重庆武隆庆口危岩形成机制及失稳模式探讨

陈 涛

(重庆市高新工程勘察设计院有限公司，重庆 401121)

0 引言

羊角场镇位于武隆区西北部约15 km，乌江下游左岸，319国道自场镇中部穿过。原羊角镇政府各部门、两个辖区村社及21家厂矿企事业单位，共计7 700余人分布在面积约3.3 km2的崩塌堆积体上。后方长约5.1 km的陡崖带上，共发育12个大型危岩体，总体积达1.350×107m3。庆口危岩即是其中的一个大型危岩体，位于陡崖带中间段，陡崖底部含0.4～0.6 m厚煤层，开采历史长达200余年，形成了大面积的采空区，一条长约525 m、宽1.2～5.5 m的裂缝，已将危岩体与山体完全分离，体积达1.87×106m3。经预测分析，危岩一旦失稳，将直接危及羊角场镇及乌江航道。2016年6月，武隆区对羊角场镇实施了整体避让搬迁，但仍有长约5 km的319国道、乌江航道处于危岩威胁范围内。

国内外学者从力学模型、监测分析、数值模拟等方面，对大型危岩体的形成机制及失稳模式进行了大量研究。研究表明，地下采矿是大型危岩发生崩塌的主要诱因[1-9]，暴雨[1-5]、岩溶[6-9]等对危岩失稳也有一定的影响。以鸡冠岭崩塌[3]、板岩山危岩[4]、望霞危岩[6]、普洒村崩塌[7]为代表的，发育在岩层反倾或切向陡崖上、受陡倾裂隙控制的危岩，失稳模式为倾到—崩塌型；以链子崖危岩[8]、鸡尾山崩塌[9]为代表的斜倾厚层山体，受构造裂隙与层面组合控制的危岩，失稳模式为滑移-拉裂型。

针对羊角场镇危岩，国内已有一些学者进行了研究。刘传正[10]研究指出，羊角陡崖带危岩开裂变形的主要诱因为陡崖带沿线下方长期采煤。王磊等[11]认为，羊角危岩体形成的控制因素主要有斜坡类型、软弱层岩体、块体结构、岩溶发育和长期无序采矿。邓兵等[12]分析认为羊角危岩体的形成主要与软硬相间的岩性组合有关，破坏模式为传统的倾倒、滑移、失稳模式。

从以上研究成果来看，羊角场镇危岩带的形成与长期地下采矿有着密切的关系，但对于如此大规模的危岩体，采煤活动是如何影响危岩形成的，其研究深度还不够，失稳模式的判断也缺乏针对性。鉴于庆口危岩失稳可能造成极大的人员伤亡和财产损失，对庆口危岩进行形成机制和失稳模式研究是十分必要的，以期为该危岩灾害防控提供依据。

1 危岩概况

1.1 地质环境条件

羊角陡崖带位于羊角背斜西翼，在地貌上呈多级夷平面，沿线分布3～5级灰岩质陡崖，呈两端高中间低特征。崖脚为长陡斜坡，坡表由崩塌堆积体覆盖，坡度一般25°～40°，最低处于乌江岸边，相对高差达900～1 220 m(图1)。庆口危岩处于陡崖带中间段，大致沿岩层走向310°～315°展布，顶面高程1 072～1 162 m，底面高程为1 029～1 120 m，危岩体长473 m，高28～128 m，最大宽114 m。由吴家坪组灰岩组成，危岩体底部可见厚3～8 cm炭质页岩，遇水易被软化，孕育形成危岩体滑动的底界面。其下方为厚约20～30 m灰岩，底部为粘土质页岩、炭质页岩，为小煤窑和石合煤矿采煤所在层位。

图1 羊角场镇地形地貌Fig.1 Terrains and landform of Yangjiao Town

从图2剖面看，受地下采煤沉降影响，危岩体整体向北东临空面发生了偏转，岩层产状也存在渐变，倾向自南东端325°向北西端逐渐降低至281°，倾角由19°逐渐减小至13°，逐渐接近岩层真产状。该段陡崖发育两组裂隙，其中，LX1产状28°～34°∠79°～88°，间距20～30 m，为一组近平行于陡崖方向的裂隙；LX2产状325°～338°∠81°～86°，间距40～70 m，为一组近垂直陡崖走向方向的裂隙。

1.2 采煤活动

庆口危岩段乱采的小煤窑达十余个，洞口水平间距约50～100 m，现仍可见5个坍塌的煤窑洞口。在洞口进入20～30 m就开始横向开采，均为无序开采，形成的采空区纵深约100 m。20世纪90年代以后，因采煤纵深太大，加上顶板塌落，人工无法继续采挖，小煤窑逐步停采。

