重慶武隆慶口危巖形成機(jī)制及失穩(wěn)模式探討

陳 濤

(重慶市高新工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401121)

0 引言

羊角場鎮(zhèn)位于武隆區(qū)西北部約15 km，烏江下游左岸，319國道自場鎮(zhèn)中部穿過。原羊角鎮(zhèn)政府各部門、兩個轄區(qū)村社及21家廠礦企事業(yè)單位，共計(jì)7 700余人分布在面積約3.3 km2的崩塌堆積體上。后方長約5.1 km的陡崖帶上，共發(fā)育12個大型危巖體，總體積達(dá)1.350×107m3。慶口危巖即是其中的一個大型危巖體，位于陡崖帶中間段，陡崖底部含0.4～0.6 m厚煤層，開采歷史長達(dá)200余年，形成了大面積的采空區(qū)，一條長約525 m、寬1.2～5.5 m的裂縫，已將危巖體與山體完全分離，體積達(dá)1.87×106m3。經(jīng)預(yù)測分析，危巖一旦失穩(wěn)，將直接危及羊角場鎮(zhèn)及烏江航道。2016年6月，武隆區(qū)對羊角場鎮(zhèn)實(shí)施了整體避讓搬遷，但仍有長約5 km的319國道、烏江航道處于危巖威脅范圍內(nèi)。

國內(nèi)外學(xué)者從力學(xué)模型、監(jiān)測分析、數(shù)值模擬等方面，對大型危巖體的形成機(jī)制及失穩(wěn)模式進(jìn)行了大量研究。研究表明，地下采礦是大型危巖發(fā)生崩塌的主要誘因[1-9]，暴雨[1-5]、巖溶[6-9]等對危巖失穩(wěn)也有一定的影響。以雞冠嶺崩塌[3]、板巖山危巖[4]、望霞危巖[6]、普灑村崩塌[7]為代表的，發(fā)育在巖層反傾或切向陡崖上、受陡傾裂隙控制的危巖，失穩(wěn)模式為傾到—崩塌型；以鏈子崖危巖[8]、雞尾山崩塌[9]為代表的斜傾厚層山體，受構(gòu)造裂隙與層面組合控制的危巖，失穩(wěn)模式為滑移-拉裂型。

針對羊角場鎮(zhèn)危巖，國內(nèi)已有一些學(xué)者進(jìn)行了研究。劉傳正[10]研究指出，羊角陡崖帶危巖開裂變形的主要誘因?yàn)槎秆聨а鼐€下方長期采煤。王磊等[11]認(rèn)為，羊角危巖體形成的控制因素主要有斜坡類型、軟弱層巖體、塊體結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育和長期無序采礦。鄧兵等[12]分析認(rèn)為羊角危巖體的形成主要與軟硬相間的巖性組合有關(guān)，破壞模式為傳統(tǒng)的傾倒、滑移、失穩(wěn)模式。

從以上研究成果來看，羊角場鎮(zhèn)危巖帶的形成與長期地下采礦有著密切的關(guān)系，但對于如此大規(guī)模的危巖體，采煤活動是如何影響危巖形成的，其研究深度還不夠，失穩(wěn)模式的判斷也缺乏針對性。鑒于慶口危巖失穩(wěn)可能造成極大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對慶口危巖進(jìn)行形成機(jī)制和失穩(wěn)模式研究是十分必要的，以期為該危巖災(zāi)害防控提供依據(jù)。

1 危巖概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

羊角陡崖帶位于羊角背斜西翼，在地貌上呈多級夷平面，沿線分布3～5級灰?guī)r質(zhì)陡崖，呈兩端高中間低特征。崖腳為長陡斜坡，坡表由崩塌堆積體覆蓋，坡度一般25°～40°，最低處于烏江岸邊，相對高差達(dá)900～1 220 m(圖1)。慶口危巖處于陡崖帶中間段，大致沿巖層走向310°～315°展布，頂面高程1 072～1 162 m，底面高程為1 029～1 120 m，危巖體長473 m，高28～128 m，最大寬114 m。由吳家坪組灰?guī)r組成，危巖體底部可見厚3～8 cm炭質(zhì)頁巖，遇水易被軟化，孕育形成危巖體滑動的底界面。其下方為厚約20～30 m灰?guī)r，底部為粘土質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖，為小煤窯和石合煤礦采煤所在層位。

