铁矿采空和视滑力共同驱动下的鸡尾山崩塌灾害分析

铁矿采空和视滑力共同驱动下的鸡尾山崩塌灾害分析

1重大事件引发地质问题2009年6月5日下午3点左右，重庆武隆县职业女矿工鸡尾山发生了巨大的滑坡坍塌，埋了12栋房屋，距山脚400米，10人死亡，64人失踪（包括27名矿山矿山）。8人受影响的大型自然灾害也是一场重大的滑移坍塌地质事件。事件发生后的紧急应对和分析论证过程中,有关专家做了细致的调查研究工作,山崩的地表地质环境条件是基本清楚的。鉴于重庆武隆“6.5”鸡尾山山体崩塌灾害事件重大,政府、社会和新闻舆论非常关心这次事件的引发原因或成因机理,科学解答这个问题就成为工程地质界无法回避的社会责任。因此,作者基于现有的事实材料,提出鸡尾山危岩体的形成与发生崩塌的动力来源,对“6.5”鸡尾山崩塌灾害进行成因分析研判,以求强化对政府应急管理决策的快速技术支撑,回应社会舆论的关注,增强防灾减灾应用服务的针对性和直接性。2鸡尾山崩变期u鸡尾山山体变形已具有较长的历史。1960年代发现张开裂缝,1998年危岩裂缝最大宽度达2m,2001年以来多次发生小规模崩塌,新增裂缝最长500m,并有多处纵向裂缝。2005年7月18日,鸡尾山发生山体崩塌1.1×104m3。2009年6月2日滑源区前缘发生局部崩塌,6月4日同一位置再次发生崩塌,并向中下部岩体转移,崩塌范围扩大。6月5日下午15时许,长约720m、宽约140m、厚约60m,总体积约480×104m3的危岩体沿下伏软弱层产生快速滑动破坏,在跃下前缘约70m高的陡坎后迅速解体撒开,沿途发生高速冲击、刨蚀和铲刮作用,碎屑流堆积长度达2.2km。整个过程历时约1分钟。根据许强等发表的技术报告和专家组报告,可以提炼出鸡尾山崩塌危岩体的基本地质事实。崩塌体发生于单斜构造二叠纪地层中,岩层产状345°∠21°。山体陡崖临空面走向为南北,倾向东。岩体内主要发育两组陡倾破裂面,一组为近南北向,另一组为近东西向。崩塌体西侧壁主要追踪近南北向破裂面发育,向北到“楔形区”段后,边界产状转为N35°E/SE∠70°(专家组报告为N21°E/SE∠70°)。崩塌体的底滑面为炭质和沥青质页岩软弱夹层,厚约30cm。山体蠕动滑移的底界面(滑床)显示出磨光现象,触摸之可使手变黑,可见一组清晰的滑动擦痕(图1)。石灰岩体除经受岩层面、两组陡倾破裂面切割外,长期强烈的降雨渗流和岩溶作用沿陡倾破裂面形成了溶蚀裂缝、岩溶管道和落水洞等,山体的完整性进一步遭到破坏。长期断续的鸡尾山铁矿开采始于1924年,开采层位二叠系梁山组(P1l)中的铁矿层厚度约1.2m,采空区顶板与危岩体底界面的垂直距离约150m(图2)。1960年代至此次崩塌灾害发生前的采矿活动主要位于滑源区北东侧下方。2004年以后的开采恰位于滑源区前缘之下,采空区面积累计超过5×104m2。3原因分析3.1采空区至坡壁(1)山体结构上南北向和东西向破裂面的存在容易使山体向临空方向拉开,形成孤立危岩体。西侧为拉开断裂边界,北侧为挤压剪切边界。在危岩体形成过程中,西部边界为追踪近南北向原生裂隙拉裂,逐渐成为自由边界。北部“楔形区”西边界是迁就近东西向和南北向裂隙与岩溶化脆弱带形成的,滑后显示的“黄泥巴壁”是岩溶孔隙、岩溶管道或洞穴内黄泥沉淀、浸染现象,说明软层阻隔面以上大气降雨产生地表水向下排泄强烈,岩溶作用活跃。