老地沟煤矿采动斜坡危岩稳定性及防治研究

姬晓东，鲍大忠

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队，贵州 六盘水 553000）

1 概述

贵州省是我国南方煤炭储量大省，素有南方“煤海”之称[1-3]，其中贵州西部山区的含煤地层分布较广。在这些高陡山区，地下采煤极易引起上部高陡斜坡发生变形，产生高位崩塌、滑坡等地质灾害[4]。近几年已发生如纳雍县张家湾镇普洒村崩塌[5]、凯里龙场镇崩塌[6]等多起大型高陡采动斜坡高位崩塌灾害，造成了大量的人员伤亡和财产损失。对于地下采煤引起潜在高位崩滑灾害，具有哪些特征，成因机制如何，危害程度多大，备受国内外学者的关注。

目前对于采煤引起的高位崩滑地质灾害的研究多集中于现场调查发育特征及诱发因素等方面，更为准确有效的查明潜在危岩体的稳定性分析及运动过程，对防治对策的实施尤为重要[7]。陈宙翔[8]等采用无人机倾斜摄影技术研究了强震区公路高位危岩崩塌的形成机制并开展稳定性评价。孙敬辉[9]采用数值模拟研究了重庆额子岩崩塌落石动力学特征，并基于模拟结果开展危险性分区。熊绍真[10]运用离散元方法模拟了普洒崩塌的破坏过程并与崩塌实际过程进行对比,证明了离散元方法研究崩塌过程的可靠性。

贵州老地沟煤矿便为典型的采矿引起的斜坡高位崩塌灾害。该斜坡危岩体现具长大裂缝与变形破坏，威胁坡下的主工业场区、煤矿瓦斯发电站、玉马公路及39 户212 人的生命财产安全，存在严重安全隐患。本文将以老地沟煤矿采动斜坡为例，结合无人机调查，获取危岩发育特征，并采用三维数值模拟方法对危岩体稳定性进行分析评价，最后提出防治对策，以期达到防灾减灾的目的，对类似采动斜坡高位崩滑灾害的防治提供一定的参考价值。

2 地质背景

老地沟煤矿位于六盘水市水城区西偏南部勺米镇坡脚村。区域内为切割剧烈的中山区，陡岩坡度在35°～85°之间，地势北东高，南西低。区域出露地层有：二叠系峨嵋山玄武岩组（P2-3em）、龙潭组（P3l）、三叠系飞仙关组（T1f）、嘉陵江组（T1-2j）及第四系（Q）。总体地层走向NW，倾向NE。含煤地层受侵蚀切割，地形复杂，坡度稍缓，坡度在35°左右，煤层露头一般标高1300～1600m。区内地势北东高，南西低，最高点位于北东部断崖山顶，高程2184.40m，最低点位于南东部，高程1321.4m，相对高差863.00m。研究区位于格目底向斜南翼东段。全区气候温和湿润，雨量充沛。区域内采空区环境较为复杂，存在多期次开采历史，留有较大规模的采空区，已造成上方山体裂隙及危岩体的加剧变形，部分危岩发生脱落，结构完整性及稳定性受到影响，严重威胁到所在地煤矿和村民的生命财产安全。

3 斜坡及危岩体现状

3.1 斜坡基本特征

研究斜坡位于煤矿工业广场北东侧，顶部高程2089m，陡缓交接处2020m，底部缓坡河流高程约1350m。斜坡顶部上部为缓坡平台，上部陡峭，坡度近直立陡崖，坡向约223°，其下紧接约20m宽的平台。斜坡中部发育多条狭窄沟谷，坡度约35°～50°。斜坡底部为缓坡。陡崖出露地层为嘉陵江组（T1-2j）中厚层泥灰岩、灰岩、白云质灰岩和白云岩，产状41°∠22°。岩体发育有两组节理面，产状为73°∠82°和221°∠59°，风化掉块严重。斜坡中部出露岩体为飞仙关组（T1f）的细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。地层岩性为上硬下软，斜坡结构类型为存在软弱基座的缓倾内陡坡。

