采空区影响下红黏土边坡失稳机制研究

李 伟，任 鹏，3，李庆尧，郭夏飞，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013；3.煤炭科学研究总院，北京100013；4.中煤平朔集团有限公司 东露天矿，山西 朔州036006）

露天煤矿红黏土边坡的变形失稳会对安全生产带来隐患，更有甚者还会导致重大的人员伤亡和引发严重的社会效应[1-2]。平朔东露天矿发生过多次红黏土边坡滑坡灾害，研究发现此类失稳主要归因于边坡含有软弱红黏土层[3-4]。通过对东露天矿发生滑坡区域的调研，认为该区域端帮边坡目前正处在复杂工况和多种地质条件的综合作用下，以此对边坡稳定性带来的影响很难预测[5]。红黏土分布区域广泛，所涉及的工程及边坡失稳案例屡见不鲜，红黏土具有饱和度高、含水率高、孔隙高的特点，是一种特殊黏性土且强度较高[6-7]；红黏土边坡在降水、采空区的共同影响下，其变形往往以坡体内部未出现贯通性的破坏面为特点；随着坡体应力快速超过坡体极限强度时，极易形成贯通性破坏面，相反，若坡体内的应力介于长期强度和极限强度之间时，斜坡在失稳破坏之前需要一段较长时间的松动蠕变[8-9]。

在我国露天煤矿中，由于软岩强度较低的特性再加上顺倾这一自然地质因素，综合影响下的边坡变形破坏机制的研究较少，相关治理举措目前仍不够完善。为此，以中煤平朔公司东露天矿北帮边坡为工程背景，考虑边坡在雨季降水的影响下，对研究区域的岩土体参数进行一定程度的折减，以此为基础分析红黏土边坡受采空区影响下岩土体位移规律，探究红黏土边坡变形失稳机制。

1 采空区影响下红黏土边坡拱效应特征

1.1 岩土体强度指标和红黏土边坡模型

1）岩土体强度指标。将以往岩石物理力学性质试验和土质工程性质试验成果进行汇总，结合已有成果通过类比分析，基于对东露天矿北帮红黏土边坡工程地质特征以及水文地质状况的勘查，通过强度折减法计算综合获得东露天矿边坡岩土物理力学性质指标值，岩土体物理力学性质指标表见表1。

表1 岩土体物理力学性质指标表Table 1 Table of physical and mechanical properties of rock and soil

2）红黏土边坡模型。以平朔东露天矿北帮红黏土影响区域为研究对象，边坡上部有较厚的第三系和第四系的粉质黏土覆盖层，平均厚度约为55 m；北帮的覆盖层是由黄色粉土和红色黏土共同构成的，裂隙在竖直方向上的发育程度较高；除此之外在水的作用下土体颗粒间的黏聚力和内摩擦角均会衰减，在该区域由于岩土体强度的减弱致使滑塌事故多次发生。根据地形图和钻孔勘察资料，北帮研究区域红黏土边坡典型工程地质剖面图如图1。

图1 工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological section

1.2 采空区红黏土边坡拱效应特征数值模拟

采空区形成之后，空区四周的各个角隅处（即支撑拱的固定支撑端）首先达到极限剪切破坏状态，随着采空区数目的增多，角隅处破坏区域逐步延伸，顶板中央（即支撑拱的顶端）拉应力的分布逐渐显著，直至最终以拉应力形式破坏，此阶段拱效应存在于采空区上覆岩土层中；而采场周边区域围岩位移量最大，随着距离开挖边界渐远，其水平位移和垂直位移随之减小，拱效应随之减弱，同时采场上覆岩移比下部要多出许多，围岩移动方向均指向采空区。支撑拱随着距离采空区位置变化效应表见表2。采空区剖面垂直位移云图如图2。

表2 支撑拱随着距离采空区位置变化效应表Table 2 Effect table of support arch changing with distance from mined-out area

图2 剖面垂直位移云图Fig.2 Profile vertical displacement cloud image

通过分析表2 和图2 可知，受采空区影响，在采空区上覆岩土层中形成围岩移动位移支撑拱，且不含支撑煤柱的情况下，采空区顶板中央位置下沉量最大（图2（a）），含支撑煤柱的采空区，上覆岩土层下沉量最大的位置在“整个”采空区的中央位置（图2（b））；沿着采空区侧面的位移下沉量急剧降低，其以外的区域下沉量变化较小，且距离采空区越远的位置，位移下沉量越小；采空区上覆岩土层距离地表一半高度位置，围岩以垂直向下位移为主，与围岩相接触的红黏土层也随之发生位移，对地表边坡稳定性有一定的影响；水平方向变形较大的位置分布在采空区的角隅处，且影响区域台阶具有朝向临空面发生圆弧滑动的趋势。

