高陡山體下煤層重復(fù)采動誘發(fā)巖質(zhì)斜坡變形破壞過程分析

田延哲

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

礦山開采引起的山體滑塌是目前采動損害中的主要災(zāi)害之一，山體下采礦誘發(fā)斜坡變形失穩(wěn)案例日益增多[1-2]，重慶雞尾山滑坡[3-4]、開陽磷礦崩滑[5]、馬桑灣滑坡[6]等均為此類采動斜坡失穩(wěn)的典型實(shí)例。此類滑坡最重要的誘發(fā)因素為地下采礦，地下開采使上覆巖體出現(xiàn)彎曲變形，在地表形成多條裂縫，再加上降雨作用，使得斜坡失穩(wěn)破壞形成滑坡或崩塌，給當(dāng)?shù)厝罕娚敭a(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。

許多學(xué)者對高陡地形地質(zhì)條件下采礦與坡體失穩(wěn)的關(guān)系問題進(jìn)行深入探討。董金玉等[7]、黃平路[8]利用有限元數(shù)值模擬研究了采礦導(dǎo)致的山體崩塌機(jī)理，提出了崩塌形成力學(xué)研究理論；鄧廣哲[9]、陳智強(qiáng)等[10]等對礦區(qū)開采與地表移動變形和高邊坡崩塌災(zāi)害演化形成的機(jī)理進(jìn)行了分析，其結(jié)論對高陡山體邊坡災(zāi)害防治有一定參考價值；王超等[11]采用物理模擬手段深入分析了地下采礦引起的地表變形陷落特征和采空區(qū)圍巖的變形和破壞特征，獲得了許多數(shù)值模擬研究無法得到的頗具啟發(fā)性的全新認(rèn)識；涂鵬飛[12]通過物理模型試驗(yàn)對三峽鏈子崖危巖體的變形機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為隨著開采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖體在垂直方向和水平方向上均會張性裂縫，破壞了坡體的整體性。殷躍平[13]運(yùn)用FLAC3D研究了西南山區(qū)斜傾厚層山體視向滑動并轉(zhuǎn)化為高速遠(yuǎn)程碎屑流的新型失穩(wěn)模式，并提出以前緣阻滑的“關(guān)鍵塊體”為重點(diǎn)的防治措施；王玉川[14]通過3DEC 研究了滑坡體在地下采掘作用下的失穩(wěn)破壞過程，提出了“前緣關(guān)鍵塊體外側(cè)局部崩塌→后緣坡體整體滑動→巖溶帶剪斷突破失穩(wěn)”破壞模式。李騰飛[15]以重慶武隆雞尾山崩滑災(zāi)害為例，采用基于連續(xù)介質(zhì)的離散元方法，建立雞尾山崩滑體大型三維數(shù)值模型，再現(xiàn)滑坡體在地下采掘作用下的失穩(wěn)破壞過程，研究地下采掘?qū)ζ麦w應(yīng)力場和位移場的影響，分析崩滑體的形成機(jī)制與運(yùn)動規(guī)律。

總結(jié)學(xué)者的研究成果，大都考慮單個煤層開采條件下地表移動變形破壞特征研究的，分析方法主要是采用二維極限平衡法和赤平投影法，數(shù)值模擬法分析穩(wěn)定性目前還是在發(fā)展中。然而由于西南地區(qū)地質(zhì)條件決定其礦區(qū)大都開采多層煤，現(xiàn)有研究成果表明[16]重復(fù)采動條件對地表的變形與破壞更加嚴(yán)重?？紤]多層煤重復(fù)采動條件下巖質(zhì)斜坡變形破壞過程對西南山區(qū)煤礦的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。以貴州盤江地區(qū)發(fā)耳煤礦北翼高陡山體下煤層重復(fù)采動為研究對象，在地質(zhì)調(diào)查與測繪的基礎(chǔ)上，通過分析地層產(chǎn)狀、自然坡體坡向與裂隙產(chǎn)狀三者之間的空間關(guān)系，得出主控結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀；根據(jù)實(shí)際的采礦順序和地下采空區(qū)的空間分布，基于離散單元法，選擇典型剖面對煤層重復(fù)采動誘發(fā)山體變形破壞過程進(jìn)行了模擬，對采動誘發(fā)巖石裂紋擴(kuò)展到地表漸進(jìn)開裂過程進(jìn)行了分析，并從變形和應(yīng)力的角度對梯子崖破壞的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 地質(zhì)與采礦條件分析

