采空区上覆滑坡形成机制分析*

段鹏飞

(山西省煤炭地质资源环境调查院， 山西 太原 030006)

煤炭资源的地下开采，形成了大面积的采空区，可能诱发地面塌陷、地裂缝、滑坡、崩塌等地质灾害，造成重大人员伤亡和财产损失。比如，德国 Balkema 矿区、斯里兰卡高原矿区、澳大利亚Ok.Tedi和Porgera矿山滑坡都与地下开采有关[1]。国内湖北宜昌盐池河滑坡、陕西韩城象山滑坡、重庆武隆鸡尾山滑坡、阳泉矿区滑坡等地质灾害亦由采空区破坏所引起[2-6]。因而研究采空诱发山体滑坡的形成机制，对于预测和防治该类滑坡具有特别重要的意义。

对于采空区诱发山体滑坡的研究，Jones等采用数值模拟和物理模拟方法研究了加拿大 South Wales 滑坡，表明煤层开采使顶板产生拉应力[7]；古讯通过定性分析与变形观测相结合的方法，对韩城电厂滑坡的成因机制进行了研究[8]；梁明等结合滑坡学和开采沉陷学对地下采矿诱发山体滑坡的规律进行了研究[9]；周宏伟等运用物理模拟方法对覆岩采动裂隙的发育和分布特征进行了研究[10]；王玉川等采用定性分析和数值模拟的方法，研究了贵州马达岭滑坡的变形特征和成因机制[2]。

山西省喂马滑坡为典型的采空区破坏引起的岩质滑坡,本文以该滑坡为例，在详细查明滑坡工程地质条件的基础上，采用定性分析和有限元数值模拟的方法对滑坡的变形特征和形成机制进行了深入研究，验证了该滑坡的形成机制和致灾过程。研究结果对于预测该类斜坡变形破坏机制以及指导矿区地质灾害防治具有较大意义。

1 滑坡工程地质条件

喂马滑坡位于山西省和顺县，发生于 2013年08月 16日16点25分。滑坡区地貌类型属褶皱侵蚀中山区，微地貌类型为斜坡，斜坡东高西低，最高点位于斜坡坡顶，标高为1471 m，最低点位于斜坡坡底，高程为1436 m，高差35 m，滑坡剪出口高程为1437 m。滑坡发生后，滑体向前推进至宿舍楼前，阻断场区内部道路，所幸无人员伤亡。

滑坡区大地构造位于吕梁-太行断块之次级单元沁水块坳的东北部和太行山块隆的北部，地层总体上为走向北东-南西、倾向北西的单斜构造，地层倾角为8°～13°，平均10°。岩体受地质构造影响和风化作用较破碎，完整性较差。滑坡区属北暖温带大陆性季风气候，年平均降水量为537.5 mm，年最大降水量达 1069 mm，降水量主要集中在 6～9月份。

根据现场调查及勘查资料，滑坡区地层岩性顶部为第四系上更新统粉土，其下为山西组（P1s）地层，基岩裸露，由中薄层软硬岩互层组成，层间结合较差，主要由砂岩、泥岩和煤组成，岩层产状为165°∠10°。滑体平面形态呈不规则椭圆形，坡体主轴长62 m，宽约101 m，坡体厚度5～13 m，平均厚度9 m，体积约5.6×104m3，为小型基岩滑坡。坡体主滑方向260°，平均坡度30°，坡体后缘呈弧形，后壁错缝明显，高约0.23 m，前缘地层呈略翘起状态。

滑坡区采煤活动可追溯到20世纪90年代，小煤矿曾开采滑坡下伏的 3号煤层，煤层平均厚度1.56 m，埋深为30～62 m左右，形成了大面积采空区。开采方式为短壁式炮采，全部垮落法管理顶板。

2 滑坡结构特征

据现场调查，该斜坡坡向260°，地形上部稍陡，坡度约34°，下部相对较缓，坡度约25°。该斜坡是由硬岩（砂岩）、软岩（泥岩）组成的硬软岩互层结构缓倾斜坡。泥岩风化强烈，岩体较为破碎；硬岩节理发育，大体上呈次块状结构。根据岩性组合特征，斜坡上部及顶部，为第四系上更新统黄土，厚度约3.15 m，其岩性为粉土；在其下部，坡体由山西组地层(P1s)中薄层软硬岩互层组成，岩体较破碎。

岩体节理以 LX1(330°∠80°)和LX2(250°∠72°)两组“X”型共轭节理较为发育，LX1节理面一般平直光滑，LX2节理面局部呈锯齿状，张开宽度0.5～22.5 cm，节理缝局部见充填物，属张开型裂隙，具有延伸和穿层性。由图1可知，岩层倾角小于边坡坡度，不利于边坡的稳定，节理结构面组合有助于斜坡稳定。

