黄土沟谷区浅埋煤层开采斜坡变形破坏机理

刘志辉，吕义清

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)

山西省西北部黄土分布广泛，沟谷交错地形复杂多变，煤田分布范围较广，黄土沟谷区内崩塌、滑坡与采空塌陷等地质灾害发育。对于不同开采条件下采动斜坡的变形特征、破坏机理及稳定性，相关学者采用数值模拟、相似材料模拟、理论分析等方法进行了研究[1-4]。另外，针对沟谷区浅埋煤层开采时围岩应力场分布与矿压显现基本规律[5-9]、采动裂缝形成机理[10，11]、地表损害及防治[12]等，相关学者也进行了大量的研究工作。现有研究一般将地表沟谷地形简化为二维平面，而沟谷区域采动边坡的变形破坏是涉及到井上下三维空间内的动态过程[13，14]，且现有研究中工作面推进方向多为近于垂直于沟谷走向[15，16]，对于工作面推进方向近平行于沟谷走向条件下斜坡变形破坏机理研究较少。以隆安煤矿深岩沟区域8#煤层开采工作面煤岩层地质赋存条件为背景，采用三维数值模拟与理论分析相结合的研究方法，研究了采动过程中煤层上覆岩体应力分布特征及沟谷两侧坡体的应力及位移变化规律，为黄土沟谷区域地质灾害评价、采动边坡变形破坏预测以及地表保护提供借鉴。

1 研究区概况及边坡变形特征

泰山隆安煤矿位于保德县东南部即桥头镇北部，井田地处晋西北黄土高原，黄河中游峡谷的东岸，地表多为第四系黄沙土覆盖，因受风雨侵蚀，形成了支离破碎的复杂地貌，地形起伏较大，冲沟发育，冲沟中可见零星的基岩出露。深岩沟位于矿区西南部，两侧沟坡的峰谷落差达到60～100m，坡体岩性均为Q3黄土和N2b红土，未见基岩出露。沟谷下方煤层开采方式为长壁式开采，主要开采8#煤层，布置有8201、8202两个工作面，工作面间巷道护巷煤柱宽40m，工作面长度为180m，8201工作面推进长度为450m，8202工作面推进长度为550m，采高4m，采用全部垮落法管理顶板，深岩沟区域工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置平面

西北侧谷坡高约50m，坡体下部较陡，上部较缓，平均坡度约40°，坡体上沿工作面推进方向发育数条延伸方向近平行的下错裂缝，裂缝长度15～30m，下错裂缝两侧最大落差可达0.5m。采空区上方坡体发生整体下沉，坡体后缘有拉张裂缝发育。坡体前缘土体被裂缝切割破碎，多处发生小规模崩塌，坡脚处有大量堆积物。东南侧谷坡高约80m，平均坡度约60°，坡体两侧有两条冲沟发育，在8202工作面推进过程中坡体曾发生滑坡，坡体下方堆积体已被清理。目前，坡体上部发育有多条裂缝，宽度0.2～0.5m。坡体后缘有拉张裂缝发育，后缘裂缝即将贯穿至坡面处。

2 数值计算模型及参数

根据深岩沟区域8#煤层开采工作面的地质条件和煤岩层地质赋存条件，使用MIDAS GTS NX有限元数值模拟软件建立三维数值模型，其中X正方向为正东方向，Y正方向为正北方向。数值模型的尺寸为600m×650m×200m，8201和8202工作面长度为180m，8201工作面模拟设定推进长度为450m，8202工作面模拟设定推进长度为550m，分为20次开挖，每次开挖长度为50m。模型四周采用横向位移约束，底面为固定约束，模型采用莫尔-库伦屈服准则。模拟开挖时首先使未开采时模型各个方向位移都为零，对模型进行原岩应力计算平衡，然后分阶段对8#煤层进行开采，开采顺序为8201工作面→8202工作面，沿Y轴正方向推进。三维数值计算模型如图2所示。

图2 三维数值计算模型

模型地层共分为8层，单元网格长度设置为10m，模型共划分了60113个节点，77252个单元，根据钻孔取样的室内岩土力学测试结果、项目区地质勘查报告顶板并结合经验值，模拟选取的各地层物理力学参数见表1。

