采空區(qū)上覆滑坡形成機制分析*

段鵬飛

(山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院， 山西 太原 030006)

煤炭資源的地下開采，形成了大面積的采空區(qū)，可能誘發(fā)地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。比如，德國 Balkema 礦區(qū)、斯里蘭卡高原礦區(qū)、澳大利亞Ok.Tedi和Porgera礦山滑坡都與地下開采有關(guān)[1]。國內(nèi)湖北宜昌鹽池河滑坡、陜西韓城象山滑坡、重慶武隆雞尾山滑坡、陽泉礦區(qū)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害亦由采空區(qū)破壞所引起[2-6]。因而研究采空誘發(fā)山體滑坡的形成機制，對于預(yù)測和防治該類滑坡具有特別重要的意義。

對于采空區(qū)誘發(fā)山體滑坡的研究，Jones等采用數(shù)值模擬和物理模擬方法研究了加拿大 South Wales 滑坡，表明煤層開采使頂板產(chǎn)生拉應(yīng)力[7]；古訊通過定性分析與變形觀測相結(jié)合的方法，對韓城電廠滑坡的成因機制進行了研究[8]；梁明等結(jié)合滑坡學(xué)和開采沉陷學(xué)對地下采礦誘發(fā)山體滑坡的規(guī)律進行了研究[9]；周宏偉等運用物理模擬方法對覆巖采動裂隙的發(fā)育和分布特征進行了研究[10]；王玉川等采用定性分析和數(shù)值模擬的方法，研究了貴州馬達(dá)嶺滑坡的變形特征和成因機制[2]。

山西省喂馬滑坡為典型的采空區(qū)破壞引起的巖質(zhì)滑坡,本文以該滑坡為例，在詳細(xì)查明滑坡工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用定性分析和有限元數(shù)值模擬的方法對滑坡的變形特征和形成機制進行了深入研究，驗證了該滑坡的形成機制和致災(zāi)過程。研究結(jié)果對于預(yù)測該類斜坡變形破壞機制以及指導(dǎo)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治具有較大意義。

1 滑坡工程地質(zhì)條件

喂馬滑坡位于山西省和順縣，發(fā)生于 2013年08月 16日16點25分?；聟^(qū)地貌類型屬褶皺侵蝕中山區(qū)，微地貌類型為斜坡，斜坡東高西低，最高點位于斜坡坡頂，標(biāo)高為1471 m，最低點位于斜坡坡底，高程為1436 m，高差35 m，滑坡剪出口高程為1437 m?；掳l(fā)生后，滑體向前推進至宿舍樓前，阻斷場區(qū)內(nèi)部道路，所幸無人員傷亡。

滑坡區(qū)大地構(gòu)造位于呂梁-太行斷塊之次級單元沁水塊坳的東北部和太行山塊隆的北部，地層總體上為走向北東-南西、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角為8°～13°，平均10°。巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響和風(fēng)化作用較破碎，完整性較差?；聟^(qū)屬北暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為537.5 mm，年最大降水量達(dá) 1069 mm，降水量主要集中在 6～9月份。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及勘查資料，滑坡區(qū)地層巖性頂部為第四系上更新統(tǒng)粉土，其下為山西組（P1s）地層，基巖裸露，由中薄層軟硬巖互層組成，層間結(jié)合較差，主要由砂巖、泥巖和煤組成，巖層產(chǎn)狀為165°∠10°?；w平面形態(tài)呈不規(guī)則橢圓形，坡體主軸長62 m，寬約101 m，坡體厚度5～13 m，平均厚度9 m，體積約5.6×104m3，為小型基巖滑坡。坡體主滑方向260°，平均坡度30°，坡體后緣呈弧形，后壁錯縫明顯，高約0.23 m，前緣地層呈略翹起狀態(tài)。

滑坡區(qū)采煤活動可追溯到20世紀(jì)90年代，小煤礦曾開采滑坡下伏的 3號煤層，煤層平均厚度1.56 m，埋深為30～62 m左右，形成了大面積采空區(qū)。開采方式為短壁式炮采，全部垮落法管理頂板。

