缓倾煤层采空区上覆岩体变形特征物理模拟研究

赵建军，蔺　冰，马运韬，张晓东，兰志勇，2，黄润秋

(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;2．四川省蜀通勘察基础工程有限公司，四川 成都610081)



缓倾煤层采空区上覆岩体变形特征物理模拟研究

赵建军1，蔺冰1，马运韬1，张晓东1，兰志勇1，2，黄润秋1

(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;2．四川省蜀通勘察基础工程有限公司，四川 成都610081)

摘要:以贵州马达岭滑坡所在的自然边坡为原型，通过框架物理模型试验，研究了缓倾煤层采空区上覆岩体沿岩层走向方向的变形过程，分析采动滑坡变形破坏机制。研究结果表明:煤层开采后，上覆岩层发生应力重分布，采空区边界形成拉应力集中区;上覆岩层产生以沉降为主的弯曲变形，而在坡肩和坡脚部位产生较明显水平向外位移;变形过程中先在采空区后边界部位产生裂缝，回采煤柱后，裂缝贯通，形成潜在滑面。

关键词:模型试验;采空区;相似材料;变形

赵建军，蔺冰，马运韬，等．缓倾煤层采空区上覆岩体变形特征物理模拟研究［J］．煤炭学报，2016，41(6):1369－1374．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1408

Zhao Jianjun，Lin Bing，Ma Yuntao，et al．Physical modeling on deformation characteristics of overlying rock mass above mined-out area in gently inclined coal seam［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1369－1374．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1408

露天采矿在给经济带来飞速发展的同时，也留下许多环境地质问题，如地面沉陷、裂缝，以及由采空区塌陷引起的崩滑灾害［1－5］。早在1838年比利时工程师哥诺特提出“垂线理论”，随后Gonot又以实测资料为基础提出“法线理论”，到1885年裴约尔提出了“拱形理论”，1947年前苏联学者建立了地表下沉盆地剖面方程，并指出水平移动与地面倾斜成正比的观点，直到最近的1954年，波兰学者李特维尼申提出了开采沉陷的随机介质理论［6］。

马达岭滑坡发育于存在软弱夹层和煤层采空区的缓倾斜坡中，由采空区的破坏和降雨诱发形成，体积达190×104m3，并伴随有泥石流的发生，属大型滑坡。前人对此滑坡做了大量研究，其中王玉川等［7］对马达岭滑坡的控制性砂岩和煤岩展开室内岩石力学试验;王玉川等［8－9］指出马达岭滑坡的破坏模式为“塌落－拉裂－剪切滑移”，其形成机制和发展过程可为:斜坡后缘拉裂阶段，滑面贯通阶段和滑坡整体破坏阶段。赵建军［10］、肖建国［11］等采用离散元方法模拟缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程，指出了由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑－拉裂－剪切滑移式滑坡形成机制。亓星等［12］从泥石流的特征方面入手分析马达岭滑坡的碎屑形成泥石流的机制，并分析采空区积水对滑坡快速形成泥石流的影响。李禹霏等［13］以贵州省马达岭地质灾害链为研究对象建立了地质灾害链自动化监测系统，并取得较好的预警预报效果。

上述研究结果表明，马达岭滑坡的形成主要受采矿活动诱发。滑坡发生于2006年，在煤矿关停3 a后发生，说明采空区顶板发生累进性变形并逐渐转化为斜坡的时效变形。物理模型试验可以直观的观察研究采空区顶板变形破坏的时间效应。李宏艳等［14］采用物理模型试验对采动影响区覆岩裂隙分布进行定性分析，利用分形理论将采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域，即离层低角度裂隙区，采空区中部垮落及断裂带中角度区，裂隙扩展高角度区，中、高角度过渡区。随后，刘长友等［15］对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究，得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率。廖学东等［16］针对近距离煤层群进行相似试验研究，将采空区上覆岩层划分为“三带”。