(2)层间软弱带——炭质和沥青质页岩软弱夹层孕育形成危岩体蠕动变形、逐渐剪切滑出的底界面,同时构成各种切割、溶蚀作用孕育的“岩柱集合体”的底界。铁矿采空区至山顶的所有软弱夹层都有可能形成强度弱化蠕变滑移的“关键界面”,至于哪一层成为“木桶的短板”,既取决于它的强度是否最低,也取决于其上岩体的结构和应力作用状态。(3)向东临空的陡崖走向近南北,是沿南北向裂隙逐渐崩塌后退的产物。对于岩层倾向345°、走向N75°E的裂隙化层状岩体,360°/0°～75°之间的75°倾向范围是指向山体外的,这是山体开裂,特别是产生顺层滑移的基本空间几何条件,是持续降雨、岩溶、采矿乃至地震能够引发或加剧开裂滑动作用的地质基础。否则,山体的基本破坏模式将是倾倒式崩塌,而非顺层的滑移式崩塌。(4)岩溶、大气降雨逐渐弱化损伤岩体的完整性和坚固性,使原生构造裂隙缓慢扩大。岩溶作用主要发生在二叠系茅口组(P1m),也即发生崩塌的主体岩层内(图1)。在北部“楔形区”西侧,岩溶作用使原生裂隙扩展,沿裂隙形成串珠状落水洞、岩溶管道和溶蚀槽,类似“邮票边界”的排孔。这种裂隙化、岩溶化岩体具备“架空结构”特征,形成岩体强度脆弱带,其抗剪性显著降低,就像“邮票的边界”容易被剪断或撕裂。采矿主巷道方向(245°)平行于岩层外倾方向。长期断续的采矿作用及大面积采空区的存在改变了上部山体的应力状态,造成山顶拉应力集中,山体开裂变形逐渐增大,追踪近南北向裂隙逐渐拉开成为西侧的自由边界。单纯的岩溶、大气降雨作用一般是时间缓慢的、规模小型的。采矿作用产生的“悬板张拉效应”则是相对剧烈、快速和具有“激发性”的。(5)山体高陡临空是产生崩塌的重要地形条件,具备自由空间才能使高位势能转化为动能并形成强烈冲击作用。3.2滑动破坏模式层状山体的变形破坏或发生显著位移一般都是沿一个明显的软弱界面或带进行的,最大下滑作用力一般沿着界面(带)的真倾角方向,即沿真倾向发生破坏作用。由于不同区域地质作用的复杂性、地质地貌环境的特殊性和人为改造作用的不同,完全意义上顺岩层真倾向滑动破坏的变形型式极少,而或多或少地发生偏离,在视倾向方向发生破坏滑动。滑动作用力自然不是最大的下滑力,而是最大下滑力在视倾向方向上的分量,作者称之为“视滑力”,并基于刚体极限平衡原理提出了“视滑力”分析计算方法,可简单地定量研究这类破坏模式。真倾向对应真倾角,是唯一的,最大下滑力及其作用方向也是唯一的。视倾向是在180°范围内变化的,对应的视滑力作用方向也在180°范围内变化。因此,在层状岩体结构的顺向或斜向斜坡滑移式崩塌破坏研究中,视滑力作用的提出具有普遍意义。3.2.1滑面总视滑力理论上,沿真倾向方向的下滑力最大,其线密度为ρ0,而视倾向上的视滑力线密度ρ=ρ0cosθ,是个变量(图3)。对于完整半空间,下滑力而F=Wsinα故,真倾向上的单位宽下滑力,即线密度显然,走向上的下滑力为零。对于非完整半空间,某扇形区域A上的总视滑力即式中,α为岩层真倾角(°);θ为真倾向与视倾向在滑面投影夹角(°);β、γ为某扇形区域的视倾角范围(°);W为危岩体重量(t)。3.2.2“三角形区”东北部的滑动—鸡尾山危岩体滑移的视滑力考虑到确定块体的均一性,可以把鸡尾山危岩体作为一个整体考虑。