井工開采條件下斜坡變形分帶特征分析

呂義清,劉鴻福

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

井工開采條件下斜坡變形分帶特征分析

呂義清,劉鴻福

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

選擇具有山區(qū)井工開采條件下代表性的斜坡-太原市古交風(fēng)峁頂斜坡為典型實(shí)例，根據(jù)斜坡在井工開采下變形特征，和斜坡所處地質(zhì)環(huán)境條件，并結(jié)合斜坡變形監(jiān)測實(shí)測資料，進(jìn)行了坡體不同部位下沉變形分析，得出了山區(qū)井工開采條件下斜坡變形破壞具有分帶性的特征是：坡腳的水平-隆起變形帶、坡腰的水平位移-下沉變形強(qiáng)烈?guī)Ъ捌马數(shù)乃轿灰?下沉變形減弱帶，可為類似地質(zhì)環(huán)境條件及采礦條件下地下開挖引發(fā)斜坡變形研究提供參考。

井工開采;斜坡;變形分帶

井工開采斜坡坡穩(wěn)定性問題在山區(qū)礦山開采活動(dòng)情況下廣泛存在。在斜坡下方進(jìn)行井工開采，必然會(huì)導(dǎo)致斜坡巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，引起巖體移動(dòng)[1-2]。井采采空區(qū)上方會(huì)出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，使斜坡原巖巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，巖體物理力學(xué)特性發(fā)生改變，從而對(duì)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[3-4]。在某些特定條件下甚至?xí)?dǎo)致斜坡失穩(wěn)，給斜坡周邊人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅和危害，甚至?xí)斐删薮蠼?jīng)濟(jì)損失[5]。

井工開采斜坡變形破壞現(xiàn)象以往多側(cè)重于近水平地面沉降和移動(dòng)研究，只是在近年來才逐漸被認(rèn)識(shí)和研究，特別是對(duì)斜坡巖體的自然變形與采空區(qū)塌陷誘發(fā)地面變形的發(fā)育特征相關(guān)性，以及兩者者之間的互饋機(jī)制則一直是涉及較少的難點(diǎn)問題之一[6-10]。因此，揭示斜坡下井工開采對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的內(nèi)在規(guī)律是一個(gè)非常重要和急待解決的問題。本文以以具有代表性的山西中部山區(qū)風(fēng)峁頂斜坡為研究區(qū)，對(duì)在井工開采條件下斜坡變形破壞機(jī)理進(jìn)行研究，風(fēng)峁頂斜坡地層結(jié)構(gòu)是由典型的煤系地層和上覆黃土層組成，坡體下主要開采2+3號(hào)煤層，受采礦活動(dòng)影響，坡體不同部位發(fā)生了不同形態(tài)的變形。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌條件

斜坡西北緊臨獅子河床,地勢陡峻,最高處風(fēng)峁頂標(biāo)高為1 145 m,西部汾河灘標(biāo)高僅1 030 m,最大相對(duì)高差約115 m,地形坡度基巖區(qū)最大坡角為48°,黃土區(qū)最大坡角為60°,平均坡角為35°,北東和南西兩側(cè)為沖蝕溝谷所分隔。經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕,地形較為復(fù)雜,溝谷多呈“V”字形,成為典型的侵蝕地貌單元。

1.2 地層巖性條件

1.2.1二疊系(P)

1)下統(tǒng)山西組(P1s)

底部為中細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)的北岔溝砂巖,其上部主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖和煤層組成。含煤4～5層,其中2+3號(hào)、4號(hào)煤層區(qū)域穩(wěn)定可采,為本區(qū)主要含煤地層之一。

2) 下統(tǒng)下石盒子組(P1x)

底部為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主,夾砂巖互層狀的駱駝脖砂巖,上部為以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主,夾砂巖和灰色泥巖。

3)上統(tǒng)上石盒子組(P2s)

底部為厚層狀中粗粒砂巖(K6),下部含有礫石。其上主要為細(xì)砂巖、粉砂巖或砂質(zhì)泥巖互層,夾有泥巖層。

1.2.2第三系(N)

上新統(tǒng)保德組(N2):分布于山梁與山坡之上。其下部為膠結(jié)疏松的砂礫石層,含2～3層鈣質(zhì)結(jié)核,上部為棕紅色粘土,含粉砂、細(xì)砂。砂礫石成分以石灰?guī)r、變質(zhì)巖為主。該組地層不整合覆蓋于下伏基巖上。

1.2.3第四系(Q)

多分布在山頂、溝谷、河床及山前沖積、洪積扇等處。

1)中更新統(tǒng)(Q2)

分布在山梁、山坡之上。以淡紅色、紅色粘土及砂質(zhì)粘土為主,中下部夾鈣質(zhì)結(jié)核3～5層。不整合覆蓋于下伏基巖上。

2)上更新統(tǒng)(Q3)