石合煤矿于1978年建矿，1983年开始正式投产，生产能力0.85×104t/a，采矿主巷道向SW200°～210°方向延伸，形成的采空区边界至庆口危岩后方约420 m，该煤矿于2006年因矿产枯竭而关闭。据原煤矿工人介绍，石合煤矿与小煤窑在距离窑口约260 m附近掘通，形成统一相连的采空区。采空区内基本未设置保安煤柱，主要采用木柱简易支撑，受压折断现象严重。采空区范围见图3。

图2 1-1′地质剖面图Fig.2 The 1-1′geological profile

图3 庆口危岩正射影像Fig.3 Orthophoto image of Qingkou dangerous rock

1.3 变形情况

据当地人祖辈传说，在19世纪末，庆口一带的陡崖中发出轰鸣声长达3天，而后在陡崖顶部发现了长约100 m的裂缝。20世纪40年代，在庆口陡崖西北端发生一次大规模崩塌，体积达数万方，现可见停留于陡崖脚斜坡上的巨型块石。

据当地人介绍，崖顶裂缝在1996年以前宽度变化较小，上山小路可正常通行，1996—2002年间该裂缝快速增大，长度增长到525 m，宽度从30～70 cm急剧增加到1.2～5.5 m，必须搭桥才能通过。其中，AB段裂缝张拉错开1.9～5.5 m，中部B点岩体沿NE40°陡崖走向移动了约2.16 m，向陡崖方向张拉错开约1.25 m，北西向临空面底部可见挤压推移约60 cm，并且有岩体压裂现象(图4)。

自2013年以来，庆口危岩未见明显位移变形扩大迹象，但当地村民时常听见山体内传出岩体拉裂的声音。可以判断采空区域内岩体仍在进行应力调整。

2 形成机制分析

2.1 地质条件影响

由于朱家湾冲沟深切，造成庆口段陡崖与石合段断开，使得危岩在NW315°、NE40°两个方向上形成了高陡临空面，满足了产生危岩的空间条件。陡崖上部吴家坪组灰岩质硬，底部黏土质页岩、炭质页岩较软，具有典型的上硬下软结构特征，软岩在陡崖自重作用下压缩变形，并在陡崖顶部沿LX1延伸发育形成卸荷裂缝，发育深度受临空面高度控制，位于崖脚以上。在NW315°陡崖面可见3条由LX1延伸发展的裂缝，张开宽度较大，上宽0.2～0.5 m，向下渐变为2～10 cm，裂缝两侧岩体表面可见清晰溶蚀现象(图5)该地质环境条件有利于危岩的变形形成。

2.2 采煤诱发

根据庆口危岩段的采煤历史及采空区范围，在小煤窑采空区形成的200余年间，采进纵深约100 m，即危岩体下方50%～80%的煤层被采空；而随着石合煤矿于1983年开始沿岩层倾向自下而上向危岩体方向采进，形成采空区宽度约520 m，按照煤层密度为1.4 t/m3、平均厚度0.5 m计，按照匀速采进推算，则每年开采推进深度约为23.35 m，结合两个采空区的掘通位置，时间约需要11.13年，即1995年至2006年期间石合煤矿恰好在开采庆口段，这与庆口危岩体快速变形时间相吻合。显然，采煤活动为庆口危岩形成的诱发加剧因素。

图5 2-2′地质剖面图Fig.5 The 2-2′ geological profile

2.3 形成过程

随着小煤窑采空区的形成，在岩体自重力作用下，山体内部发生了应力调整，相应进行了一系列变形协调[13](图6)。由于小煤窑洞口段岩层明显薄弱，在两侧边缘产生了偏压，靠近临空面侧应力调整更大，加上裂隙切断了危岩体与稳定山体的联系，坡顶的张拉应力区恰好与开采边界上方的张应力区发生叠加，造成陡崖边缘的岩体发生外倾，卸荷裂隙宽度变大。此后采空区逐步扩大，卸荷范围逐渐向山体内部扩展。在此过程中，受构造裂隙的控制，主裂缝沿LX1发育，与LX2相互切割并在卸荷作用下相互追踪，直到危岩侧向裂缝贯通形成。典型的如侧向边界BC段，因裂缝沿两条LX1相互追踪，而在该段形成一段斜向突起。

图6 采动危岩应力及应变Fig.6 Stress and strain of miningDangerous rock

而后，随着石合煤矿采空区从形成，后部山体发生沉陷，导致侧向裂缝进一步张开达到数米，削弱了后侧稳定山体对危岩的约束，同时为地表水向下汇集至软弱层面提供了通道。

3 失稳模式分析

从图5来看，北东侧陡崖带中LX1间距达20～30 m，危岩体宽度达76～114 m，且侧向裂缝张开宽度大达1.2～3.5 m，无法充水形成稳定的静水压力，加上基座岩层反倾，不能满足危岩体倾倒失稳的条件，应为其他失稳模式。

