貴州山區(qū)煤礦采動引起地表斜坡變形破壞特征

李元武 王加雙 彭大江 李官博

摘 要：本文以貴州省都勻市某出煤洞坡為研究對象，分析了坡體變形特征，結(jié)果表明，坡體變形以裂縫為主，且裂縫的形成和發(fā)育與采煤活動密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：山區(qū);斜坡;變形;采煤

1、引言

據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)人類生活或開展工程的山區(qū)內(nèi)，幾乎都發(fā)生過地質(zhì)災(zāi)害，如山體滑坡、泥石流、地裂縫等等，危害性僅次于地震。我國陸地存在大量山嶺，斜坡失穩(wěn)的災(zāi)害每年都有發(fā)生，且種類眾多、分布范圍廣，特別是西南山區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重，也是世界上山區(qū)斜坡失穩(wěn)較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。

以往的災(zāi)害事故表明，盡管發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域環(huán)境條件各異，但根本原因都是具備有利于災(zāi)害發(fā)育的地形地貌，且70%以上大型災(zāi)害事故的發(fā)生都與人類工程活動相關(guān)，如礦山開采、開挖隧道、修筑水庫等等，引發(fā)了大量的崩滑地質(zhì)災(zāi)害，也得到了人們廣泛的關(guān)注。其中，礦山井工開采活動導(dǎo)致的斜坡失穩(wěn)又占據(jù)了比較大的比重，除導(dǎo)致地表和地下設(shè)施的損毀，還可能導(dǎo)致人員傷亡，造成大量的財產(chǎn)損失。

因此，加強(qiáng)對地下開采誘發(fā)的斜坡變形成條件、機(jī)制、失穩(wěn)過程等研究，對于進(jìn)行采礦誘發(fā)崩滑地質(zhì)災(zāi)害研究有著非常重要的意義，在我國現(xiàn)階段具有特別重要的意義且迫在眉睫。

2、工程概況

貴州省都勻市位于苗嶺山脈南側(cè)，研究區(qū)域內(nèi)地勢整體呈現(xiàn)為西北部高、東南部低，地形起伏大，受斷層切割嚴(yán)重。且研究區(qū)域為典型的峰叢地貌，溶丘、洼地等分布其中，山頂、谷底高程最大相差542m，出露地層新至老為第四系、石炭系、泥盆系。

該區(qū)域內(nèi)某煤礦煤洞坡整體呈橫向邊坡，三側(cè)臨空，屬溶蝕、侵蝕低中山地貌，為低中山溝谷地形，如圖1所示。有圖可以看出，煤洞坡呈V字形的山體平面，在東側(cè)和南側(cè)，斜坡下方坡度較緩、上方坡度陡，接近坡頂時坡度可達(dá)50～60°。該煤礦可采煤層大多位于斜坡上方比較陡的位置，開采難度較大，同時采動對地表影響也比較大。

區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源為煤炭，含煤地層屬于海陸交互相，主要可采煤層有3層，即A4、A7、A9煤層，其中A7和A9煤層的開采比較正規(guī)，大多為規(guī)模企業(yè)開采，但A4煤層主要被小企業(yè)開挖，亂采現(xiàn)象比較嚴(yán)重。各地層分布情況如圖2所示。

區(qū)域內(nèi)煤礦均為斜井開拓，井口位于斜坡上。井下采用單一走向長壁采煤法，開采方式為炮采，爆破落煤、垮落法處理采空區(qū)，工作面采用單體支柱與鉸接頂梁支柱，端頭采用木棚、木垛加強(qiáng)支護(hù)，開采方法比較落后。工作面斜長100～300m，采深較小。