本文采用物理模型试验模拟马达岭采空区顶板变形过程，分析采空区顶板破坏特征及其对斜坡形成的影响，以期为同类型采空区边坡的预防和治理提供参考。

1　滑坡地质概况

马达岭滑坡区大地构造上位于扬子准地台次级构造单元黔南地陷—贵定南北向构造变形区的南东部，以单斜构造为主，局部发育少数次级小褶曲。滑坡发育于祥摆组(C1x)，其地层岩性主要为浅灰、灰色厚度不等的细粒砂岩夹有黑色炭质泥岩、暗灰色薄至中厚层泥砂岩和含炭泥质粉砂岩，呈现石英砂岩与炭质页岩及泥质粉砂岩互为消长关系，其中间夹有12层厚度不等的煤层。滑体平面上呈不规则长方形，沿山脊分布，宽约120 m，长约260 m，主滑方向172°，高差近160 m，体积1.90×106m3，滑坡后缘近直立，高度50 m左右，下部坡度较缓，总体坡度约20°，中部坡度为30°～40°。研究区内一共包含4层采空区，从下到上分别为A7，A9，A10和A11(图1，2);其中煤层A7，A9厚度较大，开采工作面高度均在2.5 m左右，两层相隔约20 m，开采进尺约200 m;煤层A10，A11相对较薄，两层之间相隔不足15 m，开采厚度1 m左右，开采进尺不足100 m。煤层顶底板都为石英砂岩，稳定性好、强度较大，但发育有裂隙，整体相对较差。根据高密度电法物探揭示，由于后期小煤窑私采，采空区已扩展至接近地表［7－13］。

图1　马达岭滑坡工程地质平面Fig.1　Engineering geological plan of the Madaling landslide

2　模型试验方案

2.1模拟范围及模型概化

为了研究采空区顶板变形特征，本文选择煤层走向方向剖面建立地质模型。影响该滑坡稳定性的内在因素包括滑坡区的地层岩性、地质结构、节理裂隙等，外在因素则为下伏采空区软弱层。采空区顶板砂岩决定滑坡整体稳定性，并考虑砂岩中的两组优势结构面的影响。岩层的倾角近水平，对滑坡整体稳定性影响不大，不单独模拟。从试验可操作性角度出发，对地质原型进行了简化，模型总共包括10层，5层砂岩，2层煤，3层炭质页岩，把A7，A9两层煤概化为一层(下部煤层)，A10，A11两层概化为一层(上部煤层)，同时模型保留了地质原型软硬互层结构特征。为了方便采煤，在坡表不预留煤柱。概化后的滑坡模型如图2所示。

图2　马达岭滑坡工程地质剖面(A—A’)Fig.2　Engineering geological section of Madaling landslide(A—A’)

2.2相似条件及物理力学参数

试验采用了假三维地质力学模型，选取几何相似常数CL为200，根据马达岭滑坡规模和几何相似比确定模型长为150 cm，宽为50 cm，高为65 cm，下层煤开采进尺100 cm，上层煤开采进尺70 cm。

砂岩和炭质页岩重度相似常数Cγ定为1，根据相似理论［11］得应力相似常数Cσ为200，黏聚力相似常数Cc为200，内摩擦角相似常数Cφ为1。根据室内试验研究和相似比，得到原型［7］和模型物理力学参数(表1)。

表1　滑坡原型［7］和模型物理力学参数Table 1　Physical-mechanical parameters of prototype landslide and its models

2.3模型材料

本次试验采用水泥、石膏、重晶石［17］和河砂作为相似材料，其中水泥的作用是增加砂岩的脆性。同时，考虑到砂岩中有两组结构面优势发育，在模型堆制时用云母片［14］模拟岩体中的优势结构面。通过正交法配比试验制作22组不同配比的试样，应用Fuzzy［17－18］最佳选择方法进行配比参数的优选，满足相似条件的岩石相似材料见表2。

表2　模型材料配比及其物理力学参数Table 2　Components of model materials and its physical-mechanical parameters

2.4试验模拟方案

由于斜坡岩层倾角较小，倾向对斜坡影响较小，模型试验重点研究斜坡沿岩层走向方向的变形破坏过程。试验中采用新方法模拟采煤(发明专利申请号:201510068749.4)来模拟现实开采过程。先开挖下部煤层，再开挖上部煤层(均留有煤柱)，最后开采下部煤层的煤柱。

2.5模型量测

采用桂量(SHAN)百分表(0－50×0.01 mm)定量记录模型的变形和位移，采用佳能7D单反相机和等比例图纸记录模型的变形和破坏特征，采用LY－350应变式微型土压力盒(Φ28 mm×9 mm，0.5(% F.S.))记录模型内部应力应变变化，采用莱卡CH－9435(精度为2 mm)三维激光扫描仪［19］扫描坡面位移特征。在模型侧面布置112个测点，从下部煤层顶板开始布置在每层的中线上，间距5 cm。图钉编号以字母和数字组合表示，从下往上(A～G)、从左往右(1～22)依次编号。贴有网格纸的有机玻璃板可以固定安装在模型架上，并保证有机玻璃板和模型架始终处于相对静止状态。各煤层顶板中布置微型土压力盒，土压力盒沿模型宽度方向正中间布置，沿长度方向正好形成一个剖面。三维激光扫描仪架设在模型坡面前方3 m处，每次扫描保持位置不变。观测点和仪器布置如图3所示。