采空区的顶板以及角隅处受采空区的影响，应力集中较明显，且在顶板的上部，应力集中经岩层传递至红黏土层，最大主应力呈现从上至下逐渐增大的变化趋势，这种影响通过围岩传递至地表红黏土边坡；通过对比分析图2 发现，若岩土层中不存在支撑拱结构，则在地表处表现为单个或多个并段多个台阶坡顶岩体局部崩塌或者一定范围的地表沉陷，且具有朝向临空面发生圆弧滑动的趋势，这表明支撑拱的存在抑制了由于水平位移和垂直位移所导致的地表沉陷。

根据以上分析认为含空区红黏土边坡的拱效应具有如下特征：

1）由于采空区的存在，一方面加速了红黏土边坡的变形演化过程，另一方面在岩土层中会形成多个支撑拱，有利于地表边坡的稳定性。

2）正是支撑拱的存在，即使模型计算中采空区顶板竖向发生一定范围的位移，但现场的监测数据并未反映近阶段研究区域采空区内部发生塌方现象，若竖向位移进一步发育则最终会导致拱效应失效，采空区内部出现塌方。

2 基于拱效应的边坡变形演化机制

2.1 红黏土边坡变形破坏机制

在采空区作用下红黏土边坡的变形失稳破坏模式有2 种：一种是边坡的岩体沿边坡面滑移;另一种是边坡的岩体在采空区的影响范围内沉降。通过对室内试验、数值模拟以及关于支撑拱效应的分析，露天矿红黏土边坡岩土体在受采空区扰动效应的影响下整体的变形失稳破坏过程宏观体现在4 个方面，即：“剪切-张拉-滑移-塌陷”。采空区影响下红黏土边坡变形失稳过程示意图如图3。

图3 采空区影响下红黏土边坡变形失稳过程示意图Fig.3 Schematic diagram of deformation and instability process of red clay slope under the influence of goaf

1）剪切破坏。采动影响下，采空区周围岩体的围压不断下降，坡体的强度随之降低，受此影响，边坡岩土体变形的程度逐渐扩大，拉裂缝尤其是后缘位置处持续向下发育。由于拉裂缝不断发育，使得该阶段边坡的稳定性由坡体内部支撑拱来维持，随着拉裂缝继续发育，土体内部的支撑拱无法保证边坡的稳定，拱效应失效之后会有新的支撑拱形成，以维持边坡的稳定性。

2）后缘拉裂。采空区影响下，红黏土边坡后缘拉裂由蠕滑和应力分异2 种因素导致，在临空面附近造成应力集中带，这部分集中的应力会向拱轴方向转移，直至传递到拱圈内，破坏其原有的稳定状态，因此较常规情况下更剧烈。

3）滑移。当坡体的滑移面分布在采空区扰动所带来的最大影响范围之外时，此时地下开采所形成的采空区对边坡稳定性的影响甚微。该阶段降水是影响红黏土边坡稳定性的主要因素，这时的边坡岩体变形破坏规律同多数条件下的坡体变形破坏大致相同，滑移破坏是其主要的破坏形式，雨季降水影响下，红黏土边坡力学参数呈现一定程度的折减弱化，实际工况下，此阶段较常规情况下时间相对较短。

4）塌陷。露采边坡的变形移动主要是由于井工开采沉陷引起的[10]，边坡滑移面内岩土体的抗剪和抗拉强度衰减，当这种破坏使土体中的支撑拱失效时，就会给边坡的稳定性带来不可预知的潜在隐患，甚至发生滑坡事故，该过程为塌陷阶段。对于特定的边坡，岩土体的物理力学参数在受到各种内因和外因的共同作用下将进行一定程度的折减，边坡将更早进入变形破坏阶段。

2.2 采空区影响下红黏土边坡变形破坏规律

根据对红黏土边坡在采空区作用下变形失稳破坏机制的研究，认为从最初稳定状态到最终失稳破坏过程将分为3 个阶段：起始变形阶段、匀变形阶段和加速变形阶段；受采空区影响，红黏土边坡从稳定到失稳具有“台阶状”发展变化规律。空区影响下红黏土边坡变形失稳过程如图4。

图4 空区影响下红黏土边坡变形失稳过程Fig.4 Deformation and instability of red clay slope under the influence of goaf

3结 语

针对采空区影响下红黏土边坡的稳定性问题，从力学特性以及位移变形规律为出发点，研究了在采空区影响下的红黏土边坡的失稳机制。在采空区作用下，露天煤矿红黏土边坡土体中的应力重新分布，致使其变形破坏模式发生改变；在采空区的角隅处（即支撑端）以及空区轴线位置（拱圈中轴线）出现明显的应力集中；采空区上覆岩土层中形成的多个支撑拱，正是保证边坡临时稳定的前提；探明了采空区影响条件下红黏土边坡变形破坏机制为滑移-张裂-剪切-塌陷，揭示了边坡从稳定到失稳的“台阶状”发展变化规律。