地下资源开采诱发的一种滑坡模式研究——以采空触发滑坡为例

龙建辉，朱清华，倪向龙

(1.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所,山西 太原 030024；2.深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

矿山开采必然会带来一系列地质灾害问题，采动滑坡作为其主要灾害之一，严重影响着人类生产活动，造成建筑工程设施损毁和人员伤亡以及巨大的经济损失；同时其存在还可能诱发泥石流、生态环境恶化等其他次生地质灾害，从而造成更大的损失。

采动滑坡的研究受到了国内外学者[1-3]的广泛关注，在传统的基于滑坡学、开采沉陷学及岩体力学的理论研究基础上，又综合了数值模拟、物理模型试验以及现场监测等多种方法进行研究。其研究成果可概述为以下3个方面：①采动诱发因素研究方面，汤伏全等[4]早期通过开采沉陷理论研究了采空沉陷对滑坡的影响作用；BENKO等[5-7]通过数值模拟方法分析了采空影响下坡体内应力场和位移场的变化对滑坡的促成机理；JONES等[8-9]主要从采动覆岩结构破坏的角度对滑坡的形成条件进行了研究。②采动滑坡破坏形式的研究方面，何万龙根据采空区位置将采动滑坡划分为推覆式和牵引式2种形式；汤伏全[10]进一步考虑了坡面与层面的组合关系对这2种破坏形式进行了细化；ZHAO等[11]通过地下开采变形建立了地表移动变形理论模型；FATHI等[12]采用不连续数值模拟方法模拟煤矿滑坡得出采动应力将导致坡脚附近软弱地层的剪切破坏和压缩破坏。③采动边坡稳定性评价的研究主要是在一般边坡稳定性评价方法的基础上，从不同角度考虑采动因素的影响，例如，汤伏全等[13]对不同破坏模式(推覆式和牵引式)的采动滑坡进行了不同的分块处理，将采动块段作为主动滑体并将其强度参数进行折减；康建荣等[14]引入了“采动强度”这一半定量的概念，通过该参数建立了采动附加应力的计算公式，并将其加入一般边坡的受力体系中；DOMINGUEZ等[15-16]将模糊数学分析方法应用到采动滑坡稳定性评价中，其评价结果具有较高的准确性和实用性。

由此可见，目前国内外对于采动滑坡诱发机理的研究已较为深入，获得的成果也颇为丰富。但在总结前人资料的基础上并经过大量的野外调查后发现，在山西煤矿区有一类滑坡虽与采矿活动相关，但从发育位置、变形特征、形成机理等方面均有异于传统意义上的采动滑坡。该类型的滑坡通常发育在“三下”采煤规程界定的采空影响区以外的较为稳定的斜坡地带，即采空沉陷位于边坡潜在滑动区以外的区域，笔者对其赋予了新的定义，称其为“采空触发滑坡”。现场调查分析表明，此类滑坡的发生与采空区软岩蠕变关系密切，但因其具有前期变形隐蔽和发育位置特殊等特征，使得其灾变时具有不可预知性。

为进一步加深对采空触发滑坡发生机制的认识，选取典型案例—山西坡头滑坡进行分析，总结该类型滑坡特征及其变形发展规律，对其形成过程和成因机理进行初步的探讨，提出采空触发滑坡今后研究将面临的科学问题，为开展下一步研究提供指导。

1 地质原型

1.1 滑坡概况

坡头滑坡位于山西省阳泉市区西7 km处坡头村，2008年3月至5月，坡头村居民住宅在短短的3个月内，发生大面积民房和坡头寄宿制小学房屋开裂及院内的隆起，到5月底损坏程度已相对严重。由于该滑坡的诱发因素为煤田开采，与一般的滑坡勘察相比，滑坡边界的确定首先应该区分采矿引起的地表变形与滑坡变形，因此对于坡头滑坡的边界主要通过工程地质测绘与采空区地表移动变形计算进行确定。