当滑动软层确定,危岩体的重量、底滑面的产状和各界面的岩石力学参数确定时,则视滑力的变化主要取决于岩层视倾向与真倾向之间的夹角θ,危岩体沿某视倾向范围的“视滑力”是关于θ的数学积分。使用公式(2)可以恢复鸡尾山崩塌前危岩体受到的作用力系。根据危岩体的空间几何特征和各个作用力的方向,可以做出鸡尾山危岩体立体几何和平面力系作用矢量图解(图4,图5)。(1)沿视倾向向外的“视滑力”是沿真倾向的下滑力关于θ在15°～90°之间的积分,计算出作用方向为N24°E,是指向山体外的。F视外=Wsinα(1-sin15°)/2(2)沿视倾向向内的“视滑力”是沿真倾向的下滑力关于θ在-90°～15°之间的积分,计算出作用方向为N37°W,是指向山体内的。F视内=Wsinα(1+sin15°)/2(3)危岩体底界软层的抗滑力:F底抗=Wcosαtanϕ1+A1C1(4)北部“楔形区”西侧边界的抗滑力:r为石灰岩平均容重(t·m-3);V为危岩体的体积(m3);θ为岩层视倾向与真倾向之间的夹角(°);C1为危岩体底界面的内聚力(t·m-2);ϕ1为危岩体底界面的内摩擦角(°);C2为“楔形区”西边界的内聚力(t·m-2);ϕ2为“楔形区”西边界的内摩擦角(°);A1为危岩体底界面(滑床)面积(m2);A2为“楔形区”西边界(滑壁)面积(m2)。根据危岩体的边界条件,F视外是滑动的主要力源。F视内的作用取决于脆弱带/面存在的状态与方位,既有推挤抗剪作用(F侧抗),又有一定剪切滑移作用(F侧滑)。F底抗的作用是被动的,它随着滑动作用的增大而增大,直至达到所在软弱夹层的峰值抗剪强度ϕ1、C1值。降雨渗流软化与持续外滑作用逐渐降低底界面的抗滑力,使ϕ1、C1成为残余值。F侧抗与F侧滑作用的北部“楔形区”西侧边界不是一个简单的界面,而是一个裂隙化、岩溶化脆弱带或称“邮票边界”,其力学指标ϕ2、C2是一个综合值,不是简单的岩块试验能够确定的。山体平衡就体现为F视外、F侧滑与F底抗、F侧抗之间的力学平衡变化关系。由于四者的方向不一致,甚至随着危岩体的发展产生变化,力矩作用也在变化,从而使危岩体显示滑动兼有转动的特征。考虑到只是为了说明问题,而不是防治工程设计,为了简化计算,这里把力学的“矢量平衡”近似地按“标量平衡”处理。由于危岩体已经发生崩塌,取刚体力学极限平衡状态,令:F底抗+F侧抗=F视外+F侧滑(3)F底抗+F侧抗=F视外+F侧滑(3)把F底抗、F侧抗与F视外、F侧滑的值代入(3)式,并取:α=21°;r=2.7t/m3;V=4.80×106m3;A1=8.15×104m2;A2=1.63×104m2;f1=tanϕ1;f2=tanϕ2,得到:考虑到危岩体历经数十年的蠕动变形并已崩塌,参照已有经验,底界炭质页岩软弱夹层取残余强度:ϕ1=7°,f1=0.1228,C1=4t·m-2,(4)式可写成:考虑到北部“楔形区”西侧边界岩体被严重裂隙化、岩溶化“架空”,连结性差,A2断面是很不完整的,导致ϕ2、C2值大为折减。若取C2=1t·m-2,则:f2=0.2865,ϕ2=16°底界面的ϕ1、C1明显低于一般软弱夹层的抗剪强度指标。北部“楔形区”西边界的ϕ2则只有一般石灰岩体垂直层理抗剪强度指标的三分之一,而C2的值更低。说明前者是“木桶的短板”,后者是“邮票的边界”。