贵州山区煤矿采动引起地表斜坡变形失稳机理研究

李官博　彭大江　王加双　李元武

摘要：本文以贵州省都匀市某出煤洞坡为研究对象，介绍了坡体变形特征，分析了斜坡变形失稳机理，结果表明，斜坡变形过程可分为开采扰动、坡顶拉裂、变形加剧、蠕滑变形等四个阶段。

关键词：山区;斜坡;变形;失稳机理

1    工程概况

我国陆地存在大量山岭，斜坡失稳的灾害每年都有发生，且种类众多、分布范围广，特别是西南山区，地质灾害最为严重，也是世界上山区斜坡失稳较为严重的地区之一。贵州省都匀市某区域煤洞坡范围内存在多个生产矿井，主采A7、A9煤层，由于长期的采动影响，斜坡体出现了多处裂缝，甚至有个别小型崩塌发生。根据有关部门的地质调查发现，该煤洞坡存在“接娘坪”和“立山坡”两个比较大的变形体单元，如图1所示。其中，“接娘坪”变形体单元有4条比较宽的主裂缝，并发育出大量次级裂缝，整体变形剧烈;而“立山坡”变形体单元未形成宽的主裂缝，只有小型裂缝发育。总体而言，煤洞坡变形主要为裂缝，仅有个别崩塌发生。

经过调查研究发现，裂缝大致分布在地下采煤工作面形成的采空区上方或采空区边界对应的地表区域，说明裂缝的发育与地下采煤的关系密切。进一步调查发现，“接娘坪”变形单元附近多为私企开采的小煤洞，而“立山坡”变形单元附近仅有规模开采的正规企业，说明小煤洞的乱采乱挖对地表裂缝的形成影响更大。本文在此基础上，对煤洞坡变形体的形成机理进行分析。

2    煤洞坡变形体形成机理分析

贵州省山区地貌为典型的峰丛地貌，在流水、强降雨等作用下容易发生滑坡、泥石流等地质灾害，而在采动影响下，斜坡体变形机制变得更为复杂，破坏性也更强，地质灾害的规模也更大。国内众多学者对采动引起的煤洞坡变形特征及失稳机理也开展了大量研究，根据岩体结构、斜坡体构造、煤矿开采工况等条件不同，针对性地提出了煤洞坡失稳的多个模式，如谷德振等人提出金川露天矿边坡变形失稳机制为“倾倒-滑移式”，孙玉科等人提出盐池河山体变形失稳模式为滑移-倾倒崩塌，黄润秋、林锋、赵建军等人提出的贵州省采矿诱发“采空区”控制型崩滑灾害的形成机理等。概括而言，目前提出的煤洞坡失稳机理可分为4类，即：塌陷-拉裂-剪断（滑移）、塌陷-拉裂-倾倒、拉裂-蠕滑-剪断和拉裂-滑移-倾倒。从各失稳机理的描述过程判断，本文上述提到的煤洞坡斜坡的变形失稳机理为“拉裂-蠕滑-剪断”，其走向上的变形过程可分为四个阶段，如图2所示。

（1）开采扰动阶段

由矿山压力与岩层控制相关理论可知，煤洞坡区域长期开采A7、A9煤层，地下形成了大范围的采空区，采空区上覆岩层在重复采动影响下受到严重扰动，使其在自重应力和采动应力的叠加作用下发生严重变形，进而在煤层上覆岩层中不断形成裂缝，岩层之间出现离层等现象，诱发斜坡体内开始出现缓慢的变形现象。

（2）坡顶拉裂阶段

由于该区域煤矿回采均使用全部垮落法处理采空区，随着A7、A9煤层中工作面的不断回采推进，采空区原有支护结构逐渐破坏，采空区上覆岩层在周期压力的作用下逐步冒落或发生弯曲下沉，即形成采空区上覆岩层“三带”。当关键层垮落后，采空区顶板自下而上形成的冒落区与裂缝区开始迅速沿陡倾结构面向上延伸，随着垮落范围越来越大，冒落区与裂缝区向上发展直至地表，在采空区边界对应的坡顶区域形成裂缝，并不断发展。

（3）变形加剧阶段

当A7、A9煤层资源逐渐被回采完毕，多个煤矿开始回采A4煤层。A4煤层位于A7煤层上方，距离地表较近，回采前在下方A7、A9煤层的重复采动扰动下，煤体及顶底板岩层已经受到结构破坏。当A4煤层不断回采后，原有冒落区和裂缝区进一步扩大，工作面之间留设的保护煤柱因不能承受高应力而被压碎，加剧了冒落范围继续向地表的延展发育，煤层顶板裂缝继续增大，在坡顶前缘局部出现拉裂倾倒失稳崩塌。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。