3 上覆岩土体应力分布规律及破坏机理

煤层开采后，采空区顶板岩层失去支撑，在自重和上覆岩土体荷载共同作用下煤层顶板发生弯曲变形。随着工作面的推进，顶板弯曲变形程度逐渐加深直至破断冒落，上覆岩体随之移动变形。深岩沟区域8#煤层埋深约50～120m，属浅埋煤层，其中上覆基岩厚度约30m，谷底Q3黄土和N2b红土覆盖层最薄处厚度约15m，谷峰Q3黄土和N2b红土覆盖层最厚处厚度可达90m。8#煤层直接顶极薄随着煤层开采直接发生垮落，基本顶岩性为粉砂质泥岩，厚度约15m，占到上覆基岩总厚度的50%，为承压关键层。当煤层顶板为坚硬较厚岩层时，顶板岩梁受力特征区别于一般长梁结构，岩梁初次破断跨距较大，顶板初次断裂位置承受相邻岩块的挤压作用并在岩梁嵌固端处出现剪应力集中。

表1 煤层及覆岩物理力学性质

工作面推进过程中覆岩拉应力分布特征如图3所示。由数值模拟计算结果可知，在工作面推进到50m时，采空区两端处表现为压应力集中，顶板岩梁在自重和上覆荷载作用下发生弯曲。顶板岩梁在上部荷载作用下处于双向受拉状态，最大拉应力为305kPa，位于顶板岩梁跨中下表面处，在顶板岩梁嵌固端处出现小范围剪应力集中。工作面推进到100m时，顶板岩梁所受拉应力增大，最大主拉应力为1565kPa，超过顶板岩体的容许抗拉强度时，顶板岩梁跨中处下表面在拉应力作用下产生竖向裂缝，岩梁主应力随之重新分布，最大拉应力位置上移。顶板岩梁嵌固端处剪应力也随着煤层开采增大，当岩体所受的最大剪应力超出其极限抗剪强度，岩梁嵌固端沿最大剪应力方向便会发生剪切破坏，产生剪切裂隙。同时，采空区四周岩土体受采空区影响向采空区中心方向移动，在顶板岩梁外侧上部出现拉应力集中区。当工作面推进到200m时，最大拉应力为2473kPa，位置上移至顶板上部，顶板岩梁竖向裂缝贯穿整个顶板，顶板岩梁发生初次断裂。

图3 覆岩主应力分布

随着工作面继续推进，顶板岩梁发生周期性破断，上覆岩层随之发生弯曲变形。当上覆岩层变形达到一定程度时发生破断并产生离层和垮落断裂落差，在断裂岩块边缘，N2b红土层受到岩体的集中力。由于N2b红土层厚度较大且抵抗变形能力较强，该层不会发生突变失稳，而是以蠕变方式缓慢失稳，发生整体的弯曲下沉。而Q3黄土因其结构松散，抗拉变形能力和抗剪能力差，在采动拉应力作用下易于形成地表裂缝等，并诱发坡体发生崩塌、滑坡。

4 斜坡变形破坏机理

4.1 斜坡位移分布规律

沟谷两侧斜坡位移以竖直方向为主，斜坡水平方向位移均指向采空区中心，两个工作面采完后地表位移分布如图4所示。

图4 工作面开采完成后地表位移

在X方向上，西北侧谷坡的顶部和东南侧谷坡下部产生正向的水平位移，最大位移约为0.125m。西北侧谷坡下部和东南侧谷坡坡顶产生了负向的水平位移，最大位移值约为-0.155m。在Y方向上，最大位移值分布在采空区两端，随着工作面的推进，最大位移值向工作面推进方向移动。Y正方向最大位移约为0.090m，分布在采空区南端处，Y负方向最大位移约为-0.063m，分布在8202工作面北端处。在Z方向上，随着工作面的推进，地面沉陷范围不断扩大，沉陷中心向工作面推进方向移动，地表总位移等值线由“O”字形扩大近似椭圆形，地表竖向最大位移值达到-0.340m左右，位于8201工作面开采后的采空区中心处上方。

