山区平缓采动斜坡裂缝成因机制研究*

史文兵 黄润秋 赵建军 巨能攀 向喜琼



山区平缓采动斜坡裂缝成因机制研究*

史文兵①②黄润秋①赵建军①巨能攀①向喜琼③

西南山区采动斜坡多具有高陡临空地形、“上硬下软”坡体结构、岩层平缓、陡倾节理面发育、开采活动强烈等特点，往往发育与采空区边界对应的宽大裂缝，未见明显的移动盆地，形成机制复杂。本文以贵州都匀市接娘坪变形体为例，通过数值模拟分析了采动斜坡裂缝成因机制。研究结果表明，受坡体内煤层采空及高陡临空地形影响，斜坡覆岩沿陡倾节理开裂并一直向上延伸到地表，随着重复采动的进行，裂缝开裂程度增大，有向临空面倾倒破坏的趋势，斜坡未形成明显的沉陷盆地。斜坡裂缝形成演化过程包括开采扰动-坡顶拉裂-裂缝加剧等3个阶段，斜坡在多煤层重复采动条件下裂缝变形经历4个阶段，即初始变形阶段、缓慢变形阶段、急剧变形阶段、稳定变形阶段。

平缓斜坡 重复采动 采动裂缝 成因机制

0 引 言

西南山区地下矿产如煤矿、磷矿等非常丰富，常常需要在斜坡内进行地下开采活动。西南山区采动斜坡多呈现以下特点(李腾飞等， 2012)：高陡临空地形，“上硬下软”坡体结构，岩层倾角多为小于10°，坡体中陡倾节理面发育； 坡体下部开采活动强烈。山区地下开采往往使得坡表形成多条宽大的边界裂缝，在外在因素如降雨的作用下，斜坡就会失稳破坏，甚至会形成泥石流。因地下开采诱发斜坡变形开裂甚至失稳的实例也日益增多，国内的盐池河崩塌、鸡冠岭崩塌、鸡尾山滑坡等都是采动斜坡失稳灾害的典型实例(孙玉科等， 1983a，1983b； 黄润秋， 2007； 许强等， 2009)。研究地下开采诱发斜坡变形裂缝的成因机制问题显得非常重要。

为此，学者们在研究山区地下开采诱发斜坡变形裂缝形成机制问题上做了有益的探索。孙玉科等(1983a，1983b)在详细分析矿山地质环境条件基础上，结合有限元数值模拟和低摩擦实验，发现盐池河崩塌首先沿岩层倾向滑动然后倒塌，因而提出盐池河山体变形裂缝形成机制为滑移-倾倒； 陈明东等(1991)认为三峡链子崖危岩体变形失稳机制非常特殊，即以西端为支点，危岩体沿层面发生视倾向的旋转滑动，提出链子崖危岩体变形开裂形成机制为旋转滑移-拉裂，炭质页岩层和煤层是危岩体滑坡的主控面； 刘传正等(1995)， 刘传正(2010)通过多年研究认为，链子崖危岩体发展取决于3个因素，一是贯通性良好的竖直节理或断层，二是地形上高陡临空，三是煤层大面积采空，提出用“转动-倾覆破坏”机制解释链子崖危岩体裂缝群分布特征，竖直方向上“悬板作用”是发生转动-倾覆破坏的根本原因，同时认为斜坡内部大面积采空是鸡尾山山体大规模开裂的原因。20世纪80年代至21世纪初学者们在矿山开采诱发斜坡变形失稳机制方面的研究有力地推导了人们对于这一特殊地质灾害体的认识。

