高陡山体下多煤层重复开采沉陷对矿区环境影响的累积效应分析

田延哲

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

0 引言

我国西南地区位于中国地势第一阶梯与第二阶梯过渡地带，受新生代构造运动影响，构造运动频繁，构造变形强烈，使得该地区成为我国滑坡、崩塌等地质灾害高易发区[1-2]。该区发育着大量“上硬下软”岩质边坡，其中上覆岩体以灰岩、白云岩等硬质岩为主，下伏地层岩性主要为泥岩、煤层等软质岩。西南地区煤炭资源开采具有开采层数多，开采时间长、重复开采扰动强度大和影响范围广等特点[3-4]，多煤层联合下行开采过程中，各煤层间采动存在应力叠加影响区[5]，上层煤开采引起采区岩层应力重分布，影响下煤层应力的分布形态，应力场活化现象明显，造成多煤层开采造成的采空区岩层移动变形破坏现象更加严重[6]，这决定了西南矿区生态环境退化具有明显的“累积”特征[7-8]。煤层多次重复采动引发地表发生大范围的沉降，进而诱发滑坡、崩塌等地质灾害，造成了极为重大人员伤亡损失，引发社会的高度关注，如贵州开阳磷矿崩塌[9]、纳雍县佐家营崩塌[10]、毕节市大方县德兴煤矿崩塌[11-12]、遵义市大千岩崩塌[13]、威宁县下藤桥崩塌[14]等。

总结已有学者的研究成果，多煤层重复采动呈现出的覆岩移动特征不同于单一煤层开采影响[15-16]，山体下开采沉陷同时受边坡效应引起的滑移位移矢量与地下采动引起的采动位移矢量叠加影响[17-18]，重复采动引起的附加水平移动、水平变形会导致山体变形活动更复杂[19]，现有研究大都突出地下采矿作用，未考虑坡体结构特征，因此考虑坡体结构开展高陡地形条件下多煤层重复采动对矿区地质环境影响的累计效应分析对于西南地区可持续发展具有重要的理论和实践意义。

本研究以贵州盘江地区发耳煤矿五采区地质条件和采矿条件为依据，针对多煤层重复采动对矿区地质环境影响问题，采用节理裂隙调查、数值模拟等方法，首先根据组成坡体的岩性、节理裂隙特征、结构面形状及其充填物特征分析了坡体的结构特征，基于离散元法探讨多煤层重复开采过程中塑性分布、岩体内部裂隙扩展、水平位移场和纵向位移场的变化规律，分析了多煤层重复开采沉陷对矿区环境的累积影响

1 工程概况

1.1 地形地貌

发耳煤矿2007年对一、三盘区进行开采，开采过程中坡体产生大量采动裂隙，上覆坡体发生剥落、崩塌等地质灾害，对矿区周边村民生产生活造成威胁(图1)。根据矿区规划，拟开发五采区作为三盘区接替盘区。五采区位于湾河两侧，湾河北侧山高坡陡，自河床至一井区五采区永宁镇组灰岩顶部最大高差为800m。随着一井区五采区湾河北侧山体下二叠系龙潭组煤层开采，上覆坡体内部发生不连续的变形，尤其当多煤层重复采动时，大面积的采空区可能诱发和加剧地面塌陷和裂缝，不连续变形愈演愈烈，当超过岩体的抗拉强度时，坡体会发生垮塌破坏，垮塌岩体在重力作用下容易发生滚石灾害，影响山体下河流、道路安全。

图1 发耳煤矿一、三采区开采后坡体破坏Figure 1 Slope damage after mining in No.1 and No.3 mining area of Fa’er Coal Mine

1.2 地质条件

发耳煤矿五采区位于贵州高原西部，最大高差800m。地层走向N55°～60°E，倾向北西，倾角8°～28°，为平缓的单斜构造。

地层主要有上二叠统玄武岩组、龙潭组、下三叠统飞仙关组、永宁镇组及第四系。坡积层及崩积层多分布在同向坡、沟谷及斜坡平台上，坡体上部出露的地层为陡坡-反倾的永宁镇组灰岩，坡体近于直立，下部为缓坡-反倾的飞仙关组泥砂岩，构成西南地区典型的“上硬下软”型二元坡体结构。

1.3 采矿条件

发耳煤矿五采区设计生产能力为90万t/a。开采煤层为二叠系龙潭组1煤、3煤、5煤、7煤，煤层厚度0.88～3.61m，层间距5～35m，埋深120～1 250m，倾向长壁采煤法，工作面长度180m，年推进长度1 500～2 200m，全部垮落法管理顶板。相关煤层特征见表1。

表1 五采区可采煤层特征

1.4 采矿设计方案

发耳煤矿五采区分为五上采区和五下采区，采用下山开采。按设计开采1#、3#、5#、7#煤层，自上而下逐层开采。工作面接续由中部向南北方向双翼交替开采，避免形成孤岛开采。

2 坡体结构特征

2.1 工程地质分区

根据坡体地形地貌、地层岩性等影响因素，将五采区边坡分为6个区域(图2)。

2.2 节理裂隙统计

岩体节理裂隙的分析是工程地质评价岩体特征的重要依据。本次野外调绘主要对五采区发耳河北侧出露的飞仙关组砂岩和永宁镇组灰岩进行了统计。通过分析得出坡体出露地层飞仙关组优势结构面为190°∠83°及90°∠76°，永宁镇组优势结构面为247°∠73°及152°∠80°。

2.3 五采区坡体岩体结构特征

通过对五采区工程地质条件、煤层开采条件、斜坡结构特征、节理裂隙发育特征和岩土体强度变形参数进行总结分析，在工程地质分区的基础上得到发耳煤矿五采区分区地表变形与破坏模式(表2)。

