黃土溝谷區(qū)淺埋煤層開(kāi)采斜坡變形破壞機(jī)理

劉志輝，呂義清

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

山西省西北部黃土分布廣泛，溝谷交錯(cuò)地形復(fù)雜多變，煤田分布范圍較廣，黃土溝谷區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡與采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。對(duì)于不同開(kāi)采條件下采動(dòng)斜坡的變形特征、破壞機(jī)理及穩(wěn)定性，相關(guān)學(xué)者采用數(shù)值模擬、相似材料模擬、理論分析等方法進(jìn)行了研究[1-4]。另外，針對(duì)溝谷區(qū)淺埋煤層開(kāi)采時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布與礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律[5-9]、采動(dòng)裂縫形成機(jī)理[10，11]、地表?yè)p害及防治[12]等，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作。現(xiàn)有研究一般將地表溝谷地形簡(jiǎn)化為二維平面，而溝谷區(qū)域采動(dòng)邊坡的變形破壞是涉及到井上下三維空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程[13，14]，且現(xiàn)有研究中工作面推進(jìn)方向多為近于垂直于溝谷走向[15，16]，對(duì)于工作面推進(jìn)方向近平行于溝谷走向條件下斜坡變形破壞機(jī)理研究較少。以隆安煤礦深巖溝區(qū)域8#煤層開(kāi)采工作面煤巖層地質(zhì)賦存條件為背景，采用三維數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法，研究了采動(dòng)過(guò)程中煤層上覆巖體應(yīng)力分布特征及溝谷兩側(cè)坡體的應(yīng)力及位移變化規(guī)律，為黃土溝谷區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)、采動(dòng)邊坡變形破壞預(yù)測(cè)以及地表保護(hù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況及邊坡變形特征

泰山隆安煤礦位于保德縣東南部即橋頭鎮(zhèn)北部，井田地處晉西北黃土高原，黃河中游峽谷的東岸，地表多為第四系黃沙土覆蓋，因受風(fēng)雨侵蝕，形成了支離破碎的復(fù)雜地貌，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，沖溝中可見(jiàn)零星的基巖出露。深巖溝位于礦區(qū)西南部，兩側(cè)溝坡的峰谷落差達(dá)到60～100m，坡體巖性均為Q3黃土和N2b紅土，未見(jiàn)基巖出露。溝谷下方煤層開(kāi)采方式為長(zhǎng)壁式開(kāi)采，主要開(kāi)采8#煤層，布置有8201、8202兩個(gè)工作面，工作面間巷道護(hù)巷煤柱寬40m，工作面長(zhǎng)度為180m，8201工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為450m，8202工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為550m，采高4m，采用全部垮落法管理頂板，深巖溝區(qū)域工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置平面

西北側(cè)谷坡高約50m，坡體下部較陡，上部較緩，平均坡度約40°，坡體上沿工作面推進(jìn)方向發(fā)育數(shù)條延伸方向近平行的下錯(cuò)裂縫，裂縫長(zhǎng)度15～30m，下錯(cuò)裂縫兩側(cè)最大落差可達(dá)0.5m。采空區(qū)上方坡體發(fā)生整體下沉，坡體后緣有拉張裂縫發(fā)育。坡體前緣土體被裂縫切割破碎，多處發(fā)生小規(guī)模崩塌，坡腳處有大量堆積物。東南側(cè)谷坡高約80m，平均坡度約60°，坡體兩側(cè)有兩條沖溝發(fā)育，在8202工作面推進(jìn)過(guò)程中坡體曾發(fā)生滑坡，坡體下方堆積體已被清理。目前，坡體上部發(fā)育有多條裂縫，寬度0.2～0.5m。坡體后緣有拉張裂縫發(fā)育，后緣裂縫即將貫穿至坡面處。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)深巖溝區(qū)域8#煤層開(kāi)采工作面的地質(zhì)條件和煤巖層地質(zhì)賦存條件，使用MIDAS GTS NX有限元數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型，其中X正方向?yàn)檎龞|方向，Y正方向?yàn)檎狈较?。?shù)值模型的尺寸為600m×650m×200m，8201和8202工作面長(zhǎng)度為180m，8201工作面模擬設(shè)定推進(jìn)長(zhǎng)度為450m，8202工作面模擬設(shè)定推進(jìn)長(zhǎng)度為550m，分為20次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為50m。模型四周采用橫向位移約束，底面為固定約束，模型采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。模擬開(kāi)挖時(shí)首先使未開(kāi)采時(shí)模型各個(gè)方向位移都為零，對(duì)模型進(jìn)行原巖應(yīng)力計(jì)算平衡，然后分階段對(duì)8#煤層進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采順序?yàn)?201工作面→8202工作面，沿Y軸正方向推進(jìn)。三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