2009年6月5日重庆鸡尾山发生山体崩塌，其独特的灾害形成机理引起了学者和科研人员的研究兴趣和探索。许强等(2009)认为鸡尾山山体裂缝形成机制为拉裂-蠕滑，提出了斜坡变形失稳的“关键块体”观点。 刘传正(2010)认为地形上高陡，斜坡内部大面积采空是鸡尾山大规模拉裂的主要原因，山体在视滑力作用下，克服滑面摩擦力和前缘抗剪力，先滑后崩。李腾飞等(2012)认为鸡尾山斜坡在采矿因素影响下发生指向采空区的整体性移动变形，变形失稳机制为“先崩-后滑-剪断破坏”。学者们对于鸡尾山斜坡变形失稳研究为认识山区开采变形裂缝形成机制提供了新角度。与山区开采裂缝不同，平原地区往往会形成移动盆地，裂缝的形成、发展及分布规律均有所不同，姚娟等(2009)通过实地监测数据研究发现，煤矿开采后地表出现大量动态裂缝，主要分布在采空区边界和工作面推进位置上方，裂缝由小到大逐渐增加，而后逐渐稳定到一定范围。王来贵等(2010)采用拉张破裂有限元程序模拟了平原地区不同开采深度及范围时采动裂缝演化过程，证实了前人的研究成果。

与平原地区相比，山区采动斜坡未出现明显的移动盆地，往往发育与采空区边界对应的宽大裂缝，特殊的地质环境条件导致其形成机制复杂，已有的研究非常有助于人们认识山区斜坡裂缝成因机制，对于山区矿山崩滑地质灾害预测预警和控制工作开展有着重要意义。但对于岩体结构和重复采动影响斜坡变形破坏机制方面研究还需进一步深入，对于重复采动条件下山区斜坡变形裂缝形成过程和阶段的认识还需进一步探讨。本文以贵州都匀市接娘坪变形体为例，在现场工程地质调查基础上，分析了斜坡裂缝发育特征，利用数值模拟方法探讨了重复采动和岩体结构对于斜坡变形裂缝形成的影响，研究了斜坡宽大裂缝成因机制，为山区平缓采动斜坡变形研究和评价提供借鉴。

1 地质环境背景

接娘坪变形体位于贵州黔西南州都匀市毛尖镇富溪村，该变形体为横向斜坡，东侧、南侧、南西侧三面临空，岩层近南北倾向，呈上硬下软结构。从60年代开始，先后由都匀县煤矿、青山煤矿等在该区域进行规模开采，开采历史长，由于多年开采形成了大面积采空区，斜坡变形开裂严重，山体坡顶形成多处裂缝。

研究区位于黔南台陷贵定南北向构造变形区富溪断层上盘，处于贵定向斜和都匀向斜之间，以SN向挤压构造为主(王玉川等， 2013)。斜坡下部出露地层为泥盆系上统及石炭系下统的中至厚层灰岩； 上部为石炭系下统祥摆组(C1x)砂岩、炭质页岩、页岩、煤系岩层。斜坡内可采煤层有3层(从上到下编号依次为A4，A9，A7)，A7和A9为可规模开采的煤层，煤层厚1.7～3.5m， A4为民采煤层，煤层较薄，为0.9～1.3m。第四系由残坡积物、崩落物堆积及冲积物组成，主要分布在斜坡顶部，厚0.5～1.5m； 地层总体为一单斜构造，倾向为315°～345°，倾角8°～10°。斜坡内水文地质条件简单，赋存基岩裂隙水，降雨是变形体主要的充水因素。

接娘坪变形体变形剧烈，形成了4条宽大主裂缝及次级裂缝 (图1)。“接娘坪”变形体总体呈NNW向展布，南北向最大长度230m，东西向最大长度300m，变形体投影平面面积达4.5×104m2，边界范围清晰，变形体的后缘以坡顶主裂缝LF4为界，前缘则以主裂缝LF2、LF3为界，右侧缘则以主裂缝LF1为界 (图2)。变形体下方有3层采空区，其中一层为民采采空区。

图1 斜坡裂缝分布及地形图

图2 斜坡主裂缝分布示意图(镜像120°)

根据现场地质调查，接娘坪变形体4条主裂缝(LF1、LF2、LF3、LF4)已完全连通，它们是接娘坪变形体系中的控制性裂缝，延伸长度在几十至几百米不等，张开宽度在几十厘米至数米之间，裂缝LF4最宽达9.5m； 除了这4条主裂缝外，还有9条规模较小的次级裂缝及若干条分支裂缝，这些裂缝延伸长度在十几米至几十米之间，张开宽度在数厘米至数米之间。