根据工程地质测绘进行野外实地调查对采空移动裂缝与滑坡变形裂缝进行区别，其中采空移动裂缝一般为拉张裂缝，发育位置为采空区的移动角以内，而滑坡裂缝根据其受力状态与发育位置不同有张拉裂缝、剪切裂缝与鼓胀裂缝，同时滑坡后壁上还有擦痕存在。通过现场调查发现在采空区上方与滑坡体上有多条裂缝，具体如图1、图2所示。

利用开采沉陷理论，运用概率积分法进行开采沉陷计算，分析开采对地表及建筑物损坏情况，经计算后该采区的移动角为72°，而对于矿区开采的影响边界一般利用10 mm下沉等值线作为其采煤沉陷的影响范围，依据上述计算内容圈定矿区的移动范围与影响范围，其界限如图3所示。

通过上述方法对坡头滑坡重新圈定，具体范围如图1所示，该滑坡呈北东南西向分布，平均坡度为15°，滑坡平面形态呈圈椅状，滑坡体长约180 m，宽306 m，最大厚度约14 m，滑体体积约77.1×104m3，为一中型滑坡。滑坡滑体主要由粉土及粉质黏土构成，粉土和粉质黏土主要为第四系坡积物，滑床为二叠系上统上石盒子组砂岩和泥岩，滑带主要为黄土与强风化砂岩及砂泥质坡积物混合物组成。

图1 滑坡平面形态特征

1.2 坡头滑坡变形及成因分析

由图1可知，滑坡体所在斜坡中上部的正下方有3个采空区，单个采空区长350 m，宽50 m，采空区煤层厚度9.6 m左右，距地表约350 m。坡脚处村庄主要地表变形破坏区距离沉降线较远，且坡头滑坡的后缘在10 mm等值线以外，即已经超出了采煤沉陷影响范围(图3)。因此，从坡头滑坡相对于采空区的发育位置来看，坡头滑坡与以往所见的地下采动引发的采动滑坡有所不同，单纯的采空沉陷位移并不是引起该滑坡产生的原因，应对其加以区分。

A—裂缝角(采空区上方最外侧的裂缝位置)；B—移动角(以其“三下”采煤规程的临界变形量为边界)；C—走向边界角(以其下沉量10 mm的临界位置作为边界)；D—蠕变区外界(本项目研究范围)

张吉宁等[17]利用FLAC3D对坡头滑坡的形成过程进行了模拟，模拟分为4个阶段，前3个阶段为煤层开挖，第4阶段为采煤结束后的蠕变阶段，蠕变持续时长为35个月。通过对采动影响区外缘第四系黄土覆盖层的应力应变关系、位移变形特征进行分析可知：前3个阶段的煤层开挖仅使坡体在水平和竖直方向上产生较小的移动变形，对应位置为采空区的正上方；而坡脚处的大变形均来自蠕变阶段，且在蠕变的前3个月位移变形并不明显，变形是在坡体内部的软岩经历一定时期的蠕变后并积聚了一定的能量才开始逐渐显现出来。即坡头滑坡是在采空区形成以后，并经历较长时间的蠕变后才发生的。

可知坡头滑坡受采空区上覆岩层移动变形控制，采动引起上覆岩层的蠕动对表层黄土的挤压变形具有放大作用，最终导致坡体失稳破坏。因此，坡头滑坡的成因可总结分析如下：地下开采引起覆岩应力场变化，待采煤沉陷结束以后由于应力重新分布导致的岩体变形并未停止，在沉陷边界线以外由于岩体应力松弛引起的坡体内部软岩蠕变作用仍在继续；因软弱岩层的抗拉强度及抗压强度较周围岩体均较小，软弱层率先产生变形破坏，随着蠕变作用持续进行，其变形也持续向上传递，直至地表。表层黄土在蠕变作用控制下，受地表裂缝和水的渗透作用影响，最终失稳破坏。