圖1 羊角場鎮(zhèn)地形地貌Fig.1 Terrains and landform of Yangjiao Town

從圖2剖面看，受地下采煤沉降影響，危巖體整體向北東臨空面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，巖層產(chǎn)狀也存在漸變，傾向自南東端325°向北西端逐漸降低至281°，傾角由19°逐漸減小至13°，逐漸接近巖層真產(chǎn)狀。該段陡崖發(fā)育兩組裂隙，其中，LX1產(chǎn)狀28°～34°∠79°～88°，間距20～30 m，為一組近平行于陡崖方向的裂隙；LX2產(chǎn)狀325°～338°∠81°～86°，間距40～70 m，為一組近垂直陡崖走向方向的裂隙。

1.2 采煤活動

慶口危巖段亂采的小煤窯達(dá)十余個，洞口水平間距約50～100 m，現(xiàn)仍可見5個坍塌的煤窯洞口。在洞口進(jìn)入20～30 m就開始橫向開采，均為無序開采，形成的采空區(qū)縱深約100 m。20世紀(jì)90年代以后，因采煤縱深太大，加上頂板塌落，人工無法繼續(xù)采挖，小煤窯逐步停采。

石合煤礦于1978年建礦，1983年開始正式投產(chǎn)，生產(chǎn)能力0.85×104t/a，采礦主巷道向SW200°～210°方向延伸，形成的采空區(qū)邊界至慶口危巖后方約420 m，該煤礦于2006年因礦產(chǎn)枯竭而關(guān)閉。據(jù)原煤礦工人介紹，石合煤礦與小煤窯在距離窯口約260 m附近掘通，形成統(tǒng)一相連的采空區(qū)。采空區(qū)內(nèi)基本未設(shè)置保安煤柱，主要采用木柱簡易支撐，受壓折斷現(xiàn)象嚴(yán)重。采空區(qū)范圍見圖3。

圖2 1-1′地質(zhì)剖面圖Fig.2 The 1-1′geological profile

圖3 慶口危巖正射影像Fig.3 Orthophoto image of Qingkou dangerous rock

1.3 變形情況

據(jù)當(dāng)?shù)厝俗孑厒髡f，在19世紀(jì)末，慶口一帶的陡崖中發(fā)出轟鳴聲長達(dá)3天，而后在陡崖頂部發(fā)現(xiàn)了長約100 m的裂縫。20世紀(jì)40年代，在慶口陡崖西北端發(fā)生一次大規(guī)模崩塌，體積達(dá)數(shù)萬方，現(xiàn)可見停留于陡崖腳斜坡上的巨型塊石。

據(jù)當(dāng)?shù)厝私榻B，崖頂裂縫在1996年以前寬度變化較小，上山小路可正常通行，1996—2002年間該裂縫快速增大，長度增長到525 m，寬度從30～70 cm急劇增加到1.2～5.5 m，必須搭橋才能通過。其中，AB段裂縫張拉錯開1.9～5.5 m，中部B點(diǎn)巖體沿NE40°陡崖走向移動了約2.16 m，向陡崖方向張拉錯開約1.25 m，北西向臨空面底部可見擠壓推移約60 cm，并且有巖體壓裂現(xiàn)象(圖4)。

自2013年以來，慶口危巖未見明顯位移變形擴(kuò)大跡象，但當(dāng)?shù)卮迕駮r(shí)常聽見山體內(nèi)傳出巖體拉裂的聲音?？梢耘袛嗖煽諈^(qū)域內(nèi)巖體仍在進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整。

2 形成機(jī)制分析

2.1 地質(zhì)條件影響

由于朱家灣沖溝深切，造成慶口段陡崖與石合段斷開，使得危巖在NW315°、NE40°兩個方向上形成了高陡臨空面，滿足了產(chǎn)生危巖的空間條件。陡崖上部吳家坪組灰?guī)r質(zhì)硬，底部黏土質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖較軟，具有典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)特征，軟巖在陡崖自重作用下壓縮變形，并在陡崖頂部沿LX1延伸發(fā)育形成卸荷裂縫，發(fā)育深度受臨空面高度控制，位于崖腳以上。在NW315°陡崖面可見3條由LX1延伸發(fā)展的裂縫，張開寬度較大，上寬0.2～0.5 m，向下漸變?yōu)?～10 cm，裂縫兩側(cè)巖體表面可見清晰溶蝕現(xiàn)象(圖5)該地質(zhì)環(huán)境條件有利于危巖的變形形成。

2.2 采煤誘發(fā)