3.2 危岩体发育特征

危岩体在地形上处于山梁突出位置。后缘（顶部缓坡平台）发育有两条大的裂缝LF1和LF2。潜在崩塌体前端纵向长度约80m，横向宽度约60m，厚度约21m，危岩体的体积方量约10×104m3。潜在崩塌后端纵向长度约20m，横向宽度约20m，厚度约7m，危岩体的体积方量约0.28×104m3。

危岩前端的右侧边界（左右以面向崩塌运动方向判断），后端的右侧边界尚未形成。坡表存在由上部向下推挤形成的压碎破坏，形成局部崩塌。部分形成表观裂缝，尚未贯通。危岩前端的已存在由破坏岩体形成的陡崖和底部剪出滑面，揭示破坏形式为后缘的拉裂—底部的陡倾角剪出破坏。中上部岩体为镶嵌—块裂结构，后缘拉裂面已贯通。下部岩体为压碎带，岩体破碎，但尚未形成贯通性的破坏面，为锁固段。

危岩前端的左侧边界揭示岩体厚度有一定变化，顶部岩体厚约15m，底部厚度约29m。中上部边界贯通性较好，主要表现为倾倒形成的雁列式拉张裂缝，中下部尚未形成贯通性破坏面，为岩体的锁固段。危岩体出现局部崩塌掉块现象，崩塌掉块岩体堆积于危岩带下部平台及落石槽中。见图1。

图1 斜坡及高位危岩全貌图

3.3 监测数据

危岩体上部的GNSS监测仪器结果显示，自9月以来，已发生明显的下降和横向位移，且随时间而不断加速位移。累积下降位移量达到1272.10mm，累积横向位移量达到427.60mm。记录到12月初，位移曲线的变化趋势仍在继续。见图2。

图2 坡表位移监测曲线

4 稳定性分析

危岩前端的中上部裂缝基本形成且贯通，右侧出现下错现象，整体稳定性较差，危险性高；左侧至右侧的剪切滑动面尚未贯通，存在锁固段，目前仍处于累进性变形阶段，尚未达到整体破坏的条件。岩体右侧裂缝贯通性好且底部岩体压碎已出现局部破坏，左侧主要为中上部的倾倒拉张破裂而底部岩体仍处于压碎累进变形，右侧稳定性相对左侧稳定性差，且右侧岩体破碎松动，已出现局部掉块崩塌。危岩后端稳定性受前端影响较大，前缘具有压脚锁固作用，当前端失稳或被全部清除后，后端的稳定性将受到较大影响，若前端失稳，将形成新的陡崖及新的潜在崩滑体。

4.1 危岩体稳定性

由于采矿因素的影响还没有成熟的定量计算方法，研究根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZT0219-2006），采用折线型传递系数法计算危岩体的稳定性。计算考虑天然、暴雨工况。暴雨状态只考虑水对岩体参数的弱化和裂隙水压力，暴雨状态下裂隙充水高度取1/3h（根据裂隙发育情况和汇水情况而定）。底部滑面段岩体强度参数按结构面连通率80%进行取值，计算参数见表1。结构面根据岩性特征和野外调查结果，抗剪强度参数取值参考《工程岩体试验方法标准》（GB/T-50266-99），天然状态下结构面结合程度为结合一般，暴雨状态下结合程度为结合差。本次计算根据危岩体形态特征和物质组成，选择I-I′剖面、II-II′剖面和III-III′剖面作为计算剖面（图3），潜在滑面主要依据现场调查、裂隙发育情况综合确定。

表1 岩体参数取值表

图3 稳定性计算选取剖面线

计算结果（表2）得出，天然工况下危岩体整体处于极限平衡状态，暴雨工况下极容易失稳，容易发生滑移式破坏，其中危岩前端已出现局部破坏。若考虑采矿引起的拉应力集中，危岩体在天然工况下整体稳定性差，可能使危岩体产生由陡倾坡外两组结构面控制的倾倒拉裂—滑移式崩塌破坏。

表2 稳定性结果

4.2 危岩体崩塌运动模拟

为了研究危岩体破坏运动对下方梭沙村、工业广场、瓦斯发电站及其附近居民点的影响，采用PFC模拟方法研究了危岩体及局部破坏的部分落石运动路径。考虑2 种工况：①危岩前端整体滑移式破坏，体积10×104m3物质的运动。②危岩前端整体滑移式破坏，并带动下部平台堆积体，体积13×104m3物质的运动。