2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該斜坡坡向260°，地形上部稍陡，坡度約34°，下部相對較緩，坡度約25°。該斜坡是由硬巖（砂巖）、軟巖（泥巖）組成的硬軟巖互層結(jié)構(gòu)緩傾斜坡。泥巖風(fēng)化強烈，巖體較為破碎；硬巖節(jié)理發(fā)育，大體上呈次塊狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖性組合特征，斜坡上部及頂部，為第四系上更新統(tǒng)黃土，厚度約3.15 m，其巖性為粉土；在其下部，坡體由山西組地層(P1s)中薄層軟硬巖互層組成，巖體較破碎。

巖體節(jié)理以 LX1(330°∠80°)和LX2(250°∠72°)兩組“X”型共軛節(jié)理較為發(fā)育，LX1節(jié)理面一般平直光滑，LX2節(jié)理面局部呈鋸齒狀，張開寬度0.5～22.5 cm，節(jié)理縫局部見充填物，屬張開型裂隙，具有延伸和穿層性。由圖1可知，巖層傾角小于邊坡坡度，不利于邊坡的穩(wěn)定，節(jié)理結(jié)構(gòu)面組合有助于斜坡穩(wěn)定。

圖1 結(jié)構(gòu)面組合赤平投影圖

3 滑坡形成機制分析

3.1 滑坡的主要誘發(fā)因素

（1）煤層開采的影響。斜坡下覆 3號煤層厚度1.40 m，埋深約為30～62 m，采厚比小于45，屬于淺采空區(qū)。從煤礦的采掘平面圖可知，滑坡位于采空區(qū)范圍內(nèi)。煤層開采以后，采空區(qū)頂板產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)，在上覆巖層的重力作用下向下發(fā)生彎曲變形，超越其屈服應(yīng)力時，頂板錯斷，發(fā)生塌落，形成冒落帶，引起上部巖層形成裂隙帶和彎曲帶。由于斜坡下覆煤層埋深較淺，坡體在下沉過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使斜坡后緣產(chǎn)生拉張裂縫，割裂了滑體后側(cè)，使滑體抗滑力急速降低，坡體在重力作用下產(chǎn)生下沉變形而促進坡體的蠕滑。

（2）降雨的影響。研究區(qū)年平均降雨量為525～560 mm，降雨集中分布在6～9月份，占全年降雨量的70%以上，多為突發(fā)性強降雨，降雨沿著裂縫直接滲入滑動面，使滑帶抗剪強度降低，加速了滑坡的滑動，是后期滑坡發(fā)生的重要誘發(fā)因素。

3.2 滑坡形成機制

該滑坡巖體主要為山西組軟硬巖互層，通過地面調(diào)查和勘查可知：煤層的開挖和軟巖的塑性變形，使坡頂形成平列式拉張裂縫，裂縫的走向與采空區(qū)的走向近似平行。裂縫隨著采空區(qū)頂板的冒落破壞不斷向深發(fā)展，當(dāng)延伸至采空區(qū)的冒裂帶內(nèi)時，主滑面便基本貫通（見圖 2）。此時坡腳巖體和坡體中部錨固段便會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力的不斷累積和降雨的加劇作用下，坡體便會隨著鎖固段的突然剪斷而快速啟動，形成滑坡。此類滑坡的破壞模式可以概括為“塌落-拉裂-剪切滑移”。其發(fā)展過程可以分為以下4個階段：

圖2 采空區(qū)塌陷

（1）斜坡后緣拉裂階段。該斜坡為下伏軟巖的緩傾巖層，受重力控制，坡體內(nèi)軟巖受壓發(fā)生塑性變形，引起斜坡頂部拉應(yīng)力集中。煤層開采破壞了斜坡原來的力學(xué)平衡，引起斜坡應(yīng)力重新分布，使坡頂拉應(yīng)力增大，產(chǎn)生拉張裂縫。該階段的致災(zāi)模式主要表現(xiàn)為采空塌陷及其衍生的地裂縫。

