缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

赵建军,肖建国,向喜琼,黄润秋,王玉川,史文兵,

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059;2.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室,贵州贵阳 550003)

缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

赵建军1,肖建国1,向喜琼2,黄润秋1,王玉川1,史文兵1,2

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059;2.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室,贵州贵阳 550003)

以贵州都匀马达岭滑坡为例,采用离散元方法,研究了缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程,提出了该类矿区滑坡防治建议。研究结果表明:采空区顶板塌陷导致上覆岩层弯曲－沉陷,地表产生沉降变形,同时采空区边界部位产生倾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空区上部岩体沉陷变形导致坡脚部位岩层往坡外剪切滑移;中部滑面沿变形后倾向坡外的层面和陡倾节理组合形成阶梯状滑面。滑坡形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。缓倾煤层采空区滑坡的防治应从防止采空区顶板塌陷入手,通过回填矸石或加强顶板的永久支护来防治采空区上覆坡体的变形。

采空区;采矿滑坡;离散元模拟;形成机制

地下矿产的开采可能诱发崩塌、滑坡、泥石流和生态环境恶化等次生地质灾害,造成重大人员伤亡和经济损失。例如,1903年加拿大Alberta省西南部发生的Frank滑坡形成3×107m3的滑坡体,导致76人死亡[1]。1966年,英国南威尔士Aberfan滑坡造成144人遇难。此外,德国Balkema矿区、澳大利亚Porgera矿山、湖北宜昌盐池河磷矿区、陕西韩城象山滑坡等都与地下开采有关[2]。因此研究采空区滑坡机制对预测和防治类似滑坡具有极其重要的意义。

采空区滑坡研究目前多采用监测资料分析、数值模拟和物理模拟等方法[3－8]。Forrester等对Aberfan滑坡进行的地质条件、开采沉陷规律、地质结构和时间效应进行了分析[9]。Jones等采用物理模拟和数值模拟方法研究了南威尔士浅表层滑坡,表明开采导致顶板产生拉应力[10]。Benko采用有限差分和离散元方法,研究了不同开采深度、开采方式以及构造特征对边坡变形破坏的影响[11]。国内汤伏全等通过对象山采动滑坡的研究,分析了采动引起的斜坡应力场的变化,总结出采动滑坡形成的有利地势和岩性特征[12－13];潘宏宇等应用极限平衡理论和数值模拟分析柏林煤矿工业广场南翼滑坡的稳定性,预测了开采引起地表移动变形[14－15];崔杰等通过物理模拟分析了地形地貌和岩土体特征对采动滑坡的影响[16];周宏伟等结合物理模拟研究了覆岩采动裂隙的分布和发育特征,并分析了裂隙长度与数量的分维与工作面推进长度之间的关系[17]。

贵州省马达岭滑坡属典型的缓倾角煤层采空区变形诱发形成的岩质滑坡,目前滑坡东侧仍存在大规模变形体,存在失稳的可能。笔者以贵州省马达岭滑坡为例,在地质调查的基础上,通过离散元模拟研究了缓倾角采空区上覆岩体变形特征及其对滑坡的影响,在已有研究成果[18]基础上进一步加深了对该类滑坡形成机制的认识,研究结果对于预测变形体破坏模式、指导该类矿区地质灾害防治具有重要意义。

1 滑坡工程地质条件

马达岭滑坡位于贵州省都匀市江州镇,发生于2006－05－18T04:00。滑坡区地形东南低西北低,滑坡位于SW—SN向山脊的南东侧。滑坡前坡顶高程为1 550 m,坡脚高程为1 390 m,高差达160 m,滑坡剪出口高程为1 400 m。滑坡发生后,滑体剧烈撞击并铲刮下游左岸小山坡,偏转近90°后,高速运动的碎屑流沿沟谷向下游运动,形成了长约1.5 km的碎屑流堆积,淹没农田13 334 m2以及干坝寨子门前的水沟,所幸无人员伤亡,如图1,2所示。