根據(jù)慶口危巖段的采煤歷史及采空區(qū)范圍，在小煤窯采空區(qū)形成的200余年間，采進(jìn)縱深約100 m，即危巖體下方50%～80%的煤層被采空；而隨著石合煤礦于1983年開始沿巖層傾向自下而上向危巖體方向采進(jìn)，形成采空區(qū)寬度約520 m，按照煤層密度為1.4 t/m3、平均厚度0.5 m計(jì)，按照勻速采進(jìn)推算，則每年開采推進(jìn)深度約為23.35 m，結(jié)合兩個采空區(qū)的掘通位置，時(shí)間約需要11.13年，即1995年至2006年期間石合煤礦恰好在開采慶口段，這與慶口危巖體快速變形時(shí)間相吻合。顯然，采煤活動為慶口危巖形成的誘發(fā)加劇因素。

圖5 2-2′地質(zhì)剖面圖Fig.5 The 2-2′ geological profile

2.3 形成過程

隨著小煤窯采空區(qū)的形成，在巖體自重力作用下，山體內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整，相應(yīng)進(jìn)行了一系列變形協(xié)調(diào)[13](圖6)。由于小煤窯洞口段巖層明顯薄弱，在兩側(cè)邊緣產(chǎn)生了偏壓，靠近臨空面?zhèn)葢?yīng)力調(diào)整更大，加上裂隙切斷了危巖體與穩(wěn)定山體的聯(lián)系，坡頂?shù)膹埨瓚?yīng)力區(qū)恰好與開采邊界上方的張應(yīng)力區(qū)發(fā)生疊加，造成陡崖邊緣的巖體發(fā)生外傾，卸荷裂隙寬度變大。此后采空區(qū)逐步擴(kuò)大，卸荷范圍逐漸向山體內(nèi)部擴(kuò)展。在此過程中，受構(gòu)造裂隙的控制，主裂縫沿LX1發(fā)育，與LX2相互切割并在卸荷作用下相互追蹤，直到危巖側(cè)向裂縫貫通形成。典型的如側(cè)向邊界BC段，因裂縫沿兩條LX1相互追蹤，而在該段形成一段斜向突起。

圖6 采動危巖應(yīng)力及應(yīng)變Fig.6 Stress and strain of miningDangerous rock

而后，隨著石合煤礦采空區(qū)從形成，后部山體發(fā)生沉陷，導(dǎo)致側(cè)向裂縫進(jìn)一步張開達(dá)到數(shù)米，削弱了后側(cè)穩(wěn)定山體對危巖的約束，同時(shí)為地表水向下匯集至軟弱層面提供了通道。

3 失穩(wěn)模式分析

從圖5來看，北東側(cè)陡崖帶中LX1間距達(dá)20～30 m，危巖體寬度達(dá)76～114 m，且側(cè)向裂縫張開寬度大達(dá)1.2～3.5 m，無法充水形成穩(wěn)定的靜水壓力，加上基座巖層反傾，不能滿足危巖體傾倒失穩(wěn)的條件，應(yīng)為其他失穩(wěn)模式。

3.1 類比分析

從圖2北西側(cè)陡崖帶來看，巖層傾向與陡崖走向交角10°～30°，具切向坡結(jié)構(gòu)特征，尤其在接近臨空面段，視傾角接近真傾角。劉傳正等在鏈子崖危巖變形機(jī)理研究中，提出了視向滑移理論[8]，并應(yīng)用視滑力理論對雞尾山崩塌進(jìn)行了分析[9]。在此將慶口危巖和雞尾山崩塌進(jìn)行類比分析，發(fā)現(xiàn)兩個危巖具有極大的相似性，即山體向臨空方向張裂，側(cè)向形成了貫通性寬大裂縫，并在危巖底部的炭質(zhì)頁巖中孕育了軟弱夾層，且同樣受地下采礦影響，判斷兩者具有相同的失穩(wěn)模式。

3.2 力學(xué)模型分析

以C點(diǎn)為界，結(jié)合危巖體邊界變形特征來看，由于中、后部巖層傾角相對較陡，達(dá)15°～19°，在自重作用下，成為驅(qū)動危巖體整體滑動的下滑塊體，而向下巖層傾角逐漸變緩至11°，且?guī)r體厚度由后向前逐漸增厚，呈現(xiàn)出顯著阻滑效應(yīng)。故從受力特征方面，將危巖體分為下滑塊體和阻滑塊體兩部分；再從立體幾何形態(tài)來看，下滑塊體以B點(diǎn)為界，分為“三棱柱體”和“四棱柱體”兩部分。共將危巖體分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)3個部分(圖7)。

圖7 危巖立體幾何模型與受力圖解Fig.7 Three-dimensional geometric model and stress diagram of Dangerous rock

其中，后部Ⅰ區(qū)以AB段張拉裂縫為界，長約273 m，寬約86 m，厚28～73 m；中部Ⅱ區(qū)以BC段側(cè)向壓剪裂縫為界，長約65 m，寬最大114 m，厚38～85 m；總體積約9.2×105m3。前部Ⅲ區(qū)以CD段側(cè)向壓剪裂縫為界，長230 m，寬82～88 m，厚54～128 m，體積約9.5×105m3。