图1 结构面组合赤平投影图

3 滑坡形成机制分析

3.1 滑坡的主要诱发因素

（1）煤层开采的影响。斜坡下覆 3号煤层厚度1.40 m，埋深约为30～62 m，采厚比小于45，属于浅采空区。从煤矿的采掘平面图可知，滑坡位于采空区范围内。煤层开采以后，采空区顶板产生压应力集中区，在上覆岩层的重力作用下向下发生弯曲变形，超越其屈服应力时，顶板错断，发生塌落，形成冒落带，引起上部岩层形成裂隙带和弯曲带。由于斜坡下覆煤层埋深较浅，坡体在下沉过程中产生拉应力，使斜坡后缘产生拉张裂缝，割裂了滑体后侧，使滑体抗滑力急速降低，坡体在重力作用下产生下沉变形而促进坡体的蠕滑。

（2）降雨的影响。研究区年平均降雨量为525～560 mm，降雨集中分布在6～9月份，占全年降雨量的70%以上，多为突发性强降雨，降雨沿着裂缝直接渗入滑动面，使滑带抗剪强度降低，加速了滑坡的滑动，是后期滑坡发生的重要诱发因素。

3.2 滑坡形成机制

该滑坡岩体主要为山西组软硬岩互层，通过地面调查和勘查可知：煤层的开挖和软岩的塑性变形，使坡顶形成平列式拉张裂缝，裂缝的走向与采空区的走向近似平行。裂缝随着采空区顶板的冒落破坏不断向深发展，当延伸至采空区的冒裂带内时，主滑面便基本贯通（见图 2）。此时坡脚岩体和坡体中部锚固段便会出现应力集中现象，在应力的不断累积和降雨的加剧作用下，坡体便会随着锁固段的突然剪断而快速启动，形成滑坡。此类滑坡的破坏模式可以概括为“塌落-拉裂-剪切滑移”。其发展过程可以分为以下4个阶段：

图2 采空区塌陷

（1）斜坡后缘拉裂阶段。该斜坡为下伏软岩的缓倾岩层，受重力控制，坡体内软岩受压发生塑性变形，引起斜坡顶部拉应力集中。煤层开采破坏了斜坡原来的力学平衡，引起斜坡应力重新分布，使坡顶拉应力增大，产生拉张裂缝。该阶段的致灾模式主要表现为采空塌陷及其衍生的地裂缝。

（2）蠕滑拉裂-剪切变形阶段。煤层开采后，采空区顶板的冒裂破坏以及上覆岩层的沉陷，使得坡体中部整体下沉，坡顶拉应力逐渐变大，裂缝向深不断延伸，同时雨水渗入裂缝，又产生静水压力和动水压力，促进裂缝继续扩展。上覆坡体在重力作用下向下错动，驱使斜坡体向凌空面移动，坡体两侧边界拉应力逐渐增大，形成拉裂缝，坡体继续向下蠕动，在坡脚受阻形成应力集中区，剪切变形进一步加剧产生鼓胀裂缝。该阶段致灾模式表现为由采空塌陷向滑坡过渡，灾害表现形式还是以地面塌陷为主，坡体的蠕滑是采空塌陷的附带效应。

（3）滑面贯通阶段。连续的降雨沿着滑坡后缘地裂缝进入坡体沿滑面运移，滑面的岩土体物理力学性质发生改变，滑面的抗剪强度显著下降，同时裂隙水的运移产生的水压力进一步加剧了坡体的变形，在坡体重力和裂隙水水压力叠加作用下，整个滑面逐渐贯通，表现为滑带中部锁固段被剪断，坡体侧边界裂缝与后缘裂缝贯通，斜坡前缘逐渐剪出，该阶段是滑坡从蠕滑走向整体破坏的关键阶段，滑坡后缘的地面塌陷及地裂缝切割了坡体，并为水的运移提供了通道，是滑坡最终发生的重要形成条件。

（4）整体破坏阶段。2013年8月，在持续降雨条件下，滑面贯通后，在滑体的重力作用和雨水的水压力复合作用下，应力得到充分释放，滑体整体下滑，阻断场区内部道路。此时致灾模式已经表现为滑坡的整体破坏。

3.3 数值模拟分析

3.3.1 模型建立及参数选取

本次研究采用Midas GTS NX软件对滑坡进行二维建模，通过分析斜坡在煤层开采前后坡体质点的位移、应力及应变变化情况来还原斜坡的致灾过程，揭示斜坡的形成机制。模型采用均质弹塑性材料，各岩土体层符合摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）强度准则。采用钻探、槽探等勘察手段进行岩土体取样，通过室内试验方式获得了岩土体的物理力学参数(见表1)。