分布在山梁、溝谷兩側(cè)。為淺黃色粉砂土和亞粘土組成,底部含有豆?fàn)?、卵狀鈣質(zhì)結(jié)核,土層疏松,孔隙度大,垂直節(jié)理發(fā)育。不整合覆蓋于下伏基巖或離石黃土上。

3)全新統(tǒng)(Q4)

多分布在河谷及大的溝谷中。主要為礫石、卵石及砂、土等沉積物混合堆積組成的近代沖積物、洪積物和坡積物組成。碎屑多為石灰?guī)r、變質(zhì)巖、砂巖等巖石風(fēng)化、破碎形成,分選差,磨圓差。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造條件

據(jù)地表調(diào)查和相關(guān)地質(zhì)資料分析,區(qū)內(nèi)發(fā)育有三條正斷層 (F17，F(xiàn)19和F20),走向與獅子河近似平行,向南東傾斜,傾角較大,斷距5～40 m,組合成階步狀。

F17正斷層:走向北東30°,傾向南東,傾角65°,斷層下盤為二疊系下統(tǒng)下石盒子組上部砂巖層,上盤為二疊系上統(tǒng)上石盒子組中下部紫紅色砂質(zhì)泥巖,推測斷距約40 m。

F19正斷層:位于F17正斷層西側(cè)約130m處。斷層走向北東25°,傾向南東,傾角65°,斷距約6 m。延伸長度約900 m。

F20正斷層:位于F17正斷層西側(cè)約20m處。斷層走向北西31°,傾向南東,傾角60°,斷層落差約20 m。延伸長度約350 m。

1.4 采煤活動(dòng)

研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。太原組含煤6層,即8號(hào)、8下號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、12號(hào)。山西組含煤6層,即02號(hào)、03號(hào)、1號(hào)、2+3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、7下號(hào)。

研究區(qū)煤礦開采2+3號(hào)煤層,采煤方法為走向長壁布置工作面,走向長為630 m,傾斜長120 m。全部垮落法,高檔普采,垮落法管理頂板。采空區(qū)位于坡頂正下方,面積24 000 m2。

2 地下采煤后斜坡變形發(fā)育特征

風(fēng)峁頂斜坡巖性由土質(zhì)和基巖組成。斜坡長約140 m,寬約210 m,面積29 400 m2,體積588 000 m3,規(guī)模等級(jí)為中型。坡體主軸方向318°,平均坡度50°。該斜坡體前緣標(biāo)高1 036 m,后緣標(biāo)高1 146 m,平面上呈不規(guī)則的半圓形,剖面上近似凸型。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,坡體出現(xiàn)較大的變形,在山頂主要表現(xiàn)為下陷,在山腰主要表現(xiàn)為向外擠壓錯(cuò)位,山腳公路旁側(cè)形成壓性地裂縫,裂縫狹窄,線性延伸,伴隨有地面隆起變形和地面構(gòu)筑物擠壓碎裂現(xiàn)象。

2.1 山頂?shù)貛ё冃翁卣?/p>

山頂?shù)貛У亓芽p共見有11條,延伸長度在15.7～139.20 m之間,裂縫寬度為1～15 cm,在風(fēng)峁頂北側(cè)見地裂縫深度約為30 m,規(guī)模大,極為發(fā)育,呈線性近似平行展布,下錯(cuò)5～40 cm。以張性裂縫為主,裂縫寬窄不一,相向而傾,高角度傾斜,形成地塹。依據(jù)傾斜差異分為兩組,一組裂縫走向39～219°和58～238°,傾向309～328°,傾角約78～80°;另一組裂縫走向39～219°和58～238°,傾向130～150°,傾角約78～80°。

2.2 山坡地帶變形特征

山坡地帶地裂縫發(fā)育較差,以壓性裂縫為主,與山頂處地裂縫相比規(guī)模較小。裂縫長7～24m,一般小于10 m,寬1～2cm,近直立延伸,陡峭地段巖層外傾,形成危巖體。鐵路邊發(fā)育多條擠壓鐵路方向的裂縫,裂縫長度分布不等,寬度約1～5 cm,有明顯向外擠壓錯(cuò)位現(xiàn)象。

2.3 山腳地帶變形特征

山腳地帶公路、涵洞、斜坡、明渠及公路下獅子河岸邊堤壩地帶共發(fā)育7條擠壓裂縫,形成地面隆起,隆起高度約10 cm。裂縫長度分布不等,約為2.4～58.20 m,一般長約20 m,寬度約1～4 cm。

3 斜坡變形破壞監(jiān)測

3.1 變形監(jiān)測過程

針對(duì)本斜坡的地質(zhì)條件及變形特征,共布設(shè)三縱一橫總共4條測線(圖1),其中A002-015，B002-015，C002-014三條測線的布設(shè)均垂直于坡體的走向,該方向被認(rèn)為斜坡的主滑方向,同時(shí)在斜坡的底端的陡坎附近布設(shè)了AC01-AC03及BC01-BC03,這六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與A002、B002及C002組成一條測線監(jiān)測陡坎附近、斜坡前緣的變形特征。對(duì)坡體關(guān)鍵部位的47個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的地表變形位移進(jìn)行了為期1個(gè)水文年的監(jiān)測。