（2）蠕滑拉裂-剪切變形階段。煤層開采后，采空區(qū)頂板的冒裂破壞以及上覆巖層的沉陷，使得坡體中部整體下沉，坡頂拉應(yīng)力逐漸變大，裂縫向深不斷延伸，同時雨水滲入裂縫，又產(chǎn)生靜水壓力和動水壓力，促進裂縫繼續(xù)擴展。上覆坡體在重力作用下向下錯動，驅(qū)使斜坡體向凌空面移動，坡體兩側(cè)邊界拉應(yīng)力逐漸增大，形成拉裂縫，坡體繼續(xù)向下蠕動，在坡腳受阻形成應(yīng)力集中區(qū)，剪切變形進一步加劇產(chǎn)生鼓脹裂縫。該階段致災(zāi)模式表現(xiàn)為由采空塌陷向滑坡過渡，災(zāi)害表現(xiàn)形式還是以地面塌陷為主，坡體的蠕滑是采空塌陷的附帶效應(yīng)。

（3）滑面貫通階段。連續(xù)的降雨沿著滑坡后緣地裂縫進入坡體沿滑面運移，滑面的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，滑面的抗剪強度顯著下降，同時裂隙水的運移產(chǎn)生的水壓力進一步加劇了坡體的變形，在坡體重力和裂隙水水壓力疊加作用下，整個滑面逐漸貫通，表現(xiàn)為滑帶中部鎖固段被剪斷，坡體側(cè)邊界裂縫與后緣裂縫貫通，斜坡前緣逐漸剪出，該階段是滑坡從蠕滑走向整體破壞的關(guān)鍵階段，滑坡后緣的地面塌陷及地裂縫切割了坡體，并為水的運移提供了通道，是滑坡最終發(fā)生的重要形成條件。

（4）整體破壞階段。2013年8月，在持續(xù)降雨條件下，滑面貫通后，在滑體的重力作用和雨水的水壓力復(fù)合作用下，應(yīng)力得到充分釋放，滑體整體下滑，阻斷場區(qū)內(nèi)部道路。此時致災(zāi)模式已經(jīng)表現(xiàn)為滑坡的整體破壞。

3.3 數(shù)值模擬分析

3.3.1 模型建立及參數(shù)選取

本次研究采用Midas GTS NX軟件對滑坡進行二維建模，通過分析斜坡在煤層開采前后坡體質(zhì)點的位移、應(yīng)力及應(yīng)變變化情況來還原斜坡的致災(zāi)過程，揭示斜坡的形成機制。模型采用均質(zhì)彈塑性材料，各巖土體層符合摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）強度準(zhǔn)則。采用鉆探、槽探等勘察手段進行巖土體取樣，通過室內(nèi)試驗方式獲得了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 巖土體參數(shù)

3.3.2 模擬結(jié)果分析

（1）位移及應(yīng)力分析。煤層未開挖前，整個模型的應(yīng)力表現(xiàn)為在坡體自重作用下分布較為均勻，但在坡體中上部較為集中，同樣坡體的變形也主要集中于坡體的中上部（見圖3（a）），最大位移值約為0.92 cm，坡頂位移值約為0.15 cm，坡腳處位移約為 0.12 cm，主要表現(xiàn)為坡體在自重作用下的位移變化。煤層開采后，整個模型應(yīng)力的分布與位移的變化，與煤層開采前相比發(fā)生了顯著的變化。受煤層采空影響，開采后坡體強變形區(qū)域顯著擴大，向坡頂、前緣、下部巖層延伸，出現(xiàn)了沿采空區(qū)頂板至斜坡表面的豎向下沉貫通區(qū)域，同時模型最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)上覆巖層以及采空區(qū)邊界地帶，超越采空區(qū)頂板屈服應(yīng)力時，頂板發(fā)生塌落，采空區(qū)上覆巖層沿Z軸方向發(fā)生了一系列的連鎖反應(yīng)。主要表現(xiàn)為在斜坡滑向上，以Z軸為中心軸，以采空區(qū)左右邊界地帶為外緣，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生了下凸的位移變形，位移值從Z軸到采空區(qū)左右邊界呈現(xiàn)對稱性變小趨勢；另一方面，在采空區(qū)上覆巖層下沉變形中，牽動斜坡坡體向下蠕動，在斜坡后緣采空區(qū)影響范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，在坡體自重和采空區(qū)破壞的疊加影響下，在坡體的中上部和頂部出現(xiàn)采空沉陷和拉張裂縫，模擬顯示坡頂位移值達(dá)18 cm，坡體上部最大位移值為21 cm。上覆坡體在重力作用下向下錯動，驅(qū)使斜坡體向凌空面移動，在坡腳受阻發(fā)生剪切變形，模擬顯示坡腳處位移為5 cm（見圖3（b））。數(shù)值模擬結(jié)果表明，斜坡最初的災(zāi)害表現(xiàn)形式是地面塌陷，坡體蠕滑的觸發(fā)是采空塌陷的衍生效應(yīng)；采空塌陷及地裂縫切割坡體，助力滑動面的形成，同時為水的運移提供了通道，后期降雨沿著裂縫滲入滑面，使滑帶抗剪強度降低，滑面逐漸貫通，加速了滑坡的發(fā)生。