2 采空触发滑坡概念的提出

通过以上分析可知，坡头滑坡与传统意义上的采动滑坡相比，不论从成因或者发育位置、时间等方面都有本质区别，故不能简单的将其认为是传统的采动滑坡。研究后发现这种滑坡通常发育在“三下”采煤规程界定的采空影响区以外的较为稳定的斜坡地带，虽由地下采空引起，但距离采空区较远、且发生位置位于采动破裂角以外、变形时间一般在采空沉陷稳定以后才逐渐显现，持续变形时间长达数年甚至数十年。因此，为区别于传统意义的采动滑坡，笔者对其赋予了新的定义，称其为“采空触发滑坡”。

结合坡头滑坡实例及前人研究成果，将采空触发滑坡与传统的采动滑坡进行比较，发现两者之间的4个不同点：

1)采空区与坡体相对位置关系不同：采动滑坡一般发育在采空沉陷影响范围内，且根据采空区与坡体相对位置关系的不同一般可分为2种破坏形式：前缘采空导致的牵引式和后缘采空导致的推覆式[1](图4a)；而采空触发滑坡则一般发育在采空沉陷影响区以外的一定范围内，该区域可称为“蠕变接触带”(图4b)。

图4 采空区与坡体相对位置关系示意

2)坡体变形及形成的阶段不同：采动滑坡会受到地下开采过程的影响，一般发生在采空区开始形成到采空沉陷结束这个阶段，持续时间较短；而采空触发滑坡的变形则一般在采空沉陷结束后才开始显现，且变形往往持续时间较长。

3)采空区对坡体的影响效应不同：对于采动滑坡，开采沉陷引起的覆岩变形破坏是滑坡形成最直接的影响作用[10]，在该影响作用下，坡体内部岩层物理力学性质发生变化，抗剪强度降低，同时开采沉陷形成的坡面裂缝为降雨入渗提供了良好的渠道，使软弱层强度进一步降低，最终促成了采动滑坡；而对于采空触发滑坡，开采沉陷并非最直接的影响因素，滑坡的形成是坡体内部软岩蠕变破坏的结果，而这种蠕动变形则是由采空导致的坡体内部应力重分布引起。

4)变形破坏特征不同：一般来说，采动滑坡由于受到开采沉陷的影响，因此在不同阶段变形特征较为明显；而采空触发滑坡是一个能量逐渐累积的过程，因此在前期蠕动变形阶段斜坡变形特征不明显，大变形主要发生在后期。

3 采空触发滑坡形成机理初步分析

考虑到采动岩层移动的滞后性和长期蠕变效应等因素，采空触发滑坡的形成与采空区形成以后坡体应力变化有关，主要受控于坡体内部软弱岩体长期蠕变作用。结合文献[17]中的数值模拟结果，可将采空触发滑坡的形成过程分为以下4个阶段(图5)：应力调整阶段(AB)、蠕动变形阶段(BC)、变形加速阶段(CD)、斜坡失稳阶段(D点以后)。

图5 蠕变曲线阶段示意

3.1 应力调整阶段

煤层开采以后，采空区上部岩体受应力重分布作用，在采空区内释放压力，顶板产生弯曲拉裂，地表形成沉陷带[18](图6)，该过程并未对沉陷区外缘斜坡体造成影响，对应于蠕变曲线中的弹性应变阶段，即图5中OA段，该阶段坡体外缘土体产生的应变值很小，多发生传统的采动滑坡。但当采空沉陷结束以后，受地下采空影响，边坡内部岩体会首先产生应力松弛现象，导致岩体向不稳定方向发展，当发展到软弱夹层时，软弱夹层引起应力重新分布，当应力接近长期强度时，坡体内部软弱岩石会发生明显的蠕变现象(图6a)，此时对应于蠕变曲线中的初始蠕变阶段，即图5中AB段。

3.2 蠕动变形阶段

坡体内部的软岩在长期蠕变作用下，蠕变范围逐渐扩大，使得其变形逐渐向坡体外部发展。在斜坡体后缘产生一系列拉张裂隙，同时导致斜坡体上部松散破碎的岩体产生朝邻空方向的缓慢变形，松散岩体及坡积物的侧向变形能推动第四系黄土沉积物开始蠕滑变形(图6b)，对应于蠕变曲线中的稳定蠕变阶段，即图5中BC段，该阶段土体产生一定的永久变形。