3、斜坡變形破壞特征

由于長期以來不斷的重復(fù)采動影響，在各可采煤層中形成了大范圍的采空區(qū)，當(dāng)斜坡上部傾斜煤層被回采完畢，煤層頂?shù)装鍘r層均壓裂變形，最終發(fā)育到坡頂形成大量裂縫。從上世紀(jì)60年代以來，該區(qū)域內(nèi)煤礦企業(yè)就開始進(jìn)行A7和A9煤層的開采工作，且開采深度不大，平均采深僅200米左右。在上世紀(jì)70年代初期，接娘坪中部就開始出現(xiàn)了裂縫，進(jìn)入80年代后，接娘坪前緣也開始出現(xiàn)變形裂縫。隨著煤炭行業(yè)盈利，當(dāng)?shù)匕傩臻_始小規(guī)模的亂采亂挖，原有裂縫進(jìn)一步發(fā)育，而且新的裂縫開始產(chǎn)生。據(jù)地質(zhì)部門的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤洞坡變形體可劃分為兩個比較大的變形體單元，即“接娘坪”和“立山坡”變形體單元，如圖3所示。

如圖所示，“接娘坪”變形體單元有4條比較寬的主裂縫，并發(fā)育出大量次級裂縫，整體變形劇烈。而“立山坡”變形體單元未形成寬的主裂縫，只有小型裂縫發(fā)育?？傮w而言，煤洞坡變形主要為裂縫，僅有個別崩塌發(fā)生。而坡體巖體多為石英砂巖，巖性較脆，發(fā)育了大量陡傾結(jié)構(gòu)面，風(fēng)化卸荷現(xiàn)象比較明顯。斜坡體主要可采煤層有3層，經(jīng)過長期開采，采空區(qū)范圍越來越大，裂隙從采空區(qū)頂板發(fā)育至地表，在斜坡體頂部形成地表裂縫。在斜坡體兩個變形單元發(fā)育的這些裂縫具有以下特征：

（1）斜坡體表面原有大量陡傾結(jié)構(gòu)面存在，而裂縫基本沿原有的結(jié)構(gòu)面發(fā)育并展布，僅少數(shù)向臨空面方向展布。

（2）裂縫一般與坡緣有一定距離，一般為20～30m，距離最長可達(dá)60m。

（3）裂縫張開寬度一般為0.5～5m，但“接娘坪”變形單元發(fā)育有一條9.5m寬的大裂縫。

（4）裂縫大致分布在采空區(qū)上方或采空區(qū)邊界對應(yīng)的地表區(qū)域，說明裂縫的發(fā)育與井下采煤的關(guān)系密切。

（5）在煤礦開采過程中，一直對煤洞坡產(chǎn)生重復(fù)采動影響，工程擾動直接導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)集中應(yīng)力，兩側(cè)煤壁上方及以外區(qū)域的主應(yīng)力出現(xiàn)差異，這種應(yīng)力的調(diào)整和重分布會引起采空區(qū)上覆巖體張拉破壞、離層，甚至?xí)l(fā)生冒落，進(jìn)而沿采場結(jié)構(gòu)面和開采裂隙發(fā)生剪切和滑移。

4、結(jié)語

斜坡體變形大多為裂縫，少有崩塌和滑坡，而裂縫基本沿已有的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面延伸發(fā)育。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂縫的形成和發(fā)展與井下采煤關(guān)系密切，絕大部分裂縫分布在采空區(qū)上方地表區(qū)域。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，大裂縫的出現(xiàn)往往與私企開采的小煤洞有關(guān)，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對小煤洞的規(guī)范管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李濱， 王國章， 馮振， 等. 地下采空誘發(fā)陡傾層狀巖質(zhì)斜坡失穩(wěn)機(jī)制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2015（06）.

[2] 鄭達(dá)， 黃潤秋， 黃剛. 地下開采作用下“反傾上硬下軟”型斜坡崩塌形成機(jī)制研究——以貴州開陽磷礦崩塌為例[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 2014（03）.

[3] 趙建軍， 肖建國， 向喜瓊， 等. 緩傾煤層采空區(qū)滑坡形成機(jī)制數(shù)值模擬研究[J]. 煤炭學(xué)報， 2014（03）.

[4] 林鋒， 孫赤， 馮亮. 近水平煤層開采誘發(fā)崩塌形成機(jī)理分析[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報， 2013（03）.

作者簡介：

李元武（1998.03—），男，貴州遵義人，本科在讀，主要從事采礦工程方面的學(xué)習(xí)和研究工作

項目基金：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910977005）

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院? ?貴州? 六盤水? 553004）