發(fā)耳煤礦五盤區(qū)位于貴州高原西部，河流北側(cè)山體是典型的上硬下軟、上陡下緩的“二元山體結(jié)構(gòu)”，從某河床至五采區(qū)北邊界最大高差800 m。隨著五盤區(qū)高陡山體下煤炭資源大量開采，上覆巖體在拉、剪應(yīng)力作用下發(fā)生不連續(xù)的變形破壞，地表將發(fā)生不均勻沉降變形，產(chǎn)生大量采動裂縫。在重力、降雨及震動（礦震及地震）等外界因素影響下，一旦受損山體發(fā)生崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害，將堵塞某河床，直接威脅某河床南側(cè)的礦山設(shè)施及人民生命財產(chǎn)的安全，潛在的地質(zhì)災(zāi)害危險性大，后果嚴(yán)重。

1.1 地質(zhì)條件和采礦條件

發(fā)耳礦五盤區(qū)地層走向N55°～60°E，傾向北西，傾角8°～28°為平緩的單斜構(gòu)造。地層主要有二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P3β）、龍?zhí)督M（P3l）、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、永寧鎮(zhèn)組（T1yn）及第四系（Q4dl+el），含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M上段（P3l3）。

五盤區(qū)設(shè)計生產(chǎn)能力為90 萬t/a，服務(wù)年限約為64 年。開采煤層為二疊系龍?zhí)督M1、3、5-2、5-3、7煤，煤層厚度0.88～3.61 m，層間距5～35 m，埋深120～1 250 m，采用走向長壁采煤法，工作面長度180 m，年推進(jìn)長度1 500～2 200 m，俯斜開采，全部垮落法管理頂板。五盤區(qū)可采煤層特征表見表1。

表1 五盤區(qū)可采煤層特征表Table 1 Characteristics of minable coal seams

五盤區(qū)煤層傾角為8°左右，為近水平煤層，劃分2 個水平（+780 m 和+650 m 水平），即五上采區(qū)及五下采區(qū)。五上采區(qū)與五下采區(qū)留設(shè)20 m 保護(hù)煤柱，由保護(hù)煤柱向兩邊回采。以保護(hù)煤柱為界，五上采區(qū)向上開采（深部到淺部回采方式）；五下采區(qū)開采順序由上向下開采（淺部向深部回采）。

1.2 危巖體巖體結(jié)構(gòu)特征

危巖位于五采區(qū)北側(cè)附近，受區(qū)域構(gòu)造和風(fēng)化剝蝕的影響形成危巖，危巖長420 m，危巖頂部到斜坡腳標(biāo)高1 700～1 530 m，高差170 m，危巖由三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組一段（T1yn1）石灰?guī)r組成。巖層傾向310°，傾角11°。危巖帶發(fā)育2 組裂隙：Ⅰ組裂隙1傾向273°、傾角85°，裂隙2 傾向93°、傾角75°，延伸長度12.50 m，寬度0.25 m，裂面較平直，裂隙間距1.50 m，充填黏土及石塊等；Ⅱ組裂隙1 傾向250°、傾角70°，裂隙2 傾向160°、傾角78°，延伸長度5.20 m，寬度0.20 m；裂面較平直，裂隙間距2.50 m；充填黏土及石塊等。Ⅰ組和Ⅱ組裂隙赤平投影圖見表2 和表3?？傻贸觫蚪M裂隙1 成為外傾不利結(jié)構(gòu)面，易發(fā)生傾倒式崩塌。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查梯子巖危巖帶整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 Ⅰ組裂隙赤平投影圖Table 2 Stereographic projection of group I fractures

