煤层开挖对槐扒滑坡稳定性的影响

苏超鹏，王贵生

（河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008）

近年来，不规范煤层开挖引起的地质灾害越来越频繁，人类的工程活动已经成为地质灾害的主要诱因。对于三门峡槐扒滑坡，以往学者研究多集中于滑坡体探测、滑坡体处理技术以及滑坡体组成成分[1]性质的分析上，对滑坡诱发因素的影响涉及较浅，尤其是对煤层开挖对滑坡变形的影响研究较少。本文以三门峡槐扒滑坡[1-3]现场勘探资料、试验数据和变形监测数据为基础，建立了滑坡煤层开挖有限差分分析模型，分析了滑坡渡槽毁坏区域在煤层开挖作用下的变性分布特征，并与地表实测沉降数据进行了对比分析，为槐扒滑坡治理提供了一定依据。

1 滑坡简介

研究滑坡位于河南省三门峡市渑池县和义马市境内，滑坡呈圈椅状，南北长约495m，东西长约370m，滑体面积约20.0 万m2，体积约400 万m3，属于大型中深层岩土质滑坡。滑坡后缘地形较陡，中部平缓，前缘西南地形较陡，而西北地区受人为活动（铝矿露天开采矿区）影响，地形较为平坦。滑坡变形边界两侧陡坎极其明显。

2 滑坡成因分析

2.1 滑坡变形现状

裂缝因所处地形、地质结构等的不同，在滑坡的形成中表现为剪切裂缝、鼓张裂缝和张拉裂缝三大类型。

2.2 滑坡变形机理分析

2.2.1 内在原因

（1）地形地貌：滑坡区的地貌单元属侵蚀、剥蚀中低山，地势南高北低，坡向约298°，平均坡度约20°，滑坡上部坡面较陡约为30°，下部坡面较平缓，滑坡前缘临空条件较好，岩土体表现出退滑现象。滑坡两侧冲沟发育，地形较陡，左侧冲沟切割深度较深。

（2）地层岩性：地层岩性自上而下分别为第四系上更新统冲积的重粉质壤土、第四系中更新统冲洪积的重粉质壤土（中间夹有老滑坡体的全、强风化的基岩）以及全风化的基岩。

（3）水文地质条件：滑坡周界是地形陡峻的环形中山，雨季地表水由外围山体呈马蹄状汇入坡体内。滑坡体后缘，存在人工开挖的排水沟，并堆放开矿矿渣，坡体表面的拉张裂缝、剪切裂缝、鼓胀裂缝纵横交错，地表水极易渗入，内部排水条件较差，汛期来临，降雨量逐渐增大，整个坡体逐渐容易呈现出饱和状态，致使斜坡体内部动水压力激增诱发滑坡。

2.2.2 外在原因

滑坡变形范围内，人类工程活动频繁，多为铝土矿、煤的开采[4]。滑坡前缘由于受到人为开采矿石的影响，逐渐形成南北长约220m，东西长约180m 的矿坑，开挖深度约20.0m，深度最深可达30.0m，开挖方量约为70.0 万m3。滑坡内共有7 眼人工开挖的矿井，井深较深，多为铝土矿矿井，小煤窑30 余处，煤矿采空区上部地面经常发生沉陷，对坡体稳定性极不利[1]。

滑坡坡脚铝土矿的开采造成前缘形成高差达20m 以上的临空面，且滑坡后缘山顶开矿堆放的矿渣，滑坡体内存在的矿井，以及巷道与采空区的变形，共同破坏了坡体的自然平衡条件。采空区引起岩土体的变形效应较为复杂，残余变形时间较长，累积变形量逐渐加大，且改变了原有的应力平衡、地下水、坡体地质结构等[5,6]。

3 煤层开挖稳定性分析

3.1 研究对象

煤层开挖[7,8]造成的采空区是滑坡发生的主要诱因之一，采空区的分布特征与矿体的分布特征具有一致性，矿体呈现层状产出。根据收集的资料，槐扒提水工程渡槽毁坏段的工程场区下部多分布有煤矿、铝土矿的巷道及采空区。煤层M-1、M-2 为主采煤层。煤层M-1 局部可采，埋藏深度14.7～16.2m，煤层开采底板标高285.14～286.64m，可采范围内煤厚0.50～1.50m。煤层M-2 局部可采，埋藏深度31.5m 左右，煤层开采底板标高277.0m 左右，可采范围内煤厚0.50～1.10m。

渡槽毁坏段，由于开采煤矿资源，使其基础大部采空，从主巷道及两侧采空部分观测，巷道高1.7～2.0m，宽度达5～7m，巷道分布呈“F”型，工程区两侧10～20m 范围内基本采空。从图1 可以看出，煤层巷道主要分布于滑坡4-4'剖面的后半段，因此，本文主要对槐扒滑坡研究区域4-4’剖面运用有限差分软件FLAC3D 进行数值计算分析。