图3 试验模型Fig.3　Test model

3　试验过程

按相似材料的配合比称量各组分，经过搅拌后，倒入模具内夯实成型。模型共10层，进行分层堆制，制作好一层待模型达到80%强度后制作下一层模型。制作过程中，在相应位置埋置微型土压力盒和云母片，待模型全部完成后，修刮模型，着色，设置图钉，固定有机玻璃板，定观测坐标原点。模型最终效果如图3所示。

首先测出图钉的初始坐标，模型内部初始应力和扫描坡面形态。得到各项初始值后开始模拟煤层开采。煤层开采分3步:第1步开采下部煤层，由坡外向坡内连续开采(两侧均预留3 cm宽煤柱)，开采进尺100 cm;第2步待模型基本稳定后开采上部煤层，开采方法同下部煤层，开采进尺70 cm;第3步待模型再次稳定后回采下层右侧煤柱，只在近坡表位置保留煤柱。开采时连续读取土压力盒读数，开采完成后立即读取观测点数据和扫描坡表形态，绘制各层裂缝网。之后每间隔6 h采集一次数据，当遇到变形较明显时适当增加采集次数。当模型趋于稳定时适当减少采集次数。至下层右侧煤柱开采完模型坍塌试验停止，累计观测时间98 h。试验过程及模型量测过程如图4所示。

图4　试验过程及模型量测流程Fig.4　Flow chart of test process and model measurement

4　试验成果分析

4.1应力分析

试验过程中测点应力曲线如图5所示。煤层开采前(第0次)，测点的应力值为初始自重应力。下层煤层开采时(第1次)，首先影响到下层煤顶板中的测点1、测点2、测点3，开采完成后3个测点应力快速变化，其中测点1应力增加了1倍左右，测点2和测点3降低超过50%，而测点3的降幅大于测点2。在随后的第2～6次中由于顶板的垮落和上覆岩层的变形，使得测点2和测点3应力逐渐剧降，然后趋于无应力的稳定状态。测点1应力随着时间的推移不断增大，到第6次后也基本稳定，应力值相当于3倍的初始应力值。测点4、测点5、测点6应力变化在第2次后，较前3个测点应力变化出现延迟，且变化速度缓慢。测点4应力起初缓慢增加，到第6次应力明显增加，一直到第9次才基本稳定，应力值约2.5倍的初始应力。测点5与测点6应力从第2次后缓慢减小，到开采完成第7次观测后变到与测点2、测点3应力相当。

图5　测点实验过程应力曲线Fig.5　Stress curves of monitoring points in the experiment

开采上部煤层后(第14次)测点4应力变化最大，发生较为明显增大，其次在第15次测点1也发生应力增大的现象，其他测点则发生应力减小。测点2与测点5应力变化很小，主要是在下部煤层开采后应力得到大部分释放，采空区上部岩体自重主要由煤柱边界承担，故未发生明显变化。测点3与测点6应力变化虽然也较小，但是比测点2与测点5更加明显，由于测点3与测点6靠近临空面，受采空区、卸荷作用影响，使得前缘部位变形更剧烈，开采过程中斜坡前缘就产生了张拉裂缝，随后坡顶可见明显的不均匀沉降圈(图6)。由于回采下层右侧煤柱时部分土压力盒已经失效，后续不再记录应力变化。第1，2，6，8次观测为下部煤层开采后0.5，4，30，44 h，第14，15，18次观测为上部煤层开采后0.5，4，24 h。

图6　斜坡表面变形云图Fig.6　Deformation figure of landslide surface

4.2顶板变形特征

上、下层采空区顶板典型测点试验过程累积沉降曲线如图7所示。

图7　典型测点实验过程累计沉降曲线Fig.7　Accumulated settlement curves of typical monitoring points in the experiments

下部煤层开采完成后，采空区顶板发生了少量冒落，与此同时产生了大量的沉降和少许的水平位移。下部煤层顶板在下部煤层被采出后首先发生沉降，且主要沉降变形发生在第3次观测以内，到第4次之后沉降明显减弱，第6次之后沉降变化值趋于0，这与应力分析中测点1、测点2、测点3应力变化时间上有较好的一致性。A层测点最大沉降发生在测点A12，沉降值36 mm，以12号测点为中心两侧测点沉降相应减小，整体呈现中部沉降大、前缘部位(A22)沉降其次、靠近模型后边界(A4)沉降最小。在第3次靠近坡脚部位测点A22沉降突变，沉降值与A12号测点下沉中点沉降值相当，这与试验现象中第4次斜坡前缘开裂，随后发生垮塌有关，如图6和图8坡脚所示。上部煤层顶板典型点E4，E12，E17的沉降滞后于下层顶板，这与应力变化相一致。