模型地層共分為8層，單元網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)置為10m，模型共劃分了60113個(gè)節(jié)點(diǎn)，77252個(gè)單元，根據(jù)鉆孔取樣的室內(nèi)巖土力學(xué)測(cè)試結(jié)果、項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告頂板并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，模擬選取的各地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 上覆巖土體應(yīng)力分布規(guī)律及破壞機(jī)理

煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板巖層失去支撐，在自重和上覆巖土體荷載共同作用下煤層頂板發(fā)生彎曲變形。隨著工作面的推進(jìn)，頂板彎曲變形程度逐漸加深直至破斷冒落，上覆巖體隨之移動(dòng)變形。深巖溝區(qū)域8#煤層埋深約50～120m，屬淺埋煤層，其中上覆基巖厚度約30m，谷底Q3黃土和N2b紅土覆蓋層最薄處厚度約15m，谷峰Q3黃土和N2b紅土覆蓋層最厚處厚度可達(dá)90m。8#煤層直接頂極薄隨著煤層開(kāi)采直接發(fā)生垮落，基本頂巖性為粉砂質(zhì)泥巖，厚度約15m，占到上覆基巖總厚度的50%，為承壓關(guān)鍵層。當(dāng)煤層頂板為堅(jiān)硬較厚巖層時(shí)，頂板巖梁受力特征區(qū)別于一般長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)，巖梁初次破斷跨距較大，頂板初次斷裂位置承受相鄰巖塊的擠壓作用并在巖梁嵌固端處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中。

表1 煤層及覆巖物理力學(xué)性質(zhì)

工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖拉應(yīng)力分布特征如圖3所示。由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在工作面推進(jìn)到50m時(shí)，采空區(qū)兩端處表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中，頂板巖梁在自重和上覆荷載作用下發(fā)生彎曲。頂板巖梁在上部荷載作用下處于雙向受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為305kPa，位于頂板巖梁跨中下表面處，在頂板巖梁嵌固端處出現(xiàn)小范圍剪應(yīng)力集中。工作面推進(jìn)到100m時(shí)，頂板巖梁所受拉應(yīng)力增大，最大主拉應(yīng)力為1565kPa，超過(guò)頂板巖體的容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板巖梁跨中處下表面在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生豎向裂縫，巖梁主應(yīng)力隨之重新分布，最大拉應(yīng)力位置上移。頂板巖梁嵌固端處剪應(yīng)力也隨著煤層開(kāi)采增大，當(dāng)巖體所受的最大剪應(yīng)力超出其極限抗剪強(qiáng)度，巖梁嵌固端沿最大剪應(yīng)力方向便會(huì)發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生剪切裂隙。同時(shí)，采空區(qū)四周巖土體受采空區(qū)影響向采空區(qū)中心方向移動(dòng)，在頂板巖梁外側(cè)上部出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)到200m時(shí)，最大拉應(yīng)力為2473kPa，位置上移至頂板上部，頂板巖梁豎向裂縫貫穿整個(gè)頂板，頂板巖梁發(fā)生初次斷裂。