表1 岩土体参数

3.3.2 模拟结果分析

（1）位移及应力分析。煤层未开挖前，整个模型的应力表现为在坡体自重作用下分布较为均匀，但在坡体中上部较为集中，同样坡体的变形也主要集中于坡体的中上部（见图3（a）），最大位移值约为0.92 cm，坡顶位移值约为0.15 cm，坡脚处位移约为 0.12 cm，主要表现为坡体在自重作用下的位移变化。煤层开采后，整个模型应力的分布与位移的变化，与煤层开采前相比发生了显著的变化。受煤层采空影响，开采后坡体强变形区域显著扩大，向坡顶、前缘、下部岩层延伸，出现了沿采空区顶板至斜坡表面的竖向下沉贯通区域，同时模型最大主应力转移至采空区上覆岩层以及采空区边界地带，超越采空区顶板屈服应力时，顶板发生塌落，采空区上覆岩层沿Z轴方向发生了一系列的连锁反应。主要表现为在斜坡滑向上，以Z轴为中心轴，以采空区左右边界地带为外缘，采空区上覆岩层发生了下凸的位移变形，位移值从Z轴到采空区左右边界呈现对称性变小趋势；另一方面，在采空区上覆岩层下沉变形中，牵动斜坡坡体向下蠕动，在斜坡后缘采空区影响范围内产生拉应力集中，在坡体自重和采空区破坏的叠加影响下，在坡体的中上部和顶部出现采空沉陷和拉张裂缝，模拟显示坡顶位移值达18 cm，坡体上部最大位移值为21 cm。上覆坡体在重力作用下向下错动，驱使斜坡体向凌空面移动，在坡脚受阻发生剪切变形，模拟显示坡脚处位移为5 cm（见图3（b））。数值模拟结果表明，斜坡最初的灾害表现形式是地面塌陷，坡体蠕滑的触发是采空塌陷的衍生效应；采空塌陷及地裂缝切割坡体，助力滑动面的形成，同时为水的运移提供了通道，后期降雨沿着裂缝渗入滑面，使滑带抗剪强度降低，滑面逐渐贯通，加速了滑坡的发生。

（2）应变分析。从图 4可知，随着煤层的开挖，坡体的剪应变发生的区域和强度都发生了较大的变化。坡体的剪应变在煤层开采前主要发生在潜在滑动带处，采空区形成之后，应变发生的区域显著增大，形成了变形贯通区，强度也显著增加，坡体相同位置的塑性应变峰值达到0.0038，是未开采前的2.92倍，表明采空区破坏是滑坡形成和发展的主要诱发因素。采空区形成之后，坡体发生不同程度的沉陷，使软硬岩之间的结合力不断削弱，上方坡体的塑性应变区域也在不断扩大，拉裂缝不断向深扩展，坡体在重力作用下向下蠕滑，在坡体中部锚固段和坡脚处产生应力集中，发生剪切变形，形成鼓胀裂缝。可见，数值模拟的结果与喂马滑坡形成机制的定性分析相吻合。后期在持续降雨条件下，当变形超过临界值时，坡体锁固段突然被剪断，此时应力便会迅速释放而引起坡体发生整体性破坏。

图3 滑坡位移矢量图

图4 滑坡等效剪应变图

4 结 论

（1）喂马斜坡主要由中薄层软硬岩互层组成，层间结合较差，岩层倾角小于边坡坡度，不利于斜坡的稳定，岩体发育两组节理，可分别形成斜坡变形破坏的后缘边界和侧边界。

（2）采空区上覆坡体的破坏模式可以概括为“塌落-拉裂-剪切滑移”，喂马斜坡最初的灾害表现形式是地面塌陷，坡体蠕滑的触发是采空塌陷的衍生效应；采空塌陷及地裂缝切割坡体，助力滑动面的形成，同时为水的运移提供了通道，后期降雨沿着裂缝渗入滑面，使滑带抗剪强度降低，滑面逐渐贯通，加速了滑坡的发生。喂马滑坡形成机制和致灾过程可分为4个阶段，即后缘拉裂阶段、蠕滑拉裂-剪切变形阶段、滑面贯通阶段、整体破坏阶段。

（3）数值模拟结果表明，煤层开采后，斜坡应力分布及质点位移发生了显著的变化，最大主应力转移至采空区上覆岩层以及采空区边界地带，引起顶板塌落，并形成沿采空区顶板至斜坡表面的下沉贯通区，在斜坡后缘产生拉应力集中区，最大剪应变贯通至地表，表明采空区破坏是滑坡形成和发展的主要诱发因素。