斜坡内发育3组优势结构面： ①陡倾结构面，N55°～75°E/NW∠81°～86°，平直微粗糙，间距2～3m，裂隙张开2～6cm，未见充填； ②陡倾结构面，N27°W～N20°E/NE～SE∠81°～86°，平直微粗糙，间距2～3m，裂隙张开2～5cm； ③陡倾结构面，S62°～77°E/NE∠82°～87°，平直微粗糙，间距2～3m，裂隙闭合，钙质胶结，干燥。通过走向玫瑰花图可以看出裂缝沿N27°W～N15°W及N89°W～N67°W最为发育(图3)。裂缝优势走向与斜坡内发育的优势结构面走向基本一致。

图3 裂缝走向玫瑰图

2 斜坡裂缝成因分析

接娘坪变形体是在特殊的地质环境条件下形成的，接娘坪斜坡为单面山，斜坡上陡下缓，变形体发育坡段为陡-缓-陡相间，斜坡“上硬段”石英砂岩存在多层页岩、煤层夹层，“下软段”炭质页岩存在与煤层互层，特殊的坡体结构对上覆脆性岩体的变形和稳定不利 (图4)。

图4 斜坡A—A′工程地质剖面图

接娘坪斜坡几乎三面临空(东侧、南侧、西北侧临空)，这为“上硬下软”型陡坡变形裂缝的发生、发展提供了空间。临空面的形成会使得岩体产生向外的卸荷回弹变形，卸荷回弹时会产生残余拉应力，导致原有裂隙进一步变形扩展。

图5 采动岩层变形分区图

表1 斜坡数值模型参数选取表

Table1 Numerical model parameters of slope

参数容重/kN·m-3弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa剪切刚度/GPa法向刚度/GPa砂岩2360120000.2342240.72——页岩220050000.5237150.52——煤层17005000.32260.430.31——层面———300.1—12节理面———250.1—1.22.1

由于长期开采，斜坡内形成了大范围的采空区，对接娘坪变形裂缝的形成起了决定性作用。斜坡内煤层地下采掘采用的是走向长壁法，随着开采的进行，采空区顶板上方会出现压应力集中，两侧煤壁上方及以外区域的主应力出现差异，这种应力的调整和重分布会引起采空区覆岩张拉破坏、离层，甚至会发生冒落(徐永圻， 1999； Brady et al.，2006)进而沿结构面和裂隙发生剪切和滑移。随着作业面不断推进，采空区不断增大，拉裂不断扩大。按岩层移动变形性质，山区斜坡地下采动岩层内部可分为4个变形区(图5)，上覆岩体顶板以上会出现拉伸区，两侧会出现拉伸和压缩区(汤伏全， 1989)。

地表变形裂缝的形成及急速发展均出现在地下采煤活动之后，而且裂缝的走向与采空区边界也是有密切的对应关系。

斜坡特殊的坡体结构、临空面条件及长期地下采煤活动，使得坡体中拉张变形裂缝发育并沿陡倾结构面急速发展、贯通，将坡体切割成大型块体。

3 数值模拟分析

为分析斜坡采动后应力特征情况，采用FLAC3D软件计算了A—A′剖面斜坡重复采动后的应力情况。模型边界采用速度约束条件，坡表为自由。计算采用摩尔-库仑弹塑性屈服准则，初始地应力仅考虑重力，模型共有砂岩、页岩及煤岩3种岩性，模型计算参数(表1)。

开采后坡顶区域出现贯通的拉应力区，在坡表前缘和后缘出现了较大的拉应力，影响深度达到A4民采煤层，最大值约为1.0MPa。考虑到岩体风化及节理裂隙发育，岩体已经被拉裂，中部拉应力较小，最大值约为0.5MPa，坡表拉应力呈现“两端大，中间小”的特征，这与斜坡走向剖面上两端有较大裂缝，中间未见明显裂缝情况较为符合 (图6)。