圖3 覆巖主應(yīng)力分布

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板巖梁發(fā)生周期性破斷，上覆巖層隨之發(fā)生彎曲變形。當(dāng)上覆巖層變形達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)生破斷并產(chǎn)生離層和垮落斷裂落差，在斷裂巖塊邊緣，N2b紅土層受到巖體的集中力。由于N2b紅土層厚度較大且抵抗變形能力較強(qiáng)，該層不會(huì)發(fā)生突變失穩(wěn)，而是以蠕變方式緩慢失穩(wěn)，發(fā)生整體的彎曲下沉。而Q3黃土因其結(jié)構(gòu)松散，抗拉變形能力和抗剪能力差，在采動(dòng)拉應(yīng)力作用下易于形成地表裂縫等，并誘發(fā)坡體發(fā)生崩塌、滑坡。

4 斜坡變形破壞機(jī)理

4.1 斜坡位移分布規(guī)律

溝谷兩側(cè)斜坡位移以豎直方向?yàn)橹?，斜坡水平方向位移均指向采空區(qū)中心，兩個(gè)工作面采完后地表位移分布如圖4所示。

圖4 工作面開(kāi)采完成后地表位移

在X方向上，西北側(cè)谷坡的頂部和東南側(cè)谷坡下部產(chǎn)生正向的水平位移，最大位移約為0.125m。西北側(cè)谷坡下部和東南側(cè)谷坡坡頂產(chǎn)生了負(fù)向的水平位移，最大位移值約為-0.155m。在Y方向上，最大位移值分布在采空區(qū)兩端，隨著工作面的推進(jìn)，最大位移值向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)。Y正方向最大位移約為0.090m，分布在采空區(qū)南端處，Y負(fù)方向最大位移約為-0.063m，分布在8202工作面北端處。在Z方向上，隨著工作面的推進(jìn)，地面沉陷范圍不斷擴(kuò)大，沉陷中心向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)，地表總位移等值線由“O”字形擴(kuò)大近似橢圓形，地表豎向最大位移值達(dá)到-0.340m左右，位于8201工作面開(kāi)采后的采空區(qū)中心處上方。

4.2 斜坡變形破壞特征

巖層的彎曲下沉向上傳遞到地表坡體中，改變了坡體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起坡體失穩(wěn)破壞。由斜坡位移分布規(guī)律可知，在X方向上深巖溝兩側(cè)坡體中上部產(chǎn)生指向溝底的水平位移，可能發(fā)生整體的滑移或崩塌，故選取Y=300m典型剖面對(duì)采動(dòng)影響下溝谷兩側(cè)斜坡變形破壞特征進(jìn)行分析，如圖5所示。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，溝谷兩側(cè)坡體根據(jù)變形特征可分為4個(gè)變形區(qū)，如圖5(b)所示，A區(qū)位于采空區(qū)正上方的覆巖處，高度約30～40m，主要變形特征為采空區(qū)上覆巖層在采空區(qū)和重力的作用下向下發(fā)生冒落崩塌。B區(qū)位于采空區(qū)中心覆巖上方的的坡體中，主要變形特征為坡體松散土體受覆巖變形的影響發(fā)生豎向的彎曲沉陷，該區(qū)域坡體位移以豎向位移為主，水平位移較小。C區(qū)位于松散土體彎曲沉陷區(qū)和地表移動(dòng)邊界之間，主要由于A，B區(qū)巖土體向下沉陷時(shí)對(duì)C區(qū)的坡體產(chǎn)生一定大小指向采空區(qū)中心的單向拉應(yīng)力，導(dǎo)致C區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，坡體向采空區(qū)傾倒，表現(xiàn)為指向采空區(qū)中心的水平位移和一定的豎向位移。D區(qū)位于地表移動(dòng)邊界之外，基本不受采動(dòng)的影響，位移值接近于0。