图8　　滑坡模型破坏示意Fig.8　Sketch of failure model for landslide

上部煤层开采后，A，B，C层测点沉降并未随时间增加而变化，与开采前沉降值差距在3 mm以内。E层测点沉降值发生了明显变化，测点E12最大沉降值达32 mm，较开采前增加6 mm，第15次后沉降减弱，第17次后沉降基本结束。测点E17，E4的沉降值都有所增加，且坡表的E17涨幅大于采空区后缘。试验完成后的滑坡模型破坏示意如图8所示。由图8可以看出，拉裂缝主要集中出现在采空区后缘，与煤洞坡变形体中产生的多条裂缝位置基本一致。

5　变形破坏机制分析

马达岭斜坡煤层开采后，下部软岩在重力作用下产生塑性变形，从而使上部硬岩内部产生拉应力区，在坡顶产生拉裂。煤层的开采引起坡体内部的应力重分布，采空区边界部位产生应力集中，随着时间推移，应力重分布向上扩展，硬岩中的拉应力变大。顶板先发生破坏，接着上覆岩层变形，坡顶后缘开裂;煤层开采导致岩体完整性降低，加剧上覆岩体向临空方向的塑性变形和上部硬岩中拉应力的增加，坡顶裂隙快速发展，与采空区上覆岩体的裂隙带联通，坡体内形成潜在滑动面;降雨加剧斜坡的蠕滑变形，当滑面贯通即发生整体滑动。

6　结　　论

(1)煤层采空后顶板应力迅速释放，形成典型卸载区;采空区后边界附近应力迅速增加，形成应力集中区;采空区中部与坡表应力缓慢减小，呈应力释放。坡脚部位受采空与临空面共同作用，岩体破碎，岩层中应力快速释放。

(2)由于煤层开采引起的重力重分布在采空区边界部位形成压应力集中，进而产生竖向张拉裂缝，随着应力重分布范围的扩大，竖向张拉裂缝贯通并向上发展至坡顶。

(3)采空区上覆岩层主要以沉降变形为主，水平位移不显著，其中采空区中部沉降量最大，靠近坡表沉降次之，后缘边界最小。同时由于不同部位沉降量的不同使得岩层产生明显离层现象。

(4)模型变形停止后，并没有产生滑坡，但采动裂隙的形成和顶板局部破坏导致岩体破碎，并形成滑坡变形破坏的边界条件，导致斜坡进入时效变形阶段，并在暴雨条件下最终失稳。

(5)青山煤矿区的煤洞坡变形体与马达岭滑坡的结构特征一致，根据试验结果和煤洞坡变形体的裂缝扩张特征，可以推测变形体易发生约245°方向的视倾向滑坡。

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中图分类号:TD315;TU452

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1369－06

收稿日期:2015－09－24修回日期:2016－01－26责任编辑:许书阁

基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2015BAK09B01);地质灾害与地质环境保护国家重点实验室基金资助项目(SKLGP2013Z005);国家重点基础研究计划(973)资助项目(2013CB733202)

作者简介:赵建军(1980—)，男，山东临朐人，教授，博士。Tel:028－84077988，E－mail:j．j．zhao@qq．com

Physical modeling on deformation characteristics of overlying rock mass above mined-out area in gently inclined coal seam

ZHAO Jian-jun1，LIN Bing1，MA Yun-tao1，ZHANG Xiao-dong1，LAN Zhi-yong1，2，HUANG Run-qiu1
(1．State Key Laboratory of Geohazard Preventiou and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China;2．Sichuan Shutong Survey and Foundation Engineering Co．，Ltd．，Chengdu610081，China)

Abstract:Using Madaling landslide in Guizhou Province as a case，based on physical modeling，this paper studied the deformation process and mechanism of overlying rock mass above a mined-out area in gentle inclined coal seam．As a result，the mining landslide deformation mechanism could be described as follow:firstly，the coal mining leads to the stress redistribution of overlying rock mass and tensile stress concentrated area along mined-out boundary．Secondly，the overlying rock mass subsides and generates bending deformation．At the same time，the shoulder and toe region of the slope moves outward and generates horizontal displacement．Thirdly，cracks generate at the back edge of the minedout area．After mining coal pillars，the cracks further extend and gradually form potential sliding surface combining mined-out area．

Key words:physical model test;mined-out area;similar material;deformation