發(fā)出“滑坡體無人值守監(jiān)測設備(KLA–1)”,該系統(tǒng)是測量滑坡體地表相對位移的監(jiān)測儀器。唐然等對時域反射法的工作原理及在滑坡監(jiān)測中的應用作了一定的理論和試驗研究。G.Puglisi等基于GPS和衛(wèi)星大地測量技術,研發(fā)出“地表變形監(jiān)測系統(tǒng)”,該系統(tǒng)具有連續(xù)測量地表變形及無線傳輸監(jiān)測數據的功能。在滑坡實際監(jiān)測過程中,上述方法為滑坡災害監(jiān)測、預警提供了許多新思路和新技術,取得了眾多研究成果。然而,位移和傾斜是產生滑坡的必要而非充分條件,即滑坡體產生位移或裂縫不一定會發(fā)生滑坡災害,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,邊坡才會發(fā)生破壞。因此,單純的位移監(jiān)測具有一定的時間滯后性和現象不確定性,很難實現滑坡災害的超前預警預報。本文針對羅山滑坡體的基本特征和形成機制,提出利用“采礦治理滑坡”的新理念,并探討了基于滑動力遠程監(jiān)測技術對滑坡體演變特征進行實時監(jiān)測,從而指導礦山開采,及時調整采礦順序,促進采礦活動和滑坡體穩(wěn)定和諧發(fā)展。2滑動梯子總結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,位于大湖河東岸(見圖1),海拔680~980m。隨著礦山開采規(guī)模的日益擴大,現已形成了滑坡體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出,巖性組合主要為中深變質巖的混合巖、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,根據鉆探工程揭露由南向北,黃土由薄變厚,最大厚度可達246m?；聟^(qū)內斷裂構造具有多期性活動特征,受區(qū)域大地構造影響,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)主要儲礦構造,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隔水層,大氣降雨補給后,松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散堆積物孔隙中,具有較強富水性?；聟^(qū)原始靜水位為688.19~654.39m標高,經過礦坑排水,地下水位已經降至610m左右,地下水充水水源主要為構造帶補給。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,大塘溝北側,主滑方向300°,屬于巖土混合滑坡?；麦wIV位于山脊主裂縫東側,主滑方向46°,屬于土質滑坡?；w、滑坡體特征統(tǒng)計表如表1所示。3羅馬法上滑坡體物理力學機制滑坡機制是一定地質結構條件下,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)整個過程動態(tài)變化的物理力學本質和規(guī)律。由于羅山滑坡體地質結構、作用因素和滑坡歷史復雜,不可能用一種機制來解釋。通過對羅山滑坡體特征、水文地質結構、采空區(qū)時空分布特征、礦山開采現狀等因素的研究,確定出羅山礦區(qū)滑坡災害發(fā)生機制。3.1為基巖防護地質及變形提供了依據羅山滑坡體前緣和中后部大部分出露第四系粉質黏土,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、風化作用和構造活動的聯合作用下,巖體碎裂、構造發(fā)育,巖體強度較低,為滑坡災害的發(fā)生提供了基本物質條件。3.2滑坡災害發(fā)生原因羅山滑坡體原為一穩(wěn)定的巖質邊坡,受開采技術、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”的技術方案(見圖3),使邊坡內應力重新分布。隨著礦產資源開采規(guī)模的日益擴大,羅山滑坡體下方采空區(qū)面積逐漸增加,頂板巖體拉應力增大,裂隙發(fā)育,采場頂板由于被割裂而垮落。同時,引起上覆巖層變形、移動,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,勢能變高,產生滑坡災害。應用SPSS13.0軟件,對羅山礦區(qū)2005~2008年間154個采礦量統(tǒng)計數據、地表垂直位移監(jiān)測數據進行回歸分析,二者呈顯著線性相關,相關系數R=0.968,反映出礦山開采直接導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壓羅山滑坡體頂部和底部裂縫發(fā)育,根據現場勘察,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,特別是高強度集中降雨,雨水從坡體和邊界裂縫下滲,在滑動面上聚積,軟化滑動面土體,增大孔隙水壓力,降低滑動面土體抗剪強度,減小了抗滑力,同時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滑動試驗和質量控制4.1礦山開采的地質意義礦山開采和滑坡是一個矛盾的統(tǒng)一體,具有統(tǒng)一性與斗爭性、絕對與相對、有條件與無條件的特性。傳統(tǒng)觀念認為采礦必然引起滑坡,滑坡與采礦有著內在的因果聯系。然而,實踐證明在某種條件下,正確的礦山開采也能夠治理滑坡。隨著礦產資源開采規(guī)模的日益擴大,2001年后,羅山礦區(qū)又發(fā)生多次小型山體滑坡。筆者對這些滑坡進行了多次災后追蹤考察,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,并且及時調整了礦山開采方案,要求“首先開采山頂下方的礦體”,使采空區(qū)頂板脆性巖層的應變能逐漸積累、釋放,山頂處發(fā)生沉陷,滑坡體坡度變緩,勢能降低,山坡趨于穩(wěn)定,而后再開采中部和坡腳下的礦體(見圖5)。礦山開采勢必要改變其周圍原巖應力場分布,破壞滑動面上下滑力和抗滑力之間的平衡狀態(tài)。