3.3 穩(wěn)定性評價(jià)

依據(jù)靜力平衡條件，對各區(qū)塊進(jìn)行力的解析。

(1)Ⅰ區(qū)塊體：在自重力作用下，側(cè)向張拉裂縫不受力，巖體順軟弱層面滑動，受力解析如下：

N12=W1cosβ1

(1)

下滑力

S1=W1sinβ1

(2)

式中：N12——Ⅰ區(qū)塊體軟弱層面上的法向力/ kN；

W1——Ⅰ區(qū)塊體自重力/kN；

β1——Ⅰ區(qū)塊體層面傾角/(°)；

S1——Ⅰ區(qū)塊體順層面的下滑力/kN。

塊體順層面的剩余下滑力為

S1R=S1-(c2A12+tanφ2N12)

(3)

式中：S1R——Ⅰ區(qū)塊體順層面的剩余下滑力/kN；

c2、φ2——軟弱層面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)/kPa，/(°)；

A12——Ⅰ區(qū)塊體危巖體與軟弱層面的接觸面積/m2。

將式(1)、(2)計(jì)算的值代入式(3)即可得到Ⅰ區(qū)塊體剩余下滑力。

(2)Ⅱ區(qū)塊體：在自重力及Ⅰ區(qū)塊體驅(qū)動下，塊體沿軟弱夾層與側(cè)向裂縫的交線方向滑動，受力解析如下：

N21sinα21+N22sinα22=W2cosβ2

(4)

N21cosα21=N22cosα22

(5)

下滑力

S2=W2sinβ2+S1Rcos(β2-β1)

(6)

塊體順交線的剩余下滑力為

S2R=S2-(c1A21+tanφ1N21+c2A22+tanφ2N22)

(7)

式中：N21、N22——分別為Ⅱ區(qū)塊體作用在側(cè)向面和軟弱層面的法向力/kN；

α21、α22——分別為Ⅱ區(qū)塊體兩滑面交線的法線和滑面間的夾角/(°)；

W2——Ⅱ區(qū)塊體的自重力/kN；

β2——Ⅱ區(qū)塊體滑面交線的傾角/(°)；

S2R——Ⅱ區(qū)塊體順層面的剩余下滑力/kN；

S2——Ⅱ區(qū)塊體順層面的下滑力/kN；

c1、φ1——塊體側(cè)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)/kPa，/(°)；

A21、A22——分別為Ⅱ區(qū)塊體危巖體與側(cè)面和軟弱層面接觸面積/m2。

將式(4)、(5)聯(lián)立解二元一次方程，可得N21、N22值，與式(6)求得值代入式(7)即可得到Ⅱ區(qū)塊體剩余下滑力。

(3)Ⅲ區(qū)阻滑塊體：在自重力及Ⅱ區(qū)塊體驅(qū)動下，沿軟弱夾層與側(cè)向裂縫的交線向NW315°臨空面方向滑動，受力解析如下：

N31sinα31+N32sinα32=W3cosβ3

(8)

N31cosα31=N32cosα32

(9)

下滑力

S3=W3sinβ3+S2Rcos(β3-β2)

(10)

Ⅲ區(qū)塊體的穩(wěn)定系數(shù)即整個危巖的穩(wěn)定系數(shù)

(11)

式中：N31、N32——分別為Ⅲ區(qū)塊體作用在側(cè)向面和軟弱層面的法向力/kN；

α31、α32——分別為Ⅲ區(qū)塊體兩滑面交線的法線和滑面間的夾角/(°)；

S3——Ⅲ區(qū)塊體順層面的下滑力/kN；

W3——Ⅲ區(qū)塊體的自重力/kN；

β3——Ⅲ區(qū)塊體滑面交線的傾角/(°)。

A31、A32——分別為Ⅲ區(qū)塊體危巖體與側(cè)面和軟弱層面接觸面積/m2。

將式(8)、(9)聯(lián)立解二元一次方程，可得N31、N32值，與式(10)求得值代入式(7)可得到Ⅲ區(qū)塊體剩余下滑力。參考文獻(xiàn)[9]參數(shù)取值，將滑面參數(shù)c1=0、φ1=15°、c2=20 kPa、φ2=12°及各幾何尺寸代入式(11)得危巖的穩(wěn)定系數(shù)為1.047，表明危巖處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。在軟弱層面受水軟化參數(shù)逐漸衰減情況下，穩(wěn)定程度會進(jìn)一步降低，將沿軟弱夾層與側(cè)向裂縫的交線方向滑移失穩(wěn)。