同时计算出,底界面的抗滑力F底抗=181.1813×104t,“楔形区”西边界抗剪力F侧抗=81.2928×104t,前者远大于后者,虽然前者的力学参数选取的很低。实际上,ϕ1可能更高一些,ϕ2可能更低一些,也是可以接受的。当然,当底界面倾角(α)增大时,ϕ1、C1会相应提高,但力学作用性质不变。3.3视滑力作用当危岩体西侧、南侧拉开之后,抗滑作用主要源于底界面和北部“楔形区”西侧边界,二者共同构成控制整体稳定的“关键界面”。显而易见,危岩体底界软层是主要的抗滑力量。随着底界面抗滑作用逐渐减小,自然选择北部“楔形区”西侧最脆弱、结构最不完整地段产生类似于快速撕裂“邮票边界”的效应。应该清楚认识的是,危岩体北部“楔形区”西边界的抗剪(断)力是在向内的视滑力(F视内)的推动下产生的,是作为危岩体整体的组成部分起作用的,并非作为一个单独的“关键块体”起阻挡作用。崩塌的危岩体是一个“大长板”。崩塌危岩体的底界是滑床或基座,是软弱带,是完整的控制性的,它的失效是危岩体发生崩塌的关键。北部“楔形区”西边界是滑壁,初始时是脆弱带,是推挤压碎带,发生“邮票边界”的撕裂后逐渐转化为剪断摩阻边界,其阻挡作用是辅助性的。概略计算得出,前者面积是后者“完整”面积的5倍;前者抗滑力是后者的2倍以上,且后者尚不足以抵抗F视内在该界面的滑动力分量(F侧滑=90.3355×104t);前者向外的视滑力(F视外=172.1387×104t)也是后者边界滑动力的约2倍。因此,后者不足以成为阻挡整体滑移的“关键块体”。鸡尾山危岩体崩塌的成因机理是,东部陡崖为自由边界,层状岩体南部和西侧沿裂隙追踪式张拉与撕裂断开后,在向外的视滑力作用下,危岩体逐渐选择克服最适宜的底部软层(“木桶的短板”)的抗滑作用,随着底部抗滑力的逐渐减小,北部“楔形区”西侧逐渐产生推挤式压扭作用,并沿裂隙化岩溶化脆弱带(“邮票的边界”)剪断形成先滑后崩,最后跃下悬崖,势能转化为动能,直冲而下,形成散体碎屑流冲击。视滑力作用是鸡尾山危岩体克服底界面摩阻力产生整体蠕滑和前缘推挤剪出(断)的主要动力来源,是大规模先滑后崩形成滑移式崩塌的内在驱动力。当然,在冲出发生时,应有部分残余应变能或变形能积累的释放,它形成危岩体剪出或跃下的初速度。鸡尾山危岩体本身的成因则是复杂的。一般在层状原生构造和岩溶作用等纯自然因素作用下,自然陡坡演化会产生断续的、缓慢的崩塌或小规模先滑后崩,且是一个长期的作用过程。陡崖带小规模错落式崩塌是其因,也是其果,而不会出现大规模滑移式崩塌,除非地震或人类外力作用足够强烈、影响范围足够大。因为,层状岩体向外的视滑力能够克服某软弱层面的抗剪阻力引起滑移,但一般不足以造成大规模的山体拉裂。危岩体的抗拉强度取决于岩石完整性、原生节理和后期岩溶化程度,岩体拉裂也一般追踪裂隙和岩溶作用造就的岩体强度脆弱带逐渐发展。因此,鸡尾山危岩体南侧和西侧拉裂边界的形成与山下长时期、大面积铁矿采空区产生的“悬板张拉效应”的关系自然是不能忽略的。4与地质构造及采空区的关系山下铁矿开采对于鸡尾山危岩体的形成与崩滑作用是一个难以回避的问题。鉴于鸡尾山铁矿地下井巷被掩埋,相关资料几乎完全缺乏,有关资料只提到5号井巷内铁轨出现变形现象。这里采用类比分析方法作一判断。