图1 马达岭滑坡全貌Fig.1 Photo of madaling landslide

图2 马达岭滑坡工程地质平面Fig.2 Engineering geological plan of the Madaling landslide

研究区大地构造位置位于扬子准地台次级构造单元黔南台陷、贵定南北向构造变形区之南东部,地层总体为一单斜构造。在构造演化过程中经历了多次地壳运动和构造活动,使区内构造复杂多样,并且具有多期性、叠加性[19]。岩体受构造影响较破碎,完整性较差。贵州属于中亚热带季风气候,年降雨量基本一致,每年4—9月是雨季,年平均降雨量均在1 100 mm以上,最多可达1 431.1 mm[20]。

斜坡上覆第四纪碎石土,下部基岩裸露,岩性复杂,呈软硬相间,主要为祥摆组(C1x)中厚层状砂岩与炭质页岩(或煤系地层)互层,岩层产状为292°∠10°。如图2所示,滑体平面形态呈长条形,长257 m,最宽115 m。滑坡后壁由走向为NNE和NWW的两条陡壁组成,可见长度分别为250 m和76 m,陡壁高150 m。滑坡主滑方向172°,平面面积3 hm2,滑面深度40～60 m,体积约1.90×106m3。

滑坡区采煤历史可追溯到20世纪50年代,大规模采煤自20世纪70年代开始,至2003年煤矿关闭,采煤历时50 a。可采煤层主要有2层:煤层A7高程1 360 m,厚度1 m;A9位于高程1 400 m,厚度1.83 m,形成了大面积采空区,如图2所示。开采方法为走向长臂式采煤法,方向为沿煤层走向由坡内向坡外,采空区长度为200 m左右[21]。

2 滑坡结构特征

根据现场调查,建立了如图3所示的马达岭滑坡前地质模型。自然斜坡坡向112°,地形上陡下缓,煤层发育部位一般发育较大缓坡或平台,高度200 m左右。马达岭斜坡是由硬岩(石英砂岩)、软岩(炭质页岩和煤层)组成的软硬互层结构反倾斜坡。软岩风化强烈,岩体破碎呈碎裂结构;硬岩中节理发育,总体上呈次块状结构。根据岩性组合特征,将斜坡可划分为2个部分(图3):I区位于斜坡上部,为厚层硬岩夹薄层软岩,岩性以硬岩为主;II区位于下部,为薄层软硬岩互层,岩体较破碎。受岩体结构特征控制,上部硬岩发育部位形成坡度30°～40°的陡坡,下部软岩发育部位形成坡度15°的平缓地形。

图3 滑前斜坡工程地质剖面(A—A′剖面)Fig.3 Engineering geological profile before sliding(A—A′section)

岩体主要发育两组节理,产状分别为125°∠82°(节理1)和210°∠85°(节理2),节理面较平直,间距20～50 cm不等,这两组节理将石英砂岩切割形成形态较为规则块状体。由结构面赤平投影图(图4)可知,天然条件下结构面组合有利于斜坡稳定,但该两组节理可分别形成岩体变形破坏的侧边界和后缘边界。

3 采空区变形离散元模拟

由于采煤方法为走向长壁式采煤法,沿走向方向和倾向方向形成采空区边界,为了研究滑坡边界与采空区之间的关系,分别沿滑坡主滑方向(A—A′)和岩层走向(B—B′)、倾向(C—C′)方向建立3个二维地质模型,采用二维离散元软件(UDEC)[22]模拟采空区岩体变形破坏特征,为滑坡的变形破坏机制分析提供依据。

3.1 几何模型的建立

为简化计算,根据实际地质结构模型,按照1∶10的比例建立了计算模型,模型中厚层状砂岩层厚15 m,薄层状岩层厚3 m,节理间距取4 m。采空区以下岩层对坡体变形无影响,不考虑节理。根据现场调查,滑坡前的大规模变形主要发生在2003年停采后,因此数值模拟中考虑将A7和A9煤层一次性挖除。A—A′模型总长406 m,高168 m;B—B′模型总长492 m,高232 m; C—C′模型总长405 m,高170 m。

3.2 材料物理力学参数

材料选取为弹塑性力学模型,强度准则为Mohr－Coulomb准则。岩体及结构面物理力学参数来源于室内试验[23]、工程地质类比[24－26]。岩体体积模量K和剪切模量G由式(1)[27]计算取得,数值模拟所得物理力学参数见表1,2。