表3 Ⅱ組裂隙赤平投影圖Table 3 Stereographic projection of group Ⅱfractures

2 重復(fù)采動條件下坡體變形破壞過程分析

研究區(qū)北翼山體地形起伏大，地層傾向與坡面相反，采動地表裂縫會將上覆巖層切割為大小不等的塊體。這些原生的結(jié)構(gòu)面及采動結(jié)構(gòu)面對巖體在靜力和動力荷載作用下的力學(xué)行為起主導(dǎo)作用，為不連續(xù)介質(zhì)問題。因此，需采用離散單元法對此進(jìn)行模擬研究。

2.1 計算方案

1）模型建立。依據(jù)工作面布置及山體形態(tài)，建立的計算模型如圖1。

圖1 計算模型Fig. 1 Calculation Model

2）本構(gòu)關(guān)系及力學(xué)參數(shù)。塊體本構(gòu)采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。節(jié)理本構(gòu)采用接觸－庫侖滑移模型。

3）邊界條件。模型設(shè)置為二維平面應(yīng)變，底邊界設(shè)置為y 軸方向約束，沿x 軸方向自由。荷載：重力，方向?yàn)閥 軸方向。

2.2 采動誘發(fā)裂紋擴(kuò)展過程分析

1#煤采掘完后位移云圖如圖2。根據(jù)1#煤采掘完模擬結(jié)果可以看出，1#煤開采完后，灣河北側(cè)1 300 m 高程以下砂泥巖層塑性區(qū)形成，地表水平位移0～-4 m，地表縱向位移0～-2 m；1 300 m 高程以上灰?guī)r層受采煤活動影響，地表水平位移0～-4 m，地表縱向位移0～-3 m。

圖2 1#煤采掘完后位移云圖Fig. 2 Displacement nephograms after 1# coal mining

3#煤采掘完后位移云圖如圖3。根據(jù)3#煤采掘完模擬結(jié)果，灣河北側(cè)1 300 m 高程以下砂泥巖層塑性區(qū)形成，地表水平位移0～-3 m，地表縱向位移0～-3 m；1 300 m 高程以上灰?guī)r層受采煤活動影響，地表水平位移0～-5 m，地表縱向位移0～-6 m。

5-2#煤采掘完后位移云圖如圖4。根據(jù)圖4 可知，灣河北側(cè)，1 300 m 高程以下砂泥巖層塑性區(qū)形成，地表水平位移0～-4 m，地表縱向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰?guī)r層受采煤活動影響，地表水平位移0～-6 m，地表縱向位移0～-7 m。

5-3#煤采掘完后位移云圖如圖5。根據(jù)圖5 可知，灣河北側(cè)1 300 m 高程以下砂泥巖層塑性區(qū)形成，地表水平位移0～-4 m，地表縱向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰?guī)r層受采煤活動影響，地表水平位移0～-7 m，地表縱向位移0～-8 m。

圖3 3#煤采掘完后位移云圖Fig. 3 Displacement nephograms after 3# coal mining

圖4 5-2#煤采掘完后位移云圖Fig. 4 Displacement nephograms after 5-2# coal mining

7#煤采掘完后位移云圖如圖6。根據(jù)圖6 可知，灣河北側(cè)1 300 m 高程以下砂泥巖層塑性區(qū)形成，地表水平位移0～-4 m，地表縱向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰?guī)r層受采煤活動影響，地表水平位移0～-8 m，地表縱向位移0～-10 m。