4.2 斜坡变形破坏特征

岩层的弯曲下沉向上传递到地表坡体中，改变了坡体原有的应力平衡状态，引起坡体失稳破坏。由斜坡位移分布规律可知，在X方向上深岩沟两侧坡体中上部产生指向沟底的水平位移，可能发生整体的滑移或崩塌，故选取Y=300m典型剖面对采动影响下沟谷两侧斜坡变形破坏特征进行分析，如图5所示。根据数值模拟计算结果，沟谷两侧坡体根据变形特征可分为4个变形区，如图5(b)所示，A区位于采空区正上方的覆岩处，高度约30～40m，主要变形特征为采空区上覆岩层在采空区和重力的作用下向下发生冒落崩塌。B区位于采空区中心覆岩上方的的坡体中，主要变形特征为坡体松散土体受覆岩变形的影响发生竖向的弯曲沉陷，该区域坡体位移以竖向位移为主，水平位移较小。C区位于松散土体弯曲沉陷区和地表移动边界之间，主要由于A，B区岩土体向下沉陷时对C区的坡体产生一定大小指向采空区中心的单向拉应力，导致C区产生拉应力集中，坡体向采空区倾倒，表现为指向采空区中心的水平位移和一定的竖向位移。D区位于地表移动边界之外，基本不受采动的影响，位移值接近于0。

图5 Y=300m剖面边坡总位移分布

4.3 斜坡破坏机理

通过对采空区上覆岩土体的应力分布规律及破坏机理、斜坡位移分布规律及变形破坏特征的分析，得出沟谷两侧斜坡的变形具有渐变性，斜坡的失稳破坏过程可以分为4个阶段。

1)中部沉陷阶段：煤层开采以后，上覆岩层发生弯曲变形，当变形累积到一定程度时岩层发生断裂，上覆松散土体随之发生弯曲变形，采空区上方坡体发生不均匀下陷，采空区四周土体向采空区中心处移动。

2)两侧及后缘拉裂阶段：因地表发生不均匀沉陷，最大下陷值位于采空区中部，坡体上部土体在拉应力作用下倾向坡外，沿采空区推进方向采空区两侧土体向采空区中心处移动，在斜坡两侧及后缘产生拉裂缝。

3)剪切变形阶段：斜坡从后缘及两侧拉裂部位开始发生整体变形，中部坡体在上部挤压力的作用下缓慢蠕变，拉裂缝逐渐向斜坡内部发展，降雨进一步加快了裂缝的发育。同时，坡脚土体在采空区作用下向斜坡内移动，坡体前缘受到双向的挤压作用，产生剪切变形。

4)斜坡失稳破坏阶段：坡体前缘在剪切作用下发生小规模的滑动或崩塌，当坡顶的拉张裂缝与前缘的剪切裂缝逐渐贯通时，坡体将会产生整体滑动。

5 结 论

1)煤层开采后，采空区顶板岩层失去支撑，顶板岩梁在上部荷载作用下处于双向受拉状态，最大拉应力位于顶板岩梁跨中下表面处；在顶板岩梁嵌固端处出现小范围剪应力集中；顶板断裂后，采空区上方岩土体随之发生弯曲沉陷，采空区四周岩土体向采空区中心方向移动。

2)数值模拟结果显示，沟谷两侧斜坡位移以竖直方向为主，斜坡水平方向位移均指向采空区中心；沟谷两侧坡体根据变形特征可分为4个变形区：采空区上方一定高度范围内的覆岩冒落塌陷区；采空区中部上方的松散土体弯曲沉陷区；松散土体弯曲沉陷区和地表移动边界之间的拉裂-倾倒区；地表移动边界之外的未影响区。

3)沟谷两侧斜坡的变形具有渐变性，采动斜坡的失稳变形过程简述为：采空区上覆岩层破断后，上方坡体发生不均匀下陷；采空区四周土体发生指向采空区中心的倾倒破坏，在拉应力作用下斜坡两侧及后缘产生拉裂缝；中部坡体在中部坡体在上部挤压力的作用下缓慢蠕变，坡脚土体在采空区作用下向斜坡内移动，坡体前缘受到双向的挤压作用，产生剪切变形；随着坡顶拉张裂缝与前缘剪切裂缝的进一步发展，坡体将会发生整体变形。