开采后，上下煤层之间的区域出现贯通性塑性区，破坏形式以剪切破坏为主。位于采空区顶板及坡面区域岩体受剪切-张拉复合作用，主要以张拉破坏为主，伴有剪切破坏。而斜坡后缘坡顶区域变形破坏则以张拉破坏为主 (图7)。

图6 最小主应力云图

图7 塑性区分布图

为进一步分析岩体结构及重复采动对斜坡裂缝形成的影响，采用3DEC软件建立了斜坡典型剖面的离散元模型。模型节理间距取8～24m，其中硬岩节理间距取18～24m，软岩节理间距取8～12m，节理按优势结构面②进行模拟，模型计算参数(表1)。

假定斜坡岩土体材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则，计算模型底部边界固定，即节点3个坐标轴方向的速度为零； 模型左右下部边界水平方向固定，上部及斜坡坡表边界为自由边界。

研究区内A4、A9、A73层煤层开采可分为3个时期，其开采工况设计如下：A7煤层分为三步开挖，即A7-01和A7-02、A7-03； A9煤层分为三步开挖，即A9-01和A9-02、A9-03； A4民采煤层分为一步开挖，即A4-01； 开采顺序为：A7-01→A9-01→A7-02→A9-02→A7-03→A9-03→A4-01(图8)。

图8 斜坡离散元模型剖面示意图

图9 斜坡变形破坏过程

图10 监测点X方向位移-时步曲线图

图11 监测点Y方向位移-时步曲线图

斜坡开采初期，煤层顶板开始出现拉裂和离层现象，之后顶板弯曲下沉，沿节理面也产生拉裂，地表此时均未受到明显影响(图9a)。开采中期，采空区顶板均发生严重冒落，影响范围已经延伸地表，采空区覆岩变形呈中心对称形式，两侧向采空区中心倾向变形(图9b)。开采结束后，A4煤层采空区覆岩变形开裂严重，其右侧发育有延伸到地表的裂缝，该裂缝呈现上宽下窄“V”字型，与实际坡顶接娘坪变形最大的裂缝LF4对应(图9c)。接娘坪斜坡第四系覆盖层薄，基岩裸露，陡倾节理发育，临空条件有利，斜坡变形裂缝演化规律与平原地区有很大不同，并未出现明显的移动盆地和边界角。开采后，采空区边界沿陡倾节理面向坡表延伸开裂，随着采动的持续进行，边界处向采空区与临空面方向的倾倒拉裂缝不断扩大，形成了接娘坪变形体宽大的边界裂缝。

图12 斜坡裂缝形成过程示意图

离散元数值模拟计算时，坡表设置了11个个监测点，分别为B01～B11，通过监测点X及Y方向位移与开挖时步的关系曲线图可知 (图10，图11)，坡表水平及下沉移动总体也可以划分4个阶段，即初始变形阶段、缓慢变形阶段、急剧变形阶段、稳定变形阶段。开采初期，斜坡坡表位移较小； 开采中期，变形急剧增大，以下沉位移为主； 开采后期，各监测点位移呈稳定收敛趋势，表明此时斜坡变形已趋于稳定，裂缝缓慢扩展。

4 斜坡裂缝形成机制

结合接娘坪变形体裂缝成因与数值模拟分析，认为平缓采动斜坡裂缝形成可分为以下3个阶段：

(1)开采扰动阶段。由于煤层地下开采，扰动了采空区上覆岩体，采空区覆岩在采动应力场和自重应力场共同作用下产生变形，顶板处形成弯曲下沉裂缝、覆岩出现离层等现象，边界处出现“V”型拉裂缝 (图12a)。

(2)坡顶拉裂阶段。煤层开采一段时间后，采空区顶板的原有支撑逐渐受到破坏或者撤除，采空区顶板冒落和弯曲下沉，采空区覆岩自下而上形成冒落区与裂缝区，并迅速沿陡倾结构面向上延伸，随着变形的继续发展，在采空区边界对应的坡顶形成较大裂缝 (图12b)。