关于高陡临空地形条件下深部采矿的影响是个复杂问题,它涉及上部岩体厚度、岩层组合、裂隙化岩体抗拉强度、物理/水理/力学性质、矿层产状、采矿位置、采矿深度、采矿高度、采矿工艺、顶板管理、采矿方式、采矿速度、采空面积和悬顶时间以及所处地质环境等。表1给出了相似地形条件下地下采矿空区影响高度和山体开裂深度或崩滑体高度的统计数据[6,7,8,9,10,11,12,13]。在这些事例中,有开裂到一定深度就发生崩滑或崩塌破坏灾害的(湖北远安盐池河、重庆巫溪中阳村、重庆武隆鸡冠岭和重庆武隆鸡尾山),也有形成危岩体而不断发展而被人为控制的(湖北秭归链子崖、陕西韩城坑口电厂、湖北黄石板岩山)或等待治理的(贵州盘县朝阳村)。至于危岩体的形成时间、规模大小和发展结局,既取决于岩体结构,更取决于采空作用。例如,链子崖危岩体从下至上拥有一系列软层,它们分别构成不同规模危岩体的底界面,其中,R001(煤层采空区)关系到整体(250×104m3)稳定、R202控制“五万方”、R301控制“五千方”、R401控制表层整体,R402控制“七千方”等。这些实例中的采矿空区普遍存在地表水渗入、“黄泥”沉积、顶板下沉、爆裂(岩爆)、木支撑压断或扭转、衬砌片帮或开裂和底板隆起等高地压、大变形现象。此次鸡尾山铁矿采空区对二叠纪石灰岩影响高度210m,开裂滑移剪出深度60m。因此,鸡尾山铁矿采空区也是应该存在类似的地压反应和变形现象的。一般在高陡临空地形条件和地下采空区面积足够大的情况下,采矿影响高度主要取决于上覆岩层的综合抗拉强度和岩层产状。当存在竖直的贯通性裂隙/节理或断层构造时,山体的综合抗拉强度将急剧降低,采空区的“悬板张拉效应”可直达山顶,并在山顶形成最大作用力。据统计,高陡临空地形条件下山体开裂的发生发展一般滞后于地下矿山开采时间10～20a,个别可达30a,最短不超过5a,甚至更短。这种高陡临空地形条件下采矿对山体稳定性影响的评价预测采用“三下”采煤的有关规定并不是很合适的。地下开采活动会改变上覆山体的应力场状态,从而影响其整体稳定性。综合分析发现,采矿引发山体开裂形成危岩体或崩滑地质灾害主要取决于三个因素:(1)在地形上高陡临空,地表相对高度一般大于50m,具备开裂倾倒或发生大规模滑移崩塌的自由空间。(2)一般发生在厚层状沉积岩,特别是碳酸盐岩地层中。层状岩体结构具备地质历史过程中形成的贯通性竖直节理体系乃至断层。(3)山体崖脚或地下存在着平行于岩层的矿层,一般具有小规模且持久的采矿历史,形成了一定范围的采矿空区。这些因素的综合作用体现为地下采空区在山顶造成的“悬板张拉效应”。高陡临空与大面积采空是形成“悬板”的两个根本因素。没有高陡临空,就没有变形开裂位移的空间;没有矿层采空,“厚板状”岩体就不能“悬”起来。岩体内节理或断层切割是岩体易于拉裂张开的内在因素,它与前两者共同孕育了大规模危岩体的形成。因此,高陡临空地形条件下层状岩体地下大面积矿层采空产生的“悬板张拉效应”是导致山体地表开裂倾倒乃至发展形成崩滑灾害等“链式反应”动态过程的起因。可以认为,鸡尾山大规模开裂形成危岩体是起源于其山下大面积的铁矿采空产生的“悬板张拉效应”。5结论和问题5.1山体拉裂形成大规模危岩体的原因分析综合现有事实、理论分析和类似实例比较,可以得出鸡尾山危岩体形成与崩塌成因的基本认识:(1)鸡尾山山体层状地质结构、近南北向和近东西向裂隙组合以及软弱夹层