式中,K为体积模量,MPa;G为剪切模量,MPa;E为弹性模量,MPa;ν为泊松比。

表1 马达岭各类岩体物理力学参数Table 1 Physical mechanical parameters of the rock mass

表2 结构面物理力学参数Table 2 Physical mechanical parameters of the discontinuities

3.3 离散元结果分析

模拟结果表明,采煤破坏了原有的应力平衡状态,采空区顶板岩体失去支撑而使其自身重力发生转移,各质点在回弹应力的作用下,引起围岩内应力的重分布和应力集中[28],从而导致岩体向采空区变形,模型中表现为沿节理产生不同类型的裂隙。根据裂隙发育特点,可以将变形区划分为3种,如图5所示:塌陷区(黄色A区)、弯曲－沉陷区(青色B区)和拉裂－倾倒区(红色C区)。

图5 采空区斜坡变形分区示意Fig.5 Zoning map of slope deformation above goaves

塌陷区位于采空区上部30～40 m,由中厚层软硬岩互层组成。岩体产生向采空区内的崩塌。硬岩产生下宽上窄的裂隙。这种破坏可以简化为两端固定的板梁模型[29],可由板梁的变形破坏特点判断此处岩层的破坏行为。顶板底部产生拉应力,岩层变形加剧,拉应力增高,超过岩体抗拉强度,产生由下向上发展的拉裂缝,导致顶板塌陷。一定时间后,采空区塌落的破碎岩石将采空区完全填满,可支撑上覆岩体阻止其进一步变形。弯曲－沉陷区位于斜坡中上部。随着A区变形发展,斜坡中上部岩层向下弯曲导致地表产生明显沉陷。岩体中的变形表现为层间虚脱产生离层裂缝[30],硬岩中陡倾角裂隙张开,这种变形导致硬岩中裂隙张开,软岩破碎。拉裂－倾倒区位于采空区边界部位,几何形态具有下窄上宽的特点。由于A,B区岩层产生向采空区的崩塌和弯曲变形,导致C区产生拉应力集中,硬岩块体向采空区倾倒并产生向坡外的位移,这种变形导致采空区边界一定范围内产生倾倒式拉裂(图5(a)和图6),在地表形成具有一定宽度的拉裂缝。

可见,煤层开采后,采空区顶板产生显著变形,导致岩体破碎,裂隙普遍张开;沿走向和倾向方向两个采空区边界上部一定范围内,出现大量倾倒式拉裂,在地表将表现为深大拉裂缝,为滑坡的形成创造了边界条件;采空区上覆岩层内侧的岩层弯曲变形导致岩层倾向坡外,为滑面的形成提供了条件。

图6 斜坡位移矢量Fig.6 Displacement vector after mining

4 滑坡形成机制分析

图6显示,采空区边界一定范围内产生向采空区方向的倾倒变形,中部以竖直向下的沉陷变形为主,这两种变形导致采空区外侧坡体沿煤层产生向坡外的位移。这种变形的发展具有时效性特点,随着采空区顶板塌陷的发展,变形体后缘沿深大裂缝下错,中部沿弯曲后倾向坡外的层面与陡倾节理组合形成阶梯状滑动面,推动前缘碎裂岩体产生剪切变形,最终形成贯通的滑动面,在斜坡外侧煤层部位形成剪出口。因此缓倾煤层采空区上覆山体滑坡形成机制可以概括为:由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。据以上分析,马达岭斜坡的变形破坏可以概括为4个过程:

(1)采空区顶板塌陷,后缘拉裂(图7(a))。自然斜坡为上硬下软的软硬互层结构缓倾逆向边坡,岩体中发育两组可形成变形破坏边界的节理。当采空区形成后,顶板失去支撑,在自身重力和上覆岩层重力作用下,产生冒落、沉陷变形。导致硬岩中节理张开,软岩破碎,并在采空区边界部位产生深大拉裂缝。

(2)阶梯状蠕滑拉裂—剪切变形发展。随着变形的发展,斜坡内侧采空区上部岩层弯曲倾向坡外(图7(b))。斜坡的整体变形从后缘拉裂部位启动;中部沿缓倾外的层面和陡倾裂隙组合形成阶梯状滑面,并逐渐向下发展。这种变形导致前缘采空区和残留煤层受到推挤作用,产生剪切变形。

图7 采空区条件下滑坡的形成过程示意(A—A′剖面)Fig.7 Preparation process of landslide under the effect of goaf(A—A′section)

