高陡山体下煤层重复采动诱发岩质斜坡变形破坏过程分析

田延哲

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

矿山开采引起的山体滑塌是目前采动损害中的主要灾害之一，山体下采矿诱发斜坡变形失稳案例日益增多[1-2]，重庆鸡尾山滑坡[3-4]、开阳磷矿崩滑[5]、马桑湾滑坡[6]等均为此类采动斜坡失稳的典型实例。此类滑坡最重要的诱发因素为地下采矿，地下开采使上覆岩体出现弯曲变形，在地表形成多条裂缝，再加上降雨作用，使得斜坡失稳破坏形成滑坡或崩塌，给当地群众生命财产安全造成严重影响。

许多学者对高陡地形地质条件下采矿与坡体失稳的关系问题进行深入探讨。董金玉等[7]、黄平路[8]利用有限元数值模拟研究了采矿导致的山体崩塌机理，提出了崩塌形成力学研究理论；邓广哲[9]、陈智强等[10]等对矿区开采与地表移动变形和高边坡崩塌灾害演化形成的机理进行了分析，其结论对高陡山体边坡灾害防治有一定参考价值；王超等[11]采用物理模拟手段深入分析了地下采矿引起的地表变形陷落特征和采空区围岩的变形和破坏特征，获得了许多数值模拟研究无法得到的颇具启发性的全新认识；涂鹏飞[12]通过物理模型试验对三峡链子崖危岩体的变形机制进行了研究，认为随着开采工作面的推进，采空区上覆岩体在垂直方向和水平方向上均会张性裂缝，破坏了坡体的整体性。殷跃平[13]运用FLAC3D研究了西南山区斜倾厚层山体视向滑动并转化为高速远程碎屑流的新型失稳模式，并提出以前缘阻滑的“关键块体”为重点的防治措施；王玉川[14]通过3DEC 研究了滑坡体在地下采掘作用下的失稳破坏过程，提出了“前缘关键块体外侧局部崩塌→后缘坡体整体滑动→岩溶带剪断突破失稳”破坏模式。李腾飞[15]以重庆武隆鸡尾山崩滑灾害为例，采用基于连续介质的离散元方法，建立鸡尾山崩滑体大型三维数值模型，再现滑坡体在地下采掘作用下的失稳破坏过程，研究地下采掘对坡体应力场和位移场的影响，分析崩滑体的形成机制与运动规律。

总结学者的研究成果，大都考虑单个煤层开采条件下地表移动变形破坏特征研究的，分析方法主要是采用二维极限平衡法和赤平投影法，数值模拟法分析稳定性目前还是在发展中。然而由于西南地区地质条件决定其矿区大都开采多层煤，现有研究成果表明[16]重复采动条件对地表的变形与破坏更加严重。考虑多层煤重复采动条件下岩质斜坡变形破坏过程对西南山区煤矿的可持续发展具有重要的意义。以贵州盘江地区发耳煤矿北翼高陡山体下煤层重复采动为研究对象，在地质调查与测绘的基础上，通过分析地层产状、自然坡体坡向与裂隙产状三者之间的空间关系，得出主控结构面的产状；根据实际的采矿顺序和地下采空区的空间分布，基于离散单元法，选择典型剖面对煤层重复采动诱发山体变形破坏过程进行了模拟，对采动诱发岩石裂纹扩展到地表渐进开裂过程进行了分析，并从变形和应力的角度对梯子崖破坏的机制进行了详细的分析。

1 地质与采矿条件分析

发耳煤矿五盘区位于贵州高原西部，河流北侧山体是典型的上硬下软、上陡下缓的“二元山体结构”，从某河床至五采区北边界最大高差800 m。随着五盘区高陡山体下煤炭资源大量开采，上覆岩体在拉、剪应力作用下发生不连续的变形破坏，地表将发生不均匀沉降变形，产生大量采动裂缝。在重力、降雨及震动（矿震及地震）等外界因素影响下，一旦受损山体发生崩塌、滑坡地质灾害，将堵塞某河床，直接威胁某河床南侧的矿山设施及人民生命财产的安全，潜在的地质灾害危险性大，后果严重。

1.1 地质条件和采矿条件

发耳矿五盘区地层走向N55°～60°E，倾向北西，倾角8°～28°为平缓的单斜构造。地层主要有二叠系上统玄武岩组（P3β）、龙潭组（P3l）、三叠系下统飞仙关组（T1f）、永宁镇组（T1yn）及第四系（Q4dl+el），含煤地层为二叠系上统龙潭组上段（P3l3）。