3.3 变形加速阶段

后缘拉张裂隙的产生一方面降低了岩土体的强度，另一方面为降雨及地表水入渗提供了便利的通道。随着时间的变化，其应力不断调整，导致裂隙宽度和深度也会发生变化，并不断向深部及前缘扩展[19]。在后缘裂隙扩张阶段，坡体软岩的蠕变作用并没有消失，反而因后缘裂隙的扩张产生加速作用，坡体持续蠕滑，变形加大(图6c)，对应于蠕变曲线中的加速蠕变阶段，即图5中CD段，该阶段土体的蠕变速率持续增加。

3.4 斜坡失稳阶段

随着蠕滑变形的加剧，坡体应力不断调整，变形逐渐向前缘积累，坡体前缘开始显现出由后向前的鼓胀、隆起等现象；同时在外力及降雨入渗作用下，后缘裂隙逐渐加深加宽，最终拉张裂缝与蠕变区贯通滑带形成，坡体发生整体滑动(图6d)。对应于蠕变曲线中的破坏阶段，即D点以后。

图6 采空触发滑坡形成过程

综上所述，其斜坡失稳模式可归结为：采空沉陷结束—坡体内部岩体应力松弛—软岩蠕变—蠕变作用向坡顶发展—坡体挤压变形、破坏。

4 讨 论

关于采空触发滑坡形成机理、变形特征等方面的研究在理论上已有初步的认识，也取得了一定的研究成果。但因其从成因机理等方面区别于传统意义上的采动滑坡，有时因其发育位置的特殊性也被误认为是一般的滑坡，因此，对采空触发滑坡的研究也往往被忽视。笔者通过将采空触发滑坡与采动滑坡进行对比，总结出其滑坡发育特征，并得出一些规律性的认识，但随着深入的研究，仍有以下科学问题需要解决[20]。

1)关于采空触发滑坡形成的条件，坡体内部软岩蠕变是导致其发生的关键，但同时岩层的产状也与滑坡的发生有关，具体如何影响仍需研究确定。

2)由于采空触发滑坡的形成机理及失稳判据尚不明确，且采空蠕变影响范围有待进一步确定，因此对于采空区影响范围外的滑坡类型也无法做到准确的界定。

3)采空触发滑坡的地质力学模式和破坏机制研究较少，评价模型尚未建立，且采空区形成以后覆岩产生蠕变的时间及蠕变程度目前没有明确界定，导致对其进行预测预报较为困难，也无法确定防治该类滑坡的最佳时期。

5 结 论

在对山西煤矿区滑坡进行野外调查的基础上，总结前人研究成果，提出了一个新的概念——“采空触发滑坡”，以区别于传统意义上的采动滑坡。通过对发生在山西煤矿区的典型案例进行分析，对该类滑坡的变形特征进行总结，并对其形成过程和成因机理进行了初步探讨，得出以下认识：

1)生产实践中发现并定义了一种新的因采动诱发滑坡的破坏形式，其力学模式清晰，变形特征明显，致灾机理复杂。

2)采空触发滑坡的变形机理与传统意义上的采动滑坡不同，它是由于地下采空沉陷导致覆岩移动角外缘边坡应力场发生改变，进而诱发边坡内部软岩发生蠕动变形破坏所发生的一种滑坡。

3)以山西坡头滑坡为例，分析其形成过程，认为该类斜坡失稳模式为：采空沉陷结束—坡体内部岩体应力松弛—软岩蠕变—蠕变作用向坡顶发展—坡体挤压变形、破坏。

4)采空触发滑坡前期变形具有隐蔽性，且其发育在采空影响区以外的特殊位置，通常很难被人们发现，因此在以后的研究中应多关注此类型的滑坡，与普通的采动滑坡加以区别。