(3)中部阶梯状滑面锁固段剪断,滑面贯通(图7(c))。马达岭滑坡区降雨充沛[19],雨水由裂缝渗入坡体,可弱化软岩的工程地质特性,同时硬岩裂隙中地下水运移产生的静水压力和动水压力,进一步促进了滑面的发展。这种情况下,中部阶梯状滑面局部锁固段剪断,与前缘剪切滑动面贯通,形成贯通的滑面。

(4)滑坡发生(图7(d))。2006年5月在持续降雨条件下,滑面贯通后产生高速滑动,由于剪出口以下存在陡坎,滑坡产生了较高的势能,滑体高速运动形成碎屑泥石流。

5 结 论

(1)马达岭滑坡是典型缓倾内煤层采空后采空区变形发展形成的具有时效变形特点的滑坡。斜坡中下部为中薄层软硬岩互层组成,上部为厚层硬岩夹薄层软岩组成,硬岩中发育陡倾坡外节理。

(2)缓倾煤层采空区变形根据其裂隙发育特点可以分为3个区:采空区顶板以上一定高度范围内的塌陷区,采空区顶板中上部的弯曲－沉陷区,采空区边界以上的倾倒－拉裂区。变形的发展由采空区顶板岩体塌陷引发,向上部及两侧发展,导致影响区范围内岩体破碎,裂隙张开,并在采空区边界以上形成贯通至地表的倾倒式深大拉裂缝。

(3)缓倾角煤层采空区滑坡边界受采空区边界控制,其变形具有时效性特点,塌陷—沉陷—倾倒—拉裂的发展造成滑坡后缘裂缝逐渐加宽下错,中部形成阶梯状滑面,推挤前缘坡体产生剪切变形,最终形成贯通的滑动面。

(4)缓倾内软硬互层结构特征、陡峻的地形和结构面发育特征是滑坡产生的内在条件,采矿及其后期降雨是滑坡发生的诱发因素。滑坡的形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移。

(5)对缓倾煤层,长臂式采煤法形成大面积采空区,其边界部位可形成深大拉裂缝,对斜坡稳定性不利。减少这种滑坡发生的关键是控制采空区顶板塌陷的发展,可采用煤矸石回填采空区,还应尽量避免采用长壁式采煤法,同时加强采空区顶板的永久支护。

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Failure mechanism numerical simulation of mining landslide with gentle bedding coal strata

ZHAO Jian-jun1,XIAO Jian-guo1,XIANG Xi-qiong2,HUANG Run-qiu1,WANG Yu-chuan1,SHI Wen-bing1,2

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Key Laboratory of Karst Environment and Geohazard Prevention,Ministry of Education,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Taking Madaling landslide in Duyun,Guizhou Province as a case,the deformation-destroy process of landslide with gently inclined coal goaves was studied by the discrete element method.And the prevention and controlling recommendations of this kind of landslides were proposed according to the results.The simulation results indicate that, the collapse of goaf roof leads to overlying strata bending-subsidence,which induced subsidence of the slope surface, and the toppling of the rock mass induces deep surface cracks above the borders of goaves,and the collapse and subsidence of the overlying rock strata causes shearing deformation at the toe of the slope,and the stepped slip surface in the middle part of the slope formes by combination of bedding planes dipping outward and steep joints.As a result,the failure mechanism of mining landslide with gentle bedding strata can be summarized as stepped creeping-crack-shear sliding caused by goaf roof deformation.Therefore,in order to control mining landslide with gentle bedding strata,preventing goaf roof from collapsing should be taken into consideration.Backfilling waste rocks or supporting of the roof should be carried out to prevent the deformation of slope body above the goaf.

goaf;mining landslide;discrete element simulation;formation mechanism

TD824.7

A

0253－9993(2014)03－0424－06

赵建军,肖建国,向喜琼,等.缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究[J].煤炭学报,2014,39(3):424－429.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0365

Zhao Jianjun,Xiao Jianguo,Xiang Xiqiong,et al.Failure mechanism numerical simulation of mining landslide with gentle bedding coal strata[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):424－429.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0365

2013－03－25 责任编辑:韩晋平

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB733202);国家自然科学基金资助项目(41102190);地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主课题资助项目(SKLGP2013Z005)

赵建军(1980—),男,山东临朐人,副教授,博士。E－mail:zhaojianjun07@cdut.cn