五盘区设计生产能力为90 万t/a，服务年限约为64 年。开采煤层为二叠系龙潭组1、3、5-2、5-3、7煤，煤层厚度0.88～3.61 m，层间距5～35 m，埋深120～1 250 m，采用走向长壁采煤法，工作面长度180 m，年推进长度1 500～2 200 m，俯斜开采，全部垮落法管理顶板。五盘区可采煤层特征表见表1。

表1 五盘区可采煤层特征表Table 1 Characteristics of minable coal seams

五盘区煤层倾角为8°左右，为近水平煤层，划分2 个水平（+780 m 和+650 m 水平），即五上采区及五下采区。五上采区与五下采区留设20 m 保护煤柱，由保护煤柱向两边回采。以保护煤柱为界，五上采区向上开采（深部到浅部回采方式）；五下采区开采顺序由上向下开采（浅部向深部回采）。

1.2 危岩体岩体结构特征

危岩位于五采区北侧附近，受区域构造和风化剥蚀的影响形成危岩，危岩长420 m，危岩顶部到斜坡脚标高1 700～1 530 m，高差170 m，危岩由三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1）石灰岩组成。岩层倾向310°，倾角11°。危岩带发育2 组裂隙：Ⅰ组裂隙1倾向273°、倾角85°，裂隙2 倾向93°、倾角75°，延伸长度12.50 m，宽度0.25 m，裂面较平直，裂隙间距1.50 m，充填黏土及石块等；Ⅱ组裂隙1 倾向250°、倾角70°，裂隙2 倾向160°、倾角78°，延伸长度5.20 m，宽度0.20 m；裂面较平直，裂隙间距2.50 m；充填黏土及石块等。Ⅰ组和Ⅱ组裂隙赤平投影图见表2 和表3。可得出Ⅱ组裂隙1 成为外倾不利结构面，易发生倾倒式崩塌。根据现场调查梯子岩危岩带整体处于基本稳定状态。

表2 Ⅰ组裂隙赤平投影图Table 2 Stereographic projection of group I fractures

表3 Ⅱ组裂隙赤平投影图Table 3 Stereographic projection of group Ⅱfractures

2 重复采动条件下坡体变形破坏过程分析

研究区北翼山体地形起伏大，地层倾向与坡面相反，采动地表裂缝会将上覆岩层切割为大小不等的块体。这些原生的结构面及采动结构面对岩体在静力和动力荷载作用下的力学行为起主导作用，为不连续介质问题。因此，需采用离散单元法对此进行模拟研究。

2.1 计算方案

1）模型建立。依据工作面布置及山体形态，建立的计算模型如图1。

图1 计算模型Fig. 1 Calculation Model

2）本构关系及力学参数。块体本构采用摩尔-库仑强度准则。节理本构采用接触－库仑滑移模型。

3）边界条件。模型设置为二维平面应变，底边界设置为y 轴方向约束，沿x 轴方向自由。荷载：重力，方向为y 轴方向。

2.2 采动诱发裂纹扩展过程分析

1#煤采掘完后位移云图如图2。根据1#煤采掘完模拟结果可以看出，1#煤开采完后，湾河北侧1 300 m 高程以下砂泥岩层塑性区形成，地表水平位移0～-4 m，地表纵向位移0～-2 m；1 300 m 高程以上灰岩层受采煤活动影响，地表水平位移0～-4 m，地表纵向位移0～-3 m。

图2 1#煤采掘完后位移云图Fig. 2 Displacement nephograms after 1# coal mining

3#煤采掘完后位移云图如图3。根据3#煤采掘完模拟结果，湾河北侧1 300 m 高程以下砂泥岩层塑性区形成，地表水平位移0～-3 m，地表纵向位移0～-3 m；1 300 m 高程以上灰岩层受采煤活动影响，地表水平位移0～-5 m，地表纵向位移0～-6 m。

5-2#煤采掘完后位移云图如图4。根据图4 可知，湾河北侧，1 300 m 高程以下砂泥岩层塑性区形成，地表水平位移0～-4 m，地表纵向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰岩层受采煤活动影响，地表水平位移0～-6 m，地表纵向位移0～-7 m。

5-3#煤采掘完后位移云图如图5。根据图5 可知，湾河北侧1 300 m 高程以下砂泥岩层塑性区形成，地表水平位移0～-4 m，地表纵向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰岩层受采煤活动影响，地表水平位移0～-7 m，地表纵向位移0～-8 m。