為了能夠及時捕捉滑動面上下滑力在礦山開采等作用力下的演變特征,動態(tài)調整礦山開采方案,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(北京)研發(fā)的滑坡遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)(SPRM–01)對羅山礦區(qū)滑坡體進行實時遠程智能監(jiān)測。4.2不可測的下滑力監(jiān)測SPRM–01型滑坡遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)以下滑力大于抗滑力是滑坡產生的充要條件作為滑坡體滑動的主要判據,提出滑動面上抗滑力和下滑力之間的平衡關系是滑坡體內各種因素包括巖性、構造、位移、巖層傾斜、地下水水位變化以及降雨共同作用的結果,決定了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。因此下滑力監(jiān)測最能反映滑坡體運動特征和演變規(guī)律。但是,滑坡體內部的下滑力作為“天然力學系統(tǒng)”是不可測的,而人為力學系統(tǒng)是可以測量的,因此將可測的人為力學系統(tǒng)插入到不可測的天然力學系統(tǒng)中,組成一個新的部分力學量可測的復雜力學系統(tǒng),利用可測的人為力學量,通過公式計算出不可測的下滑力,從本質上實現滑坡災害的超前、準確預報(見圖6)。不可測的下滑力可表示為其中,式中:P為擾動力(攝動力)(kN);1k,k2均為常數,由巖性、幾何和水這三大影響系數控制;為邊坡滑動體各土層內摩擦角加權平均值(°);c為滑動面各土層黏聚力(kPa);l為滑動面長度(m);α為滑動面與水平面的夾角(°);θ為監(jiān)測錨索入射角(°);U為單寬滑動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的大小視坡體結構和地下水流綱具體情況而定。4.3測試系統(tǒng)組成SPRM–01型滑坡遠程監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成:力學傳感裝置(現場安裝)、力學信號采集傳輸設備(現場安裝)和信號接收分析終端(室內安裝)。(1)力學傳感裝置由監(jiān)測錨索和應力傳感器組成。其中,應力傳感器安裝在監(jiān)測錨索外端部,完成攝動力感應任務。(2)力學信號采集發(fā)射裝置,是整個系統(tǒng)的核心部分。設備內嵌數據采集模塊、數據儲存模塊、數據發(fā)射模塊、電源管理模塊和SIM卡槽,設備外接電池組和天線等硬件。(3)信號接收分析終端,由信號接收器、信號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接收設備進行通信,將接收設備傳來的數據存入數據庫,進行分類匯總和計算處理,便于授權用戶查詢和檢索,并且利用圖表繪制軟件實時繪制“下滑力–時間”監(jiān)測曲線。4.4監(jiān)測點施工結果驗證潛在滑動面的確定主要是通過對面波地震勘探資料和工程地質詳勘資料的深入研究得出,并且利用監(jiān)測點鉆孔施工過程中得到的實際鉆孔編錄資料對詳勘資料進行驗證。通過驗證發(fā)現部分詳勘資料與實際監(jiān)測點鉆孔記錄存在差異,在這種情況下,以實際鉆孔記錄資料為準,來確定潛在滑動面的埋深和分布特征。4.5滑坡體監(jiān)測線點設置在確定監(jiān)測點布置方案時,充分考慮滑坡體地形地貌、巖性、地質構造、裂縫空間分布、采空區(qū)時空分布特征、監(jiān)測精度、施工可操作性等因素,根據“體上布線,線上設點”的原則,按照一定的密度在4個滑坡體上共設置11條監(jiān)測線,53個監(jiān)測點。例如滑坡體III面積較大,縱向長320m,橫向寬260m,滑坡后緣至前緣裂縫發(fā)育,廢棄坑道分布密集,在監(jiān)測線(點)選取時橫向設置3條監(jiān)測線,每個監(jiān)測線上布設5~6個監(jiān)測點(見圖7),按照從坡腳到坡頂的順序對監(jiān)測點進行編號,便于監(jiān)測數據的分類匯總與管理。另外,考慮到羅山滑坡體上已有27個位移監(jiān)測樁(見圖7),為了驗證位移監(jiān)測的時間滯后性,在每個位移監(jiān)測樁附近安裝一個或多個下滑力監(jiān)測點。4.6滑坡體應力下降明顯羅山礦區(qū)滑坡體53套遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)于2008年5月3日~2008年8月1日全部安裝并調試完畢,開始對滑坡體進行24h智能監(jiān)測。近10個月來,累計采集了10萬條珍貴監(jiān)測數據,為羅山礦區(qū)滑坡體演變特征分析及預警預報提供了重要依據。通過對53條“下滑力–時間”監(jiān)測曲線和監(jiān)測數據的統(tǒng)計分析發(fā)現:(1)近10個月,86%的監(jiān)測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)測曲線呈緩慢上漲/下降趨勢,應力上漲/下降幅度平緩,最大極差約238kN,滑坡體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)(見圖8(b))。宏觀分析,羅山礦區(qū)4個滑坡體整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài),滑坡體抗滑力暫時可以維持坡體平衡。應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)測點No.3–11,No.2–15,No.1–7等均出現滑動力上漲趨勢(見圖8(b))。這表明調整開采順序后,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,有利于坡度變緩,勢能降低,山坡趨于穩(wěn)定。5滑坡體充填采礦對采礦方向的影響(1)通過對羅山礦區(qū)滑坡體特征、采空區(qū)時空分布特征和礦山開采方案的綜合分析可知,滑坡體松散、脆弱的地質結構和不合理的采礦順序是滑