與雞尾山崩塌相比(層面傾角21°～35°)，慶口危巖段巖層層面總體較緩，且自后部向前部傾角逐漸變小，加上后部巖體體量小，下滑驅(qū)動推力小，驅(qū)動塊體與阻滑塊體的體積相當(dāng)，這不利于危巖體滑動，其變形破壞模式是自后部向前部的累進(jìn)式推移。

4 模擬驗(yàn)證

考慮到實(shí)際采煤過程的復(fù)雜性，在模擬過程中，對開采過程進(jìn)行了一定的簡化。采用null模型，先模擬小煤窯開采，自洞口開始，開挖深10 m的巷道，再每次采進(jìn)30 m，分三次開挖至縱深100 m。后模擬石合煤礦開采，自下而上，按每次采進(jìn)100 m，分6次將危巖下方采空。

4.1 材料及力學(xué)參數(shù)

根據(jù)危巖體相關(guān)巖土體性質(zhì)，將模型簡化成4種材料，物理、力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)成果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定(表1)。計(jì)算采用彈塑性本構(gòu)模型，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

裂縫形成后，由于局部被碎石土填充且厚度相對較薄，采用接觸面單元模擬土體材料參數(shù)。計(jì)算模型見圖8。

圖8 計(jì)算模型Fig.8 Computational model

4.2 模擬成果及分析

小煤窯開采期間，受采空影響，危巖主要朝NE40°臨空面方向變形，位移量總體較小，最大變形量發(fā)生在陡崖帶中部，約8.96 cm，危巖體頂部位移量處于2.85～6.52 cm(圖9)；后隨著石合煤礦自下向上開采，危巖體的變形量快速增大，變形總體仍為朝NE40°臨空面方向，最大變形量依然位于陡崖帶中部，達(dá)56.37 cm，頂部變形量也達(dá)到32.68～42.64 cm，變形量總體相當(dāng)，可有效促成構(gòu)造裂縫張開，使側(cè)向裂縫貫通(圖10)；在側(cè)向裂縫貫通后，危巖體位移方向轉(zhuǎn)變?yōu)樽阅蠔|端A點(diǎn)向NW315°臨空面，變形量急劇增大，呈自后部A點(diǎn)向前部D點(diǎn)逐漸減小特征(圖11)。其中，危巖體后緣A點(diǎn)變形量最大，達(dá)到5.139 m，前緣D點(diǎn)變形量為1.697 m，而底部E點(diǎn)(圖4位置)位移量僅58.04 cm，變形量與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)接近。從變形量級看，危巖后緣的位移量是前緣的3倍，是前緣底部的近10倍，可見后部塊體下滑驅(qū)動特征明顯，前緣阻滑效應(yīng)顯著。

圖9 小煤窯采空區(qū)形成后位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of mining goaf of small coal kiln

圖10 石合煤礦采空區(qū)形成后位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of mining goaf after of Shihe coal mine

圖11 危巖側(cè)向裂縫形成后位移云圖Fig.11 Displacement nephogram of dangerous rock after the formation of lateral crack

5 結(jié)論

(1)慶口危巖所在陡崖兩側(cè)臨空的地形地貌條件、山體上硬下軟的地層巖性組合、兩組構(gòu)造裂隙縱橫切割而成的塊狀巖體結(jié)構(gòu)，以及底部軟弱夾層的存在是山體開裂滑移的主導(dǎo)因素，而地下采煤是危巖形成的誘發(fā)加劇因素。

(2)在慶口危巖形成過程中，采煤活動主要通過應(yīng)力調(diào)整引發(fā)巖體協(xié)調(diào)變形，小煤窯的開采促進(jìn)了山體向陡崖北東臨空面外傾，而石合煤礦的開采促成了構(gòu)造裂隙追蹤貫通形成側(cè)向裂縫。

(3)依據(jù)慶口危巖變形情況及幾何形態(tài)，結(jié)合巖層傾角自后部向前部逐漸變緩特征，將危巖體分為下滑塊體和阻滑塊體兩部分，并應(yīng)用力學(xué)解析方式對其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算表明危巖現(xiàn)狀處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其變形破壞方式是自后部向前部的累進(jìn)式推移。

(4)數(shù)值模擬顯示，小煤窯和石合煤礦采空過程中，慶口危巖體朝北東臨空面方向外傾變形，在側(cè)向裂縫貫通后，危巖體變形方向轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮蔽髋R空面視向滑移，位移量自后向前逐漸減小，呈現(xiàn)出中后部驅(qū)動、前部阻滑特征。