(3)变形加剧阶段。煤层停采一段时间后继续在其他区域进行开采，同时民采煤层强度也开始加强，采空区顶板的冒落区和裂缝区继续扩大，采空之间的保留煤柱不能承受应力集中而被压碎，民采活动距离坡顶较近，这些因素加剧了覆岩向采空区方向移动，原有的坡顶裂缝增大。受临空面和采空区的影响，山体右侧的坡顶开始出现朝向右侧临空面的裂缝(图12c)，停采后斜坡趋于稳定，裂缝扩展趋于停止，斜坡GPS自动化监测表明，斜坡目前变形趋于稳定(史文兵等， 2014)。

5 结 论

(1)接娘坪变形体属于在平缓斜坡内由于地下采煤诱发的一种灾害体，其具有西南山区采动斜坡相似特点：高陡临空地形，“上硬下软”坡体结构，岩层倾角多为小于10°，坡体中陡倾节理面发育，坡体下部开采活动强烈。

(2)接娘坪变形体裂缝数量多，延伸方向大多沿已有优势结构面展布，裂缝分布大致在采空区上方或采空区边界对应部位。特殊的坡体结构、临空面条件及长期地下采煤活动，使得坡体中拉张变形裂缝发育并沿陡倾结构面急速发展、贯通，将坡体切割成大型块体。

(3)数值模拟研究表明，“上硬下软”型缓倾层状斜坡，受坡体内采空及高陡临空地形影响，斜坡覆岩沿节理开裂并一直向上延伸到地表，随着重复采动的进行，裂缝开裂程度增强，有向临空面倾倒破坏的趋势。与平原地区采动裂缝相比，山区采动斜坡没有明显的沉陷盆地，采空区边界处的宽大裂缝形成与地表第四系覆盖层薄、基岩陡倾节理发育、有利的临空面、重复采动等有关。

(4)斜坡裂缝形成演化过程包括开采扰动-坡顶拉裂-裂缝加剧3个阶段，在多煤层重复采动条件下斜坡裂缝变形经历4个阶段，即初始变形阶段、缓慢变形阶段、急剧变形阶段、稳定变形阶段。

上述观点是基于以接娘坪变形体为背景的概化模型得出的，供学术研究参考。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0775- 13

GENETIC MECHANISM OF MINING CRACKS OF GENTLY INCLINED SLOPE IN MOUNTAINS

SHI Wenbing①②HUANG Runqiu①ZHAO Jianjun①JU Nengpan①XIANG Xiqiong③

The mining slope in mountains area of southwestern China has some common characteristics. They include high and steep terrain，“hard stratum over soft stratum” slope structures， gently inclined strata， well-developed joints with high dip angle， and strong mining activities beneath the slope. The slope has not obvious movement basin. The slope cracks caused by underground mining are large and corresponding to the mined-out area. It has a complicated formation mechanism. This article takes the case of Jieniangping deformable rock mass in Guizhou province. It analyses the genetic mechanism of slope cracks using numerical simulation. Result shows that slope occurs cracks along joints and all the way to surface. Due to the impact of high and steep terrain and underground mining， the cracks continues to expand with repeated mining. The slope has a toppling failure trend toward surface. It proposes that slope deformation process includes three stages： mining disturbance， the tension at the crest， deformation increase through numerical simulation. Due to repeated mining in multi-coal strata， slope deformation has experienced four stages， namely initial deformation stage， constant deformation stage and accelerated deformation stage and stable deformation.

Gently inclined slope， Repeated mining， Mining cracks， Genetic mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.006

2016-05-09;

2016-07-19.

国家自然科学基金(No. 41372306)， 贵州省地质灾害监测预警与知识平台建设项目(Z117238)资助.

史文兵(1980-)，男，博士生，从事地质灾害机理方面研究. Email: wbshi2007@163.com

P642.21

A