3 重復(fù)采動條件下坡體變形破壞演化過程分析

圖5 5-3#煤采掘完后位移云圖Fig.5 Displacement nephograms after 5-3# coal mining

圖6 7#煤采掘完后位移云圖Fig. 6 Displacement nephograms after 7# coal mining

地下開采影響下高陡邊坡巖體變形示意圖如圖7。分析井采影響下邊坡變形破壞機(jī)理：從井采區(qū)下山方向巖移邊界線AB 至上山方向巖移邊界線EF，ui和wi之間的夾角逐漸增大，經(jīng)過走向主斷面后，在某一位置上兩矢量之間的夾角將大于90°，此時，兩矢量合成后開始相互抵消一部分，且隨著其夾角的增大，相互抵消越多，合成矢量逐漸變小。采動影響域內(nèi)巖體下沉具有如下規(guī)律：從EF 至CD 間區(qū)域，下沉值呈遞增規(guī)律，其變形結(jié)果使邊坡角減小，有利于邊坡穩(wěn)定；CD 至AB 間區(qū)域下沉值呈遞減規(guī)律，變形結(jié)果使得該區(qū)域坡角增大，不利于邊坡穩(wěn)定。在地下采區(qū)下山方向的最大拉裂縫，極易構(gòu)成滑坡體的后緣，同時沿著地下采區(qū)傾向邊界線附近的拉裂縫，構(gòu)成滑體的側(cè)邊緣，使得滑體與滑床分離，減少側(cè)阻力，特別是地下采區(qū)逐漸擴(kuò)大，煤層重復(fù)采動情況下，可能構(gòu)成滑坡內(nèi)因，導(dǎo)致滑坡。（ui為邊坡效應(yīng)引起的位移矢量，wi為由地下采動引起的位移矢量，vi為兩者疊加后的位移矢量）。

圖7 地下開采影響下高陡邊坡巖體變形示意圖Fig. 7 Rock mass deformation of high and steep slopes under the influence of underground mining

根據(jù)梯子巖的工程地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合重復(fù)開采條件下變形破壞特征，得到重復(fù)采動下坡體的變形破壞過程如下。

1）煤層開采初始變形階段。即坡體下伏煤層被開采，形成大面積采空區(qū)，由于保留的煤柱不能長期承受上覆巖體傳遞下來的自重壓力而變形，經(jīng)過一定時間的發(fā)展最終被壓碎，失去支承作用，導(dǎo)致采空區(qū)大面積發(fā)生塌陷，坡體內(nèi)部自下而上形成冒落坍陷區(qū)和裂縫區(qū)。

2）重復(fù)開采導(dǎo)致坡體沉陷開裂階段。隨著煤層的重復(fù)開采，采空區(qū)坍陷影響范圍逐漸向上發(fā)展，整個坡體產(chǎn)生不均勻沉降，巖體沿陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯動，導(dǎo)致坡表出現(xiàn)裂縫。

3）坡體整體失穩(wěn)垮塌階段。崩塌發(fā)生在中厚層狀的灰?guī)r地層，巖體堅硬，形成的坡體陡峻，平均坡度在70°以上，鄰空條件良好。煤層開采引起的坡體不均勻沉降使得巖體之間發(fā)生錯動開裂，坡表裂縫沿陡傾結(jié)構(gòu)面逐漸向下擴(kuò)展，將巖體切割呈柱狀的同時提供了崩塌的邊界條件。同時在采空區(qū)坍陷引起的坡體變形調(diào)整過程中，由于坡表無約束屬于自由邊界，坡體會向坡外發(fā)生一定的變形，加之差異風(fēng)化、降雨等因素的作用使得開裂巖體的重心出現(xiàn)外移，在自重彎矩的作用下最終發(fā)生傾倒破壞。

4 結(jié) 論

1）發(fā)耳煤礦五盤區(qū)北側(cè)山體山高坡陡，陡傾坡體中發(fā)育大量節(jié)理，坡體下開采5 層煤，重復(fù)采動效應(yīng)明顯，具有西南山區(qū)采動斜坡的地質(zhì)特征，潛在的地質(zhì)災(zāi)害危險性大，應(yīng)引起足夠重視。

2）通過赤平投影法分析地層產(chǎn)狀、自然坡體坡向與裂隙產(chǎn)狀三者之間的空間關(guān)系，得出Ⅱ組裂隙1 成為外傾最不利結(jié)構(gòu)面，易發(fā)生傾倒式崩塌。

3）根據(jù)實(shí)際的采礦順序和地下采空區(qū)的空間分布，基于離散單元法，對煤層重復(fù)采動誘發(fā)山體變形破壞過程進(jìn)行了模擬，得出受重復(fù)采煤活動影響，該山體最大水平位移8 m，最大縱向位移10 m，山體易發(fā)生崩塌式破壞，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險極大；同時通過分析不同煤層開采后山體的變形特征，可以得出山體的破壞程度與重復(fù)采動次數(shù)密切有關(guān)。