3.2 變形監(jiān)測結(jié)果分析

針對(duì)斜坡下沉量監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理,通過對(duì)各點(diǎn)累計(jì)量的處理,得到如圖2的下沉等值線,從圖中可以看出,在斜坡上每條線的10號(hào)點(diǎn)附近的下沉量可以代表本滑動(dòng)斷面的最大下沉量,從10號(hào)點(diǎn)向坡底以及坡頂延伸變形量逐漸減小,在坡底最終出現(xiàn)了鼓脹的現(xiàn)象。

圖1 斜坡變形監(jiān)測工程平面布置圖

圖2 下沉等值線圖

通過對(duì)斜坡水平位移和垂直位移監(jiān)測結(jié)果的分析,將風(fēng)峁頂不穩(wěn)定斜坡從山頂?shù)缴侥_沿采空區(qū)延伸方向分為三個(gè)帶(圖3)。

a帶(水平變形-隆起帶):即擠壓帶。該帶主要變形特征表現(xiàn)為斜坡變形以水平位移為主,同時(shí)表現(xiàn)為在鐵路、公路及河床地帶的地面隆起。

b帶(水平位移-下沉強(qiáng)烈?guī)?:即拉伸帶。該帶主要變形特征表現(xiàn)為斜坡變形水平位移和下沉變形強(qiáng)烈。

c帶(水平位移-下沉減弱帶):即沉陷帶。該帶主要變形特征表現(xiàn)為斜坡變形水平位移和下沉變形減弱,表現(xiàn)出采煤沉陷的變形特征。

4 結(jié)論

1) 以具有典型代表性實(shí)例風(fēng)峁頂斜為研究對(duì)象,地形上屬于不均衡地貌,軟硬結(jié)構(gòu)面以及上覆土層與巖層之間接觸面為不穩(wěn)定斜坡變形提供了先決條件;其下部為礦山采空區(qū),由于采空區(qū)空間范圍大,支撐點(diǎn)少,使煤層上覆巖層架空,破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),采空區(qū)頂板巖層在自身重力和其上覆巖(土)體的壓力作用下,向下彎曲并滑移變形。當(dāng)頂板巖層內(nèi)部形成的拉張應(yīng)力超過該巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí),直接頂板發(fā)生冒落,上覆巖層彎曲、移動(dòng)、破裂,隨著采空范圍擴(kuò)大,導(dǎo)致地表變形。

2) 根據(jù)山體變形分析研究,斜坡在地下采動(dòng)引起的斜坡變形機(jī)理,不同于地勢平坦地區(qū)地下采空區(qū)上覆巖體的移動(dòng),也有別于一般山坡的變形與破壞。得出井工開采條件下斜坡變形破壞可分為三個(gè)帶,即位于坡腳的水平變形-隆起帶、位于坡腰的水平位移-下沉強(qiáng)烈?guī)Ъ拔挥谄马數(shù)乃轿灰?下沉減弱帶。

圖3 滑移變形分帶示意圖

[1]李文秀.復(fù)雜地形地下采礦自然坡穩(wěn)定性研究[J]. 湖南冶金，1996(3):15-18.

[2]崔杰,王蘭生,王衛(wèi),等. 采空區(qū)斜坡變形破裂演化機(jī)制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào).2008,25(4):409-414.

[3]隋旺華.開采沉陷土體變形工程地質(zhì)研究[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999:21-35.

[4]Yin Yueping, Sun Ping,Zhang Ming ,et al. Mechanism on apparent dip sliding of oblique inclined bedding rockslide at Jiweishan,Chongqing, China. Landslides, published online: 12 August 2010.

(編輯：張愛絨)

AnalysisonSlopeDeformationZoningundertheConditionofUndergroundMining

LYUYiqing,LIUHongfu

(CollegeofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

As a typical example, Fengmaoding slope located in Gujiao, Taiyuan,was selected to analyze the deformation under the condition of underground mining, in mountain area. According to the slope deformation characteristics, its geological environment, and real monitoring data of slope deformation, the deformation of different parts of the slope was analyzed，and a conclusion was drawn that the deformation of the slope was characterized by its zoning, i.e., horizontal upheaval band at toe of slope, intense horizontal displacement and subsidence band in the middle of the slope, and weak horizontal displacement and subsidence band on the top of the slope.This study provides references for the research of deformation caused by underground excavation slope.

underground mining;slope; deformation zoning

2013-08-10

國家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41103052)

呂義清(1970-),男,山西河曲人,博士，講師,主要從事環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)教學(xué)與科研工作,(Tel)13934664320

1007-9432(2013)02-0270-04

TD167

:A