3.1 类比分析

从图2北西侧陡崖带来看，岩层倾向与陡崖走向交角10°～30°，具切向坡结构特征，尤其在接近临空面段，视倾角接近真倾角。刘传正等在链子崖危岩变形机理研究中，提出了视向滑移理论[8]，并应用视滑力理论对鸡尾山崩塌进行了分析[9]。在此将庆口危岩和鸡尾山崩塌进行类比分析，发现两个危岩具有极大的相似性，即山体向临空方向张裂，侧向形成了贯通性宽大裂缝，并在危岩底部的炭质页岩中孕育了软弱夹层，且同样受地下采矿影响，判断两者具有相同的失稳模式。

3.2 力学模型分析

以C点为界，结合危岩体边界变形特征来看，由于中、后部岩层倾角相对较陡，达15°～19°，在自重作用下，成为驱动危岩体整体滑动的下滑块体，而向下岩层倾角逐渐变缓至11°，且岩体厚度由后向前逐渐增厚，呈现出显著阻滑效应。故从受力特征方面，将危岩体分为下滑块体和阻滑块体两部分；再从立体几何形态来看，下滑块体以B点为界，分为“三棱柱体”和“四棱柱体”两部分。共将危岩体分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区3个部分(图7)。

图7 危岩立体几何模型与受力图解Fig.7 Three-dimensional geometric model and stress diagram of Dangerous rock

其中，后部Ⅰ区以AB段张拉裂缝为界，长约273 m，宽约86 m，厚28～73 m；中部Ⅱ区以BC段侧向压剪裂缝为界，长约65 m，宽最大114 m，厚38～85 m；总体积约9.2×105m3。前部Ⅲ区以CD段侧向压剪裂缝为界，长230 m，宽82～88 m，厚54～128 m，体积约9.5×105m3。

3.3 稳定性评价

依据静力平衡条件，对各区块进行力的解析。

(1)Ⅰ区块体：在自重力作用下，侧向张拉裂缝不受力，岩体顺软弱层面滑动，受力解析如下：

N12=W1cosβ1

(1)

下滑力

S1=W1sinβ1

(2)

式中：N12——Ⅰ区块体软弱层面上的法向力/ kN；

W1——Ⅰ区块体自重力/kN；

β1——Ⅰ区块体层面倾角/(°)；

S1——Ⅰ区块体顺层面的下滑力/kN。

块体顺层面的剩余下滑力为

S1R=S1-(c2A12+tanφ2N12)

(3)

式中：S1R——Ⅰ区块体顺层面的剩余下滑力/kN；

c2、φ2——软弱层面的抗剪强度参数/kPa，/(°)；

A12——Ⅰ区块体危岩体与软弱层面的接触面积/m2。

将式(1)、(2)计算的值代入式(3)即可得到Ⅰ区块体剩余下滑力。

(2)Ⅱ区块体：在自重力及Ⅰ区块体驱动下，块体沿软弱夹层与侧向裂缝的交线方向滑动，受力解析如下：

N21sinα21+N22sinα22=W2cosβ2

(4)

N21cosα21=N22cosα22

(5)

下滑力

S2=W2sinβ2+S1Rcos(β2-β1)

(6)

块体顺交线的剩余下滑力为

S2R=S2-(c1A21+tanφ1N21+c2A22+tanφ2N22)

(7)

式中：N21、N22——分别为Ⅱ区块体作用在侧向面和软弱层面的法向力/kN；

α21、α22——分别为Ⅱ区块体两滑面交线的法线和滑面间的夹角/(°)；

W2——Ⅱ区块体的自重力/kN；

β2——Ⅱ区块体滑面交线的倾角/(°)；

S2R——Ⅱ区块体顺层面的剩余下滑力/kN；

S2——Ⅱ区块体顺层面的下滑力/kN；

c1、φ1——块体侧面的抗剪强度参数/kPa，/(°)；

A21、A22——分别为Ⅱ区块体危岩体与侧面和软弱层面接触面积/m2。

将式(4)、(5)联立解二元一次方程，可得N21、N22值，与式(6)求得值代入式(7)即可得到Ⅱ区块体剩余下滑力。

(3)Ⅲ区阻滑块体：在自重力及Ⅱ区块体驱动下，沿软弱夹层与侧向裂缝的交线向NW315°临空面方向滑动，受力解析如下：

N31sinα31+N32sinα32=W3cosβ3

(8)

N31cosα31=N32cosα32

(9)

下滑力

S3=W3sinβ3+S2Rcos(β3-β2)

(10)

Ⅲ区块体的稳定系数即整个危岩的稳定系数

(11)

