老鹰岩危岩崩塌稳定性分析及防治措施研究

王刘文，王彤标，陈金宏

贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵阳 550025)

1 引言

危岩崩塌是贵州省煤矿开采引发的主要地质灾害类型之一[1-2]，一旦失稳，将给人民生命财产安全带来重大损失，而科学分析其稳定性是采取合理防治措施的基础[2]。范士凯等[3-4]提出采空区上边坡稳定性分析步骤方法和评价原则，对高陡山体下采矿与边坡稳定这类矿山地质环境问题进行了总结概括，提出了采空区变形的理论计算方法。徐杨青等[5]总结了山体下方采空区不同布置、不同开采顺序情况下山体的变形规律。丁丽萍[6]采用3DEC 数值模拟软件，模拟了采空区塌陷诱发崩滑体的变形破坏演化过程。武中鹏等[7]以单体危岩崩塌为研究对象，计算不同工况的危岩失稳概率，进行落石轨迹模拟。目前，对稳定性较差、山体较高或无法准确界定其稳定性的危岩崩塌，基本采用主动的治理措施，包括避让、清除、加固等[8-11]，采用被动防护措施的较少。

本文在总结分析前人研究的基础上，以遭受某煤矿开采影响的老鹰岩危岩崩塌为研究对象，从地质环境条件、采空区与山体的位置关系、山体变形特征、地质灾害发育特征、煤层产状、结构面组合等方面对其稳定性进行了分析，得出了“总体稳定、局部崩落”的总体结论并提出了采用被动防治的对策，推翻了原预定的搬迁避让方案，节省了治理投资，可为类似危岩崩塌的治理提供借鉴。

2 地质环境条件

场地地处高坪复式向斜中段东翼，区内分岔成宽缓复式向斜，倾角一般5°～15°。区内地形总体上北高南低，海拔高程+1 436～+1 041 m，属溶蚀剥蚀高原山地中山地貌。煤系地层分布地段地势稍平缓，民房众多；夜郎组地层多呈切向陡坡，老鹰岩近乎直立的山体高度最大可达200 m。

危岩隐患区出露地层从老至新为二叠系上统龙潭组(P3l)煤系地层、二叠系上统长兴组(P3c)灰岩、三叠系下统夜郎组(T1y)灰岩、泥岩及第四系(Q)残坡积层、崩塌堆积体。

区内位于一背斜构造核部，背斜延伸大于2 625 m，轴部走向NNE，东翼产状90°～140°∠5°～65°，西翼产状270°～300°∠5°～60°，陡崖处地层倾角约为15°，地形起伏大，形成高陡岩坎，为危岩崩塌的形成产生有利条件。周边无区域性大断层通过，区内次级断层也不发育，地震基本烈度6度。

区内岩、土富水性弱，大气降水通过岩、土中的风化裂隙、构造裂隙、孔隙等渗入地下，场地地势较高，基岩中裂隙发育，常呈开放状态；地下水总体由北西向南东径流。

3 危岩概况

危岩带为二叠系上统长兴组(P3c)灰岩、三叠系下统夜郎组沙堡湾段(T1y1)泥质灰岩、玉龙山段(T1y2)灰岩，地层倾向284°，倾角15°左右，危岩中近乎直立的节理裂隙发育。危岩带临空面倾向以85°～115°为主，南北走向约600 m，距坡脚高度60～220 m，平均高度约120 m，详见图1。

图1 项目区地质环境平面图

危岩岩性为三叠系下统夜郎组玉龙山段灰岩，下伏基岩为三叠系下统沙堡湾段钙质泥岩、泥岩夹薄层状泥灰岩，岩质相对较软，易受风化剥蚀，使上部硬质岩体局部失去支撑，加之危岩带岩体节理裂隙发育，岩石破碎，自稳能力较差，在内外营力作用下，发生局部失稳的可能性大。同时危岩带位于某煤矿8081采空区影响范围内，目前采矿活动引发的塌陷变形已基本趋于稳定[10]，但受采煤塌陷引起的拉裂变形还未完全趋于稳定，局部发生崩塌的可能性较大，陡峭的岩壁表面现状发育多处危岩崩塌体，较为典型的主要有4处(WY1、WY2、WY3、WY4)，详见图2。

图2 项目区地形地貌图

4 危岩崩塌稳定性分析

4.1 整体稳定性分析

根据煤矿提供的井上下对照图，8101采空区形成时间为2014年11月，2015年2月在东侧(靠老鹰岩方向)地表出现裂缝、塌陷坑，裂缝持续变形时间为1～3个月，裂缝延伸长，开裂宽度大，最大变形宽度达12.5 m，为采煤采空区塌陷引起的塌陷变形破坏；至2015年6月中旬，裂缝变形基本稳定；至2018年6月调查之日，裂缝已部分被填充，未见持续变形迹象。8101采空区自形成以来至调查之日已近4 a，采空区上层覆岩为灰岩及泥质灰岩等，综合判定为坚硬覆岩，地表移动变形已处于基本稳定状态[12]。