（2）應(yīng)變分析。從圖 4可知，隨著煤層的開挖，坡體的剪應(yīng)變發(fā)生的區(qū)域和強度都發(fā)生了較大的變化。坡體的剪應(yīng)變在煤層開采前主要發(fā)生在潛在滑動帶處，采空區(qū)形成之后，應(yīng)變發(fā)生的區(qū)域顯著增大，形成了變形貫通區(qū)，強度也顯著增加，坡體相同位置的塑性應(yīng)變峰值達(dá)到0.0038，是未開采前的2.92倍，表明采空區(qū)破壞是滑坡形成和發(fā)展的主要誘發(fā)因素。采空區(qū)形成之后，坡體發(fā)生不同程度的沉陷，使軟硬巖之間的結(jié)合力不斷削弱，上方坡體的塑性應(yīng)變區(qū)域也在不斷擴大，拉裂縫不斷向深擴展，坡體在重力作用下向下蠕滑，在坡體中部錨固段和坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生剪切變形，形成鼓脹裂縫?？梢?，數(shù)值模擬的結(jié)果與喂馬滑坡形成機制的定性分析相吻合。后期在持續(xù)降雨條件下，當(dāng)變形超過臨界值時，坡體鎖固段突然被剪斷，此時應(yīng)力便會迅速釋放而引起坡體發(fā)生整體性破壞。

圖3 滑坡位移矢量圖

圖4 滑坡等效剪應(yīng)變圖

4 結(jié) 論

（1）喂馬斜坡主要由中薄層軟硬巖互層組成，層間結(jié)合較差，巖層傾角小于邊坡坡度，不利于斜坡的穩(wěn)定，巖體發(fā)育兩組節(jié)理，可分別形成斜坡變形破壞的后緣邊界和側(cè)邊界。

（2）采空區(qū)上覆坡體的破壞模式可以概括為“塌落-拉裂-剪切滑移”，喂馬斜坡最初的災(zāi)害表現(xiàn)形式是地面塌陷，坡體蠕滑的觸發(fā)是采空塌陷的衍生效應(yīng)；采空塌陷及地裂縫切割坡體，助力滑動面的形成，同時為水的運移提供了通道，后期降雨沿著裂縫滲入滑面，使滑帶抗剪強度降低，滑面逐漸貫通，加速了滑坡的發(fā)生。喂馬滑坡形成機制和致災(zāi)過程可分為4個階段，即后緣拉裂階段、蠕滑拉裂-剪切變形階段、滑面貫通階段、整體破壞階段。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤層開采后，斜坡應(yīng)力分布及質(zhì)點位移發(fā)生了顯著的變化，最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)上覆巖層以及采空區(qū)邊界地帶，引起頂板塌落，并形成沿采空區(qū)頂板至斜坡表面的下沉貫通區(qū)，在斜坡后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，最大剪應(yīng)變貫通至地表，表明采空區(qū)破壞是滑坡形成和發(fā)展的主要誘發(fā)因素。