式中：N31、N32——分别为Ⅲ区块体作用在侧向面和软弱层面的法向力/kN；

α31、α32——分别为Ⅲ区块体两滑面交线的法线和滑面间的夹角/(°)；

S3——Ⅲ区块体顺层面的下滑力/kN；

W3——Ⅲ区块体的自重力/kN；

β3——Ⅲ区块体滑面交线的倾角/(°)。

A31、A32——分别为Ⅲ区块体危岩体与侧面和软弱层面接触面积/m2。

将式(8)、(9)联立解二元一次方程，可得N31、N32值，与式(10)求得值代入式(7)可得到Ⅲ区块体剩余下滑力。参考文献[9]参数取值，将滑面参数c1=0、φ1=15°、c2=20 kPa、φ2=12°及各几何尺寸代入式(11)得危岩的稳定系数为1.047，表明危岩处于欠稳定状态。在软弱层面受水软化参数逐渐衰减情况下，稳定程度会进一步降低，将沿软弱夹层与侧向裂缝的交线方向滑移失稳。

与鸡尾山崩塌相比(层面倾角21°～35°)，庆口危岩段岩层层面总体较缓，且自后部向前部倾角逐渐变小，加上后部岩体体量小，下滑驱动推力小，驱动块体与阻滑块体的体积相当，这不利于危岩体滑动，其变形破坏模式是自后部向前部的累进式推移。

4 模拟验证

考虑到实际采煤过程的复杂性，在模拟过程中，对开采过程进行了一定的简化。采用null模型，先模拟小煤窑开采，自洞口开始，开挖深10 m的巷道，再每次采进30 m，分三次开挖至纵深100 m。后模拟石合煤矿开采，自下而上，按每次采进100 m，分6次将危岩下方采空。

4.1 材料及力学参数

根据危岩体相关岩土体性质，将模型简化成4种材料，物理、力学参数根据试验成果并结合经验综合确定(表1)。计算采用弹塑性本构模型，Mohr-Coulomb屈服准则。

表1 物理力学参数

裂缝形成后，由于局部被碎石土填充且厚度相对较薄，采用接触面单元模拟土体材料参数。计算模型见图8。

图8 计算模型Fig.8 Computational model

4.2 模拟成果及分析

小煤窑开采期间，受采空影响，危岩主要朝NE40°临空面方向变形，位移量总体较小，最大变形量发生在陡崖带中部，约8.96 cm，危岩体顶部位移量处于2.85～6.52 cm(图9)；后随着石合煤矿自下向上开采，危岩体的变形量快速增大，变形总体仍为朝NE40°临空面方向，最大变形量依然位于陡崖带中部，达56.37 cm，顶部变形量也达到32.68～42.64 cm，变形量总体相当，可有效促成构造裂缝张开，使侧向裂缝贯通(图10)；在侧向裂缝贯通后，危岩体位移方向转变为自南东端A点向NW315°临空面，变形量急剧增大，呈自后部A点向前部D点逐渐减小特征(图11)。其中，危岩体后缘A点变形量最大，达到5.139 m，前缘D点变形量为1.697 m，而底部E点(图4位置)位移量仅58.04 cm，变形量与现场测量数据接近。从变形量级看，危岩后缘的位移量是前缘的3倍，是前缘底部的近10倍，可见后部块体下滑驱动特征明显，前缘阻滑效应显著。

图9 小煤窑采空区形成后位移云图Fig.9 Displacement nephogram of mining goaf of small coal kiln

图10 石合煤矿采空区形成后位移云图Fig.10 Displacement nephogram of mining goaf after of Shihe coal mine

图11 危岩侧向裂缝形成后位移云图Fig.11 Displacement nephogram of dangerous rock after the formation of lateral crack

5 结论

(1)庆口危岩所在陡崖两侧临空的地形地貌条件、山体上硬下软的地层岩性组合、两组构造裂隙纵横切割而成的块状岩体结构，以及底部软弱夹层的存在是山体开裂滑移的主导因素，而地下采煤是危岩形成的诱发加剧因素。

(2)在庆口危岩形成过程中，采煤活动主要通过应力调整引发岩体协调变形，小煤窑的开采促进了山体向陡崖北东临空面外倾，而石合煤矿的开采促成了构造裂隙追踪贯通形成侧向裂缝。

(3)依据庆口危岩变形情况及几何形态，结合岩层倾角自后部向前部逐渐变缓特征，将危岩体分为下滑块体和阻滑块体两部分，并应用力学解析方式对其稳定性进行了分析，计算表明危岩现状处于欠稳定状态，其变形破坏方式是自后部向前部的累进式推移。

(4)数值模拟显示，小煤窑和石合煤矿采空过程中，庆口危岩体朝北东临空面方向外倾变形，在侧向裂缝贯通后，危岩体变形方向转变为向北西临空面视向滑移，位移量自后向前逐渐减小，呈现出中后部驱动、前部阻滑特征。