（4）蠕滑变形阶段

A4煤层中的工作面保护煤柱在长期应力作用下也逐渐被压碎，导致A4煤层顶板由弯曲下沉开始产生冒落，原有的采空区边界裂缝继续扩大。覆岩在多次高强度重复开采扰动后，内部裂隙发育，降雨沿坡表裂缝渗入坡体内，并在采空冒落区汇集，促使斜坡以裂缝为界向两侧临空面蠕滑变形。覆岩向左侧蠕滑过程中受到了山体的阻挡，向右蠕滑则受到岩体裂隙发育程度低和坡表边界煤柱的限制。见图2。

同理，煤洞坡变形体在倾向上形成过程也可以分为开采扰动阶段、坡顶拉裂阶段、变形加剧阶段、蠕滑变形阶段四个阶段，但在蠕滑变形阶段裂缝的性质上有所差别。在进入变形加剧阶段以后，A4煤层顶板由弯曲下沉开始产生冒落，导致采空区边界裂缝继续扩大，裂缝同时向采空区和临空面方向移动，但由于受到反倾向岩层的限制，裂缝以向采空区移动为主。降雨沿坡表裂缝渗入坡体内，并在采空冒落区汇集，促使斜坡以后缘裂缝为界向临空面蠕滑变形。

3    影响煤洞坡变形失稳的地质因素分析

以往的研究表明，岩体结构、岩层性质及其组合、地形地貌、工作面开采条件、地质构造等因素均对受采动影响的斜坡体变形失稳产生显著影响。贵州山区以峰丛地貌为主，斜坡变形失稳往往具有突发性，事故发生前变形较小不易察觉，因此在一定程度上增加了事故灾害防治的难度，也增加了事故发生的危险性。

结合西南地区近40年来发生的其他采动相关的地质灾害点的資料，对地形、坡体结构、节理面、临空面、变形迹象、崩滑方向、斜坡岩体结构类型、坡体结构、地下开采状况、灾害发生前降雨情况、岩层产状、失稳模式等因素进行统计分析，以期探究对煤洞坡变形失稳产生显著影响的地质因素及其规律。

自然条件下采动坡体会沿2组控制性结构面发育有卸荷裂隙或溶蚀裂隙，如贵州腰岩脚崩塌体、贵州龙场崩塌体发育有溶蚀裂隙或溶洞。但在下部或深部采矿情况下，坡体内的裂隙会加速扩展，而且变形裂缝与采空区的边界呈对应关系，14个统计的崩滑地质灾害点在发生前具有变形裂缝，有的甚至还会出现小型崩塌和滑坡;坡顶会发育有与采空区边界的变形裂缝，而且裂缝随着采空区面积的扩大及开采强度的提高会延伸到采空区，若裂缝与临空面近于平行或小角度斜交，那么这组裂缝发育速度会加快，14个灾害点中均发育有与临空面平行的裂缝，而且都是控制斜坡稳定的主控裂缝。

煤矿企业的技术条件，如开采方法、采掘机械、开采规模、开采顺序、采高等因素，对煤洞坡的变形失稳也产生明显影响。一般而言，煤矿开采多个煤层，采高往往与煤层厚度相同，并且该区域内有多个煤矿同时生成，每个煤矿一般同时回采的2个工作面，重复采动效应叠加影响。特别是经过长期且高强度的回采，采空区范围越来越大，加剧了斜坡的变形失稳破坏，甚至发生滑坡、坍塌等灾害，如贵州马达岭滑坡、湖盐池河崩塌、贵州洋水河崩塌带等。

4    结语

煤洞坡的显著特征是斜坡上部岩性较硬，而下部岩性较软，受多个煤矿的重复采动影响，斜坡体变形机制复杂，变形过程可分为开采扰动、坡顶拉裂、变形加剧、蠕滑变形等四个阶段。

参考文献

[1] 崔文博，向喜琼.贵州都匀马达岭滑坡运动特征研究[J].地下水，2013，35（3）：145-148.

[2] 冯振，殷跃平，李滨，等.斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的土工离心模型试验[J].岩石力学与工程学报，2012，31（5）：890-896.

[3] 兰志勇.采动滑坡变形破坏机制物理模拟试验研究：以贵州省青山煤矿为例[D].成都：成都理工大学，2015.