山體賦存煤層群開采邊坡失穩(wěn)規(guī)律研究

徐 春，魯 巖，2，武 飛

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116；3.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京100000）

煤層開采引起邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致采動滑坡的研究，是一門多學(xué)科交叉綜合型課題。國內(nèi)外許多作者將非線性理論引入滑動過程中的演化規(guī)律分析，建立起了基于分形、協(xié)同、突變等相關(guān)理論模型對滑坡進行預(yù)測分析[1-3]。地下煤層回采誘發(fā)邊坡失穩(wěn)滑動方面的專門研究還不多。國內(nèi)學(xué)者何萬龍等[4-5]提出基于隨機介質(zhì)理論的山區(qū)采動地表影響函數(shù)疊加法研究采動引起的滑坡問題。田家琦[6]等提出基于疊加原理的應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)法及傳統(tǒng)的極限平衡法對坡體滑動進行研究。地下煤層開采，覆巖失去了原始煤層的支撐而出現(xiàn)出現(xiàn)垮落、彎曲、變形破壞，地表產(chǎn)生明顯的開采裂縫破壞了邊坡的完整性，在一系列復(fù)雜因素的綜合作用下誘發(fā)了滑坡[7-9]。梁明等[10-11]從開采沉陷與滑坡機理等方面綜合分析，對煤層開采導(dǎo)致上部坡體失穩(wěn)誘發(fā)滑坡災(zāi)害進行了研究。陶志剛等[13]結(jié)合地質(zhì)、采礦等學(xué)科對羅山礦區(qū)滑坡進行遠程監(jiān)測和現(xiàn)場試驗，分析礦區(qū)滑坡的發(fā)生機理。

目前，研究煤層開采導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)機理分析方面，還存有一定的局限性。采動影響引起邊坡失穩(wěn)致災(zāi)機理的研究不夠深入，對地下煤層開采引起山體變形破壞，邊坡失穩(wěn)的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)中的元素互相影響、協(xié)同作用分析不足。

1 工程地質(zhì)條件

1）地表地形。礦區(qū)屬于典型山體賦存煤層群地質(zhì)條件，煤層數(shù)多，煤層薄、地表坡度較大，局部地段還有滑坡體存在。采區(qū)地表主要為松散覆蓋，具有松散破碎、空隙度大、穩(wěn)定性差、易塌垮等特點。

2）邊坡形態(tài)及煤層賦存條件。礦區(qū)實際邊坡高114 m，坡角40°。煤礦含煤層數(shù)較多，以1#、3#、5-2#煤層進行分析，1#煤層平均厚度2.6 m，下距3#煤層12.67 m。3#煤層平均厚度1.7 m，下距5-2#煤層9.2 m。5-2#煤層平均厚度2.1 m，各煤層平均傾角10°。

2 相似模擬實驗

邊坡模型參數(shù)及開采方案如下：模型長度為130 cm，寬度10 cm，幾何相似比為1：200，密度相似比為1：1.67，力學(xué)相似比為1：334。模型采用下行俯斜開采，回采順序為1#、3#、5-2#煤層。

1）邊坡的移動破壞規(guī)律。在回采過程中，邊坡的移動破壞出現(xiàn)明顯的區(qū)域性，坡頂部活動十分劇烈。1#煤層回采邊坡局部活動量最大值為6 m,3#煤層開采活動的最大值為了7 m，5-2#煤層開采活動最大值為9 m，邊坡上的活動是累加的，但相對于第1 層煤開采，其增量是減小的。1#煤層回采時邊坡第1 次失穩(wěn)產(chǎn)生劇烈活動。隨著埋深的增大、煤層厚度減小、開采逐漸深入等影響，3#、5-2#煤層的開采對邊坡的穩(wěn)定性的影響降低，未引起劇烈二次滑動。

2）坡面移動。煤層群采動過程中，邊坡失穩(wěn)滑動是一個迅速變化的過程, 坡面上出現(xiàn)迅速的移動破壞。在1#煤層回采過程中坡面上的活動出現(xiàn)了顯著的突變現(xiàn)象，與實驗中失穩(wěn)滑動現(xiàn)象相吻合。當煤層繼續(xù)向下回采時，坡面上的活動量表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的變化?？梢娤虏棵簩拥拈_采對坡體的影響是相對較小。3#、5-2#煤層回采過程中，坡面上的活動表現(xiàn)出均勻增長，并沒有出現(xiàn)劇烈的突變現(xiàn)象。

由相似模擬可知，山體賦存條件下開采，邊坡容易引起高程高的坡頂局部失穩(wěn)滑動。實驗中邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的時刻，坡面上的活動有顯著的突變現(xiàn)象。相似模擬實驗?zāi)茱@著的觀察到邊坡頂部的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，失穩(wěn)破壞具有迅速、區(qū)域分布等特點。