圖5 Y=300m剖面邊坡總位移分布

4.3 斜坡破壞機(jī)理

通過(guò)對(duì)采空區(qū)上覆巖土體的應(yīng)力分布規(guī)律及破壞機(jī)理、斜坡位移分布規(guī)律及變形破壞特征的分析，得出溝谷兩側(cè)斜坡的變形具有漸變性，斜坡的失穩(wěn)破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段。

1)中部沉陷階段：煤層開(kāi)采以后，上覆巖層發(fā)生彎曲變形，當(dāng)變形累積到一定程度時(shí)巖層發(fā)生斷裂，上覆松散土體隨之發(fā)生彎曲變形，采空區(qū)上方坡體發(fā)生不均勻下陷，采空區(qū)四周土體向采空區(qū)中心處移動(dòng)。

2)兩側(cè)及后緣拉裂階段：因地表發(fā)生不均勻沉陷，最大下陷值位于采空區(qū)中部，坡體上部土體在拉應(yīng)力作用下傾向坡外，沿采空區(qū)推進(jìn)方向采空區(qū)兩側(cè)土體向采空區(qū)中心處移動(dòng)，在斜坡兩側(cè)及后緣產(chǎn)生拉裂縫。

3)剪切變形階段：斜坡從后緣及兩側(cè)拉裂部位開(kāi)始發(fā)生整體變形，中部坡體在上部擠壓力的作用下緩慢蠕變，拉裂縫逐漸向斜坡內(nèi)部發(fā)展，降雨進(jìn)一步加快了裂縫的發(fā)育。同時(shí)，坡腳土體在采空區(qū)作用下向斜坡內(nèi)移動(dòng)，坡體前緣受到雙向的擠壓作用，產(chǎn)生剪切變形。

4)斜坡失穩(wěn)破壞階段：坡體前緣在剪切作用下發(fā)生小規(guī)模的滑動(dòng)或崩塌，當(dāng)坡頂?shù)睦瓘埩芽p與前緣的剪切裂縫逐漸貫通時(shí)，坡體將會(huì)產(chǎn)生整體滑動(dòng)。

5 結(jié) 論

1)煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板巖層失去支撐，頂板巖梁在上部荷載作用下處于雙向受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力位于頂板巖梁跨中下表面處；在頂板巖梁嵌固端處出現(xiàn)小范圍剪應(yīng)力集中；頂板斷裂后，采空區(qū)上方巖土體隨之發(fā)生彎曲沉陷，采空區(qū)四周巖土體向采空區(qū)中心方向移動(dòng)。

2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，溝谷兩側(cè)斜坡位移以豎直方向?yàn)橹?，斜坡水平方向位移均指向采空區(qū)中心；溝谷兩側(cè)坡體根據(jù)變形特征可分為4個(gè)變形區(qū)：采空區(qū)上方一定高度范圍內(nèi)的覆巖冒落塌陷區(qū)；采空區(qū)中部上方的松散土體彎曲沉陷區(qū)；松散土體彎曲沉陷區(qū)和地表移動(dòng)邊界之間的拉裂-傾倒區(qū)；地表移動(dòng)邊界之外的未影響區(qū)。

3)溝谷兩側(cè)斜坡的變形具有漸變性，采動(dòng)斜坡的失穩(wěn)變形過(guò)程簡(jiǎn)述為：采空區(qū)上覆巖層破斷后，上方坡體發(fā)生不均勻下陷；采空區(qū)四周土體發(fā)生指向采空區(qū)中心的傾倒破壞，在拉應(yīng)力作用下斜坡兩側(cè)及后緣產(chǎn)生拉裂縫；中部坡體在中部坡體在上部擠壓力的作用下緩慢蠕變，坡腳土體在采空區(qū)作用下向斜坡內(nèi)移動(dòng)，坡體前緣受到雙向的擠壓作用，產(chǎn)生剪切變形；隨著坡頂拉張裂縫與前緣剪切裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，坡體將會(huì)發(fā)生整體變形。