图3 3#煤采掘完后位移云图Fig. 3 Displacement nephograms after 3# coal mining

图4 5-2#煤采掘完后位移云图Fig. 4 Displacement nephograms after 5-2# coal mining

7#煤采掘完后位移云图如图6。根据图6 可知，湾河北侧1 300 m 高程以下砂泥岩层塑性区形成，地表水平位移0～-4 m，地表纵向位移0～-4 m；1 300 m 高程以上灰岩层受采煤活动影响，地表水平位移0～-8 m，地表纵向位移0～-10 m。

3 重复采动条件下坡体变形破坏演化过程分析

图5 5-3#煤采掘完后位移云图Fig.5 Displacement nephograms after 5-3# coal mining

图6 7#煤采掘完后位移云图Fig. 6 Displacement nephograms after 7# coal mining

地下开采影响下高陡边坡岩体变形示意图如图7。分析井采影响下边坡变形破坏机理：从井采区下山方向岩移边界线AB 至上山方向岩移边界线EF，ui和wi之间的夹角逐渐增大，经过走向主断面后，在某一位置上两矢量之间的夹角将大于90°，此时，两矢量合成后开始相互抵消一部分，且随着其夹角的增大，相互抵消越多，合成矢量逐渐变小。采动影响域内岩体下沉具有如下规律：从EF 至CD 间区域，下沉值呈递增规律，其变形结果使边坡角减小，有利于边坡稳定；CD 至AB 间区域下沉值呈递减规律，变形结果使得该区域坡角增大，不利于边坡稳定。在地下采区下山方向的最大拉裂缝，极易构成滑坡体的后缘，同时沿着地下采区倾向边界线附近的拉裂缝，构成滑体的侧边缘，使得滑体与滑床分离，减少侧阻力，特别是地下采区逐渐扩大，煤层重复采动情况下，可能构成滑坡内因，导致滑坡。（ui为边坡效应引起的位移矢量，wi为由地下采动引起的位移矢量，vi为两者叠加后的位移矢量）。

图7 地下开采影响下高陡边坡岩体变形示意图Fig. 7 Rock mass deformation of high and steep slopes under the influence of underground mining

根据梯子岩的工程地质条件和岩体结构特征，结合重复开采条件下变形破坏特征，得到重复采动下坡体的变形破坏过程如下。

1）煤层开采初始变形阶段。即坡体下伏煤层被开采，形成大面积采空区，由于保留的煤柱不能长期承受上覆岩体传递下来的自重压力而变形，经过一定时间的发展最终被压碎，失去支承作用，导致采空区大面积发生塌陷，坡体内部自下而上形成冒落坍陷区和裂缝区。

2）重复开采导致坡体沉陷开裂阶段。随着煤层的重复开采，采空区坍陷影响范围逐渐向上发展，整个坡体产生不均匀沉降，岩体沿陡倾结构面发生错动，导致坡表出现裂缝。

3）坡体整体失稳垮塌阶段。崩塌发生在中厚层状的灰岩地层，岩体坚硬，形成的坡体陡峻，平均坡度在70°以上，邻空条件良好。煤层开采引起的坡体不均匀沉降使得岩体之间发生错动开裂，坡表裂缝沿陡倾结构面逐渐向下扩展，将岩体切割呈柱状的同时提供了崩塌的边界条件。同时在采空区坍陷引起的坡体变形调整过程中，由于坡表无约束属于自由边界，坡体会向坡外发生一定的变形，加之差异风化、降雨等因素的作用使得开裂岩体的重心出现外移，在自重弯矩的作用下最终发生倾倒破坏。

4 结 论

1）发耳煤矿五盘区北侧山体山高坡陡，陡倾坡体中发育大量节理，坡体下开采5 层煤，重复采动效应明显，具有西南山区采动斜坡的地质特征，潜在的地质灾害危险性大，应引起足够重视。

2）通过赤平投影法分析地层产状、自然坡体坡向与裂隙产状三者之间的空间关系，得出Ⅱ组裂隙1 成为外倾最不利结构面，易发生倾倒式崩塌。

3）根据实际的采矿顺序和地下采空区的空间分布，基于离散单元法，对煤层重复采动诱发山体变形破坏过程进行了模拟，得出受重复采煤活动影响，该山体最大水平位移8 m，最大纵向位移10 m，山体易发生崩塌式破坏，地质灾害风险极大；同时通过分析不同煤层开采后山体的变形特征，可以得出山体的破坏程度与重复采动次数密切有关。