图1 槐扒滑坡研究区域工程地质4-4'剖面图

3.2 计算剖面

计算剖面如图1，各土层采用摩尔库伦本构模型，网格采用以六面体为主的混合网格划分方式，划分时自动匹配相邻面。计算剖面长197.2m，高132m，宽10m，模型概况如图2。

图2 槐扒滑坡研究区域工程地质4-4'剖面模型概况图

3.3 计算工况

本次模拟主要针对于在现有地层情况下，未开采煤矿时的坡体变形与采空局部煤层时的坡体变形场进行对比分析。

3.4 计算参数

根据小浪底库区工程地质条件类似、滑带土性质相近的库岸滑坡等工程实例，结合试验数据和工程经验，提出滑坡各个土层抗剪强度参数建议值见表1。

3.5 计算结果

设置好监测点和收敛比，对模型进行计算。

从图3 可以看出，未开挖煤层时，研究区域主要变形区位于坡体后缘和中部，最大变形量为4.97cm，总变形区与沉降区域分布基本一致，最大沉降量为4.8cm。

图3 研究区域未开挖煤层时总变形与沉降云图

从图4 可以看出，煤层开挖后，坡体变形区主要集中于两层煤层采煤巷道顶板处至地表处，其中M-1 煤层右侧采煤巷道顶板处变形最大，最大变形量为33.84cm，总变形区域略大于沉降区域，最大沉降量为33.82cm。

图4 研究区域开挖煤层后总变形与沉降云图

从图5 可以看出，未开挖煤层时，坡体后缘处变形先上升后趋于稳定，沉降量与约为4.7cm；坡体中部和前缘处变形先上升后趋于稳定，沉降量与约为4.7cm，各处采煤巷道顶板和底部沉降量基本为0 值。

图5 研究区域未开挖煤层时监测点沉降曲线图

从图6 可以看出，煤层开挖后，坡体后缘处变形先上升后趋于稳定，沉降量与约为4.7cm；第一层M-1 煤层采煤巷道底部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为0.33cm/月，最大沉降量约为5cm，巷道顶部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为1.40～2.22cm/月，最大沉降量约为21.0～33.3cm；第二层M-2 煤层采煤巷道底部沉降量基本为0 值，巷道顶部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为1.31～1.86cm/月，最大沉降量约为19.6～27.9cm。上层M-1 煤层采空区及巷道因顶板为软质风化岩，并且埋深浅，深厚比小，很容易沉陷松弛变形，变形范围和变形值较大，而下部的M-2煤层采空区及巷道顶板为厚约6.5m 的硬质灰岩，形成有效的支撑顶板，变形相对较小。

图6 研究区域开挖煤层后监测点沉降曲线图

煤层开挖后，明槽改渡槽段1#、2#桩顶在2008年12 月23 日到2010 年7 月22 日沉降动态观测资料处理后得图7。从图7 可以看出，12 月23 日之后，坡体前缘渡槽破坏位置1#桩顶沉降量为19.1cm，2#桩顶沉降量为28.9cm，数值计算中，2#桩顶处沉降量为28.3cm，数值模拟与实际监测沉降量一致。

图7 槐扒滑坡渡槽破坏段1#、2#桩顶与模拟监测对比沉降曲线图

4 结论

（1）矿区开挖不规则、采空区分布广泛、矿渣的随意堆放以及岩土体所受推动力的复杂性，造成槐扒滑坡滑动后裂缝杂乱，存在横向裂缝和纵向裂缝，但多以表层的浅部半圆形张拉裂缝为主。

（2）煤层开挖形成的采空区是三门峡槐扒滑坡主要诱因之一，煤层开挖后，坡体后缘处变形先上升后趋于稳定，沉降量与约为4.7cm；第一层M-1煤层采煤巷道底部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为0.33cm/月，最大沉降量约为5cm，巷道顶部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为1.40～2.22cm/月，最大沉降量约为21.0～33.3cm；第二层M-2 煤层采煤巷道底部沉降量基本为0 值，巷道顶部沉降呈线性上升趋势，沉降速率为1.31～1.86cm/月，最大沉降量约为19.6～27.9cm。

上层M-1 煤层采空区及巷道因顶板为软质风化岩，并且埋深浅，深厚比小，很容易沉陷松弛变形，变形范围和变形值较大，而下部的M-2 煤层采空区及巷道顶板为厚约6.5m 的硬质灰岩，形成有效的支撑顶板，变形相对较小，变形分布规律为槐扒滑坡的治理提供了一定依据。

（3）2018 年12 月23 日之后，坡体前缘渡槽破坏位置1#桩顶沉降量为19.1cm，2#桩顶沉降量为28.9cm，数值计算中，2#桩顶处沉降量为28.3cm，数值模拟与实际监测沉降量一致■