图2 五采区工程地质分区Figure 2 Engineering geological division of the No.5 mining area

表2 五采区坡体岩体结构特征分析

3 多煤层重复开采沉陷地表变形特征研究

湾河北侧山体地形起伏巨大，地表坡向与坡体下地层倾向呈反倾结构，坡体下煤炭资源重复开采引起上覆岩体内应力重新分布，在地层原生节理裂隙和采动裂隙共同作用下，坡体结构特征符合材料力学中不连续工程地质问题。本次数值模拟采用udec离散元法对多煤层重复开采诱发地表变形进行模拟研究。

3.1 计算方案

3.1.1 模型建立

依据发耳煤矿五采区工作面布置特征及北翼山体形态，建立了计算模型如图3所示。

3.1.2 本构关系及力学参数

通过岩石物理力学试验(表3、表4)，结合现场调查修正，针对五采区煤层开采过程中的块体采用摩尔-库仑本构模型。针对多煤层重复采动形成的节理裂隙采用接触-库仑滑移本构模型。

表3 岩体力学参数

表4 节理力学参数

3.1.3 计算顺序

依据五采区采矿设计，开采煤层为1#、3#、5#及7#煤层，走向长壁式开采，下行式开采。

3.2 数值模拟计算结果

本次通过udec模拟了1#、3#、5#、7#4个煤层开采过程中岩质坡体变形破坏特征，分别从塑性区分布、岩体产生破裂位置、水平位移与纵向位移角度区分析多煤层重复开采沉陷地表的变形特征。

3.2.1 塑性区分布特征

由图4可知，1#煤层开采完成后，坡体塑性破坏为泥砂岩地层局部破坏，尚未影响至永宁组灰岩区域；3#煤层全部采出，坡体塑性区范围逐步扩大，仍以泥砂岩地层移动盆地为主；5#煤层开采完成后，坡体塑性区发育范围扩大至永宁组灰岩高陡岩体，随着7#煤层开采完成后，塑性区分布范围占据整个山体。

图3 研究区计算模型Figure 3 Numerical simulation model of study area

a.1#煤层

b.3#煤层

c.5#煤层

d.7#煤层图4 研究区计算模型Figure 4 Numerical simulation model of study area

3.2.2 岩体裂隙扩展特征

由图5可知：1#煤层开采完成后，坡体岩体裂隙不发育，尚未影响至永宁组灰岩区域；3#煤层全部采出，坡体裂隙范围逐步扩大，可能发生局部浅层滑坡；5#煤层开采完成后，坡体裂隙发育程度显著增加，影响坡体的整体稳定性；随着7#煤层开采完成后，永宁组灰岩内部拉张裂隙非常发育，潜在地质风险巨大。

a.1#煤层

b.3#煤层

c.5#煤层

d.7#煤层图5 不同煤层开采完成后岩体裂隙扩展Figure 5 Fracture expansion of rock mass after mining of different coal seams

3.2.3 水平位移特征

由图6可知，1#煤层开采完成后，地表水平位移较小；3#煤层全部采出，坡体水平位移逐步扩大，水平位移与纵向位移小于15cm；5#煤层开采完成后，坡体顶部水平位移量超过1.5m；随着7#煤层开采完成后，地表水平位移达-4m。

a.1#煤层

b.3#煤层

c.5#煤层

d.7#煤层图6 不同煤层开采完成后水平位移Figure 6 Horizontal displacement of different coal seams after mining

3.2.4 纵向位移特征

由图7可知：1#煤层开采完成后，坡体表现为沉降变形，纵向位移较，尚未影响至永宁组灰岩区域；3#煤层全部采出，纵向位移增大，可能发生局部浅层滑坡；5#煤层开采完成后，纵向位移3m，整体形成了大范围的滑坡；随着7#煤层开采完成后，地表纵向位移最大为7.1m，易发生大规模的崩滑灾害。

a.1#煤层

b.3#煤层

c.5#煤层

d.7#煤层图7 不同煤层开采完成后纵向位移Figure 7 Longitudinal displacement of different coal seams after minin

4 结论

1)在发耳煤矿五采区工程地质分区的基础上，通过野外节理裂隙统计、岩土体物理力学参数分析，对五采区不同分区的地表变形与破坏模式进行了分析，得出湾河南侧(S-Ⅰ区、S-Ⅱ区)岩体结构为缓坡-顺倾-软岩，破坏模式为塌陷沉降盆地，塌陷地裂缝；五采区湾河北侧(N-Ⅲ区、N-Ⅳ区)坡体结构为缓坡-反倾-软岩，破坏模式为砂岩段以局部“倾倒破坏”为主，泥岩段以表层剥离，滑塌为主，五采区湾河北侧(N-Ⅰ区、N-Ⅱ区)坡体结构为陡坡-反倾-硬岩，破坏模式为上硬岩层下软岩基座-大规模倾倒破坏。

2)高陡山体下多煤层重复开采引起的地表沉陷是一个复杂的时间和空间过程，具有明显的开采累积效应，重复采动引起高陡山体的附加水平移动、水平变形会导致山体变形活动更复杂。

3)高陡山体下多煤层重复开采诱发岩质斜坡变形破坏过程：单一煤层开采扰动—上覆岩体变形—多煤层重复采动—上覆岩体变形加剧—坡体沉陷开裂—坡体局部塌陷和崩塌”，经历了煤层开采初始变形、多煤层重复采动诱发坡体不均匀沉陷开裂，岩质斜坡整体垮塌失稳3个阶段。