3 數(shù)值模擬

煤層回采過程中，邊坡失穩(wěn)迅速、模型損壞嚴重、監(jiān)測點丟失、照片拍攝延遲等，同時模擬實驗難以詳細記錄邊坡失穩(wěn)瞬間，山體的變形破壞情況。采用UDEC 離散元數(shù)值分析方法，基于邊坡的原型建立數(shù)值分析模型，分析其在煤層重復(fù)開采條件下變形失穩(wěn)破壞規(guī)律。

利用UDEC 模擬軟件，根據(jù)地質(zhì)條件建立模型，研究山體賦存煤層群開采邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律。模型的開采方案與相似模型一致，數(shù)值模擬模型如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

煤層采動引起了失穩(wěn)破壞，不同煤層回采狀態(tài)的坡面移動規(guī)律曲線如圖2。由圖2（a）和圖2（b）可知，隨著1#煤層回采，坡面上以260 m 為分界分為明顯的2 個階段，大于260 m 以上的部分下沉及水平移動均出現(xiàn)了突變增大，最大下沉值從0.28 m 突變到2.15 m，最大水平移動值從0.1 m 突變到4.45 m。在1#煤層回采的過程中，水平移動出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，坡體有沿著整個山體有傾向采空區(qū)移動現(xiàn)象。由圖2（c）～圖2（f），3#、5-2#煤層的采動過程中，坡面活動沒有出現(xiàn)二次突變現(xiàn)象。

煤層回采后，山體變形破壞，利用測線上的數(shù)據(jù)，分析煤層開采過程中坡角的變化規(guī)律, 坡角變化規(guī)律如圖3。

在地下煤層開采過程中坡面出現(xiàn)沉陷不均勻引起坡角變化，局部出現(xiàn)坡角增大、減小等現(xiàn)象。坡角最大增量達到了10°。

綜合相似實驗及數(shù)值模擬分析得到的邊坡變形失穩(wěn)的演化過程如圖4。

4 機理分析

圖2 不同煤層回采狀態(tài)的坡面移動規(guī)律曲線Fig.2 Law of mining slope movement

圖3 坡角變化規(guī)律Fig.3 Slope angle change rule

根據(jù)相似模擬及數(shù)值模擬分析結(jié)果，山體在煤層回采過程中出現(xiàn)變形、坡角增大等現(xiàn)象，邊坡失穩(wěn)機理分析如圖5。山體下開采，邊坡上不同區(qū)域內(nèi)變形破壞不均勻，導(dǎo)致坡角變化，A 區(qū)內(nèi)坡角減小，B 區(qū)內(nèi)坡角增大。

根據(jù)相似實驗與數(shù)值模擬研究結(jié)論，簡化復(fù)雜的中間過程，抽象出邊坡失穩(wěn)時的形態(tài)，選取邊坡頂部單元塊體進行受力分析，采動邊坡受力分析如圖6。

單元塊體在受到沿著斜面的剪切力與垂直于斜面的法向力的作用下保持平衡。塊體沒有失穩(wěn)滑動前，此時抵抗外力作用的是抗剪切強度。當坡角α=0時，塊體在沿著斜面方向不受力的作用，沒有失穩(wěn)危險。當坡角α 逐漸增大，塊體尚未滑動前，塊體受到剪切應(yīng)力隨著α 的增大而增大，滿足正弦變化。塊體受到的法向應(yīng)力隨著α 的增而減小，滿足余弦變化，法向應(yīng)力的變化直接影響到了塊體抗剪強度。

由塊體應(yīng)力變化分析可知，坡角的增大導(dǎo)致塊體法向力逐漸減小，降低了塊體抗剪強度，塊體抵抗剪應(yīng)力的能力減弱。當坡角增大到一定的程度，塊體受到的剪切力將大于塊體的抗剪切強度，出現(xiàn)剪切破壞面進而衍生成為滑動面造成失穩(wěn)。由此可知，抗剪切強度的降低是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)滑動的重要因素。

圖4 邊坡失穩(wěn)演化過程Fig.4 The evolution of slope instability

圖5 邊坡失穩(wěn)機理分析Fig.5 Mechanism analysis of slope instability

圖6 采動邊坡受力分析Fig.6 Stress analysis of mining-induced slope

5 結(jié) 語

1）山體賦存煤層群開采，由于巖層的非均勻及非連續(xù)性，山體變形破壞引起坡體產(chǎn)生大量裂縫擴展、弱面張開、滑面貫通等降低坡體的完整性與穩(wěn)定性，面向臨空面的邊坡容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

2）煤層采出后，上覆巖層失去原始煤層支撐出現(xiàn)垮落、破斷、彎曲等復(fù)雜現(xiàn)象導(dǎo)致邊坡坡角增大，剪切應(yīng)力大于抗剪強度，出現(xiàn)剪切破壞失穩(wěn)。坡角增大是邊坡出現(xiàn)剪切失穩(wěn)的重要因素。

3）山體賦存條件下開采引起山體邊坡失穩(wěn)具有局部性、離散性。根據(jù)山體邊坡失穩(wěn)規(guī)律、破壞形式等，可針對性的調(diào)整邊坡采前處理措施，確保安全。