工况1中，落石主要沿二级平台下三处泥石流沟开始向下运动（图4中黑色箭头方向）。西边滑动最大距离为660m，无威胁对象；东至勺米镇中学处泥石流冲沟，滑动距离为1134m；南部滑落至工业广场及其西部居民房屋处，最大滑动距离为1001m。崩塌体落石直接穿过的建筑物及公路范围，主要为工业广场及其左边沟谷区的居民房屋。

图4 PFC数值模拟结果

工况2中，落石主要沿二级平台下四条泥石流沟开始向下运动（图4中黑色箭头方向）。西边滑动最大距离为832m，无威胁对象；东至勺米镇中学右部泥石流冲沟，滑动距离为1094m；南部滑落至工业广场及其西部居民房屋处，最大滑动距离为1000m。崩塌体落石直接穿过的建筑物及公路范围，直接威胁区域为工业广场、瓦斯发电站。少量崩塌落石滑落区域及泥石流范围，在其运动路径上存在建筑物或防护措施的拦截，并未受到落石撞击的直接威胁，但仍在影响范围内。

5 防治对策思考

为了应对危岩体崩塌可能形成的严重灾害，根据其发育特征，按照防治原则，提出“削方减载+被动防护”的防治对策。在崩塌危险源区，对危岩体削方减载，提高危岩体稳定性系数；在落石运动堆积区，分级被动拦防，降低或消除落石危害。

削除危岩体1/2高度，削方高度为40m。采用四级放坡设置，最低点马道高程2076m，高程每增加10m设置一个马道，位于变形体内的马道宽度设置为10m，位于变形体外的马道宽度设置为3m，坡高比1∶0.75，马道高程、边坡轮廓保持不变，两侧以水平方向45°角向陡崖边缘修整，削方体水平投影面积3574m2，削方方量约为7×104m3。削方减载后稳定性计算结果为：I-I′剖面天然工况下稳定性系数为2.13、暴雨工况下稳定性系数为1.71；II-II′剖面天然工况下稳定性系数为1.50、暴雨工况下稳定性系数为1.15；III-III′剖面天然工况下稳定性系数为1.47、暴雨工况下稳定性系数为1.13。经过削方减载后，危岩稳定性明显提高。

设计防治对策布置思路为：在危岩体顶部及下方设置位移及裂缝监测点，在斜坡下方沟道内设置混凝土拦石墙和落石槽，在斜坡顶部后方平台上设置土石临时转运场。此外，在削方期间对坡下部分居民点、老地沟煤矿工业场地，梭沙村泥石流沟底进行临时避让。

6 结论

老地沟煤矿上部危岩体为具有软弱基座的缓倾内陡斜坡。危岩体后缘裂缝开裂变形严重且有下错现象，稳定性差。下部尚存在未剪断的锁固段。处于累进性变形阶段。稳定性计算结果说明右侧稳定性比左侧稳定性差。天然工况下危岩体整体处于极限平衡状态，暴雨工况下极容易失稳，容易发生破坏。若考虑采矿引起的拉应力集中，危岩体在天然工况下整体稳定性差，可能使危岩体产生由陡倾坡外两组结构面控制的倾倒拉裂—滑移式崩塌破坏。

危岩体破坏后的运动模拟结果显示，10×104m3时落石可能会直接穿过工业广场及其左边沟谷区的居民房屋；13×104m3时落石可能会穿过工业广场、瓦斯发电站，并且少量落石将滑落至泥石流沟道范围，因在其运动路径上存在建筑物或防护措施拦截，并未受到落石撞击的直接威胁，但仍在影响范围内。防治对策思路主要为削方减载+被动防护，削方后的危岩体能处于稳定状态。在斜坡下方沟道内设置混凝土拦石墙和落石槽，增设土石临时转运场。注意在削方期间对可能受影响的部分居民点、老地沟煤矿工业场地、梭沙村泥石流沟底进行临时避让。此外，仍需加强对危岩体的监测。