8101采空区边界距陡崖(危岩)约80 m，在北段危岩后方裂缝延展方向与采空区边界一致，矿山实测移动角为70°，危岩带山体顶部位于矿山开采影响范围内，采矿活动对崩塌的形成影响较大。 由于现状产生裂缝及陷坑靠近北部危岩带，以靠近北侧的勘查剖面3-3′为例，按最大影响范围r的一般计算式和最大拉伸、压缩点(±0.4r)的计算准则，核算老鹰岩北段主裂缝带产生及其分布的必然性。如图3所示，开采边界处采深H=212 m，影响范围角(裂缝角)β=70°，则影响范围、最大拉伸点分别为：

图3 老鹰岩危岩崩塌3-3′工程地质剖面图

4.2 局部稳定性分析

老鹰岩危岩崩塌发育于三叠系下统夜郎组(T1y)灰岩中，地势陡峭，坡度75°～90°。岩体节理裂隙发育，灰岩呈薄～中层状，层面、坡面、节理面相互构成不利组合结构面(表1)，表层岩体破碎，采煤塌陷引起的拉裂变形破坏，岩体产生应力重分布，局部块体应力释放，在采空区、结构面、风化、植物根劈等因素影响下，容易引起岩体崩落，多组结构面将岩体切割成不稳定的块体, 当底部凹腔发育时， 使局部岩体临空, 从而形成坠落式危岩，如危岩WY1、WY2、WY3、WY4，具体详见表1、2。

表1 赤平投影分析表

表2 崩塌危岩形态特征及稳定性表

5 防治措施

针对老鹰岩崩塌危岩的稳定性分析结论，采用RocFall软件模拟落石轨迹[7][13]，得出落石影响范围和采用公式计算[2]及现场调查的结果较吻合。根据落石影响范围及危害程度，结合场地的建设需求，提出了以“落石槽+被动网+监测”为主导的被动防治措施。

(1) 落石槽：为减小崩塌岩体的影响范围及程度，结合危岩带下方地势较平缓的有利条件，在民房分布的危岩带下方坡脚处设置一条落石槽。落石槽挖至基岩，深度不超过3 m，梯形断面，开口宽6.0 m，底宽3.0 m，背坡面坡度为90°，全长290.0 m。落石槽底部纵向坡率设置为0.2%，南高北低，在落石槽北侧集中排水。

(2) 被动网：滚石弹跳高度及影响范围采用RocFall软件数值模拟。根据软件输出的计算成果，水平-221.43 m位置(设置落石槽位置)，弹跳最大高度为2.53 m(图4)，在此设置RX-100型被动防护网。考虑到安全超高，防护网高度确定为3.5 m，设置长度为295 m。

图4 北翼落石反弹高度轨迹图(加落石槽)

危岩带南侧下方为通村公路和废弃东风井场区，危岩带南侧陡壁上有危岩块体，在南侧危岩带下设置一道被动防护网以减小危岩对行人的威胁，设网位置的弹跳高度为4.01 m(图5)，考虑安全超高，防护网高度确定为5.0 m，设置长度为347 m。

图5 南翼落石反弹高度轨迹图

(3) 监测：老鹰岩危岩崩塌西侧可见某煤矿8101采空区形成的裂缝，在危岩带顶部布设5个(JC1、JC2、JC3、JC4、JC5)地表位移监测点，以监测危岩带顶部位移情况；在危岩带下方某煤矿东风井滑坡治理抗滑桩桩顶布设1个(JC6)地表位移监测点，以监测危岩下方崩积体的位移变形情况；相对软弱层沙堡湾段(T1y1)泥质灰岩上布设2个(JC7、JC8)地表水平应力计；崩塌西侧两处发育规模较大的地裂缝布置拉线位移仪(LFY1、LFY2)；选择采煤影响范围外的稳定区域布设高精度GPS基准监测站(JZ1)；各监测点形成立体监测网，对崩塌危岩带的发展趋势做出预测预报，监测布置详见图1。从监测的结果及监测报告结论显示危岩崩塌整体处于稳定状态(图6、图7)。

图6 JC8位移沉降曲线

图7 JC2位移沉降曲线

6 防治效果

本文通过对危岩崩塌的现状稳定性分析，得出老鹰岩危岩整体处于稳定状态，不存在沿层面滑动、崩塌问题，仅可能出现危岩段零星掉块的问题，据此对危岩崩塌的发展趋势、影响范围进行了模拟计算，采用“被动网+落石槽”的被动防护措施(费用331万元)，避免了大量搬迁(费用2 100万元)。

治理项目从2018年开始施工，于2020年7月竣工验收完成，治理效果良好，至今危岩崩塌体整体稳定，表明分析结论的正确性。在保障人民生命财产安全的基础上，减轻了地质灾害的治理成本。

7 结论与认识

(1) 煤矿开采引发的山体开裂并不一定会引发崩塌或滑坡，应结合地质环境条件、采空区与山体的位置关系、山体变形特征、地质灾害发育特征、煤层产状、结构面组合等方面等综合分析其稳定性。

(2) 危岩体在遭受煤矿开采影响的情况下若整体稳定时，采用被动防护的治理措施能取得良好的防治效果。