地下采動下含深大裂隙巖溶山體變形響應(yīng)特征

鐘祖良，高國富，劉新榮，王南云，李 皓

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

我國西南地區(qū)，上覆厚層—巨厚層硬質(zhì)灰?guī)r，下覆頁巖、泥巖等不透水軟巖的山體普遍存在。山體由于受到構(gòu)造運動的影響，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且溶蝕現(xiàn)象強烈，形成眾多巖溶裂隙、管道，并有部分裂隙貫通，形成深大裂隙，山體穩(wěn)定性較差[1]。同時西南地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，人類工程活動劇烈。下部礦物開采導(dǎo)致山體下部形成較大采空區(qū)，引起山體變形增大，穩(wěn)定性降低。因此，西南巖溶地區(qū)成為巖體崩滑破壞的高發(fā)區(qū)。巖溶山區(qū)巖體崩滑一般規(guī)模大、災(zāi)害嚴重，通常造成重大的群死群傷事故或引起重大次生災(zāi)害[2-4]，如武隆雞冠嶺滑坡[5-6]、武隆雞尾山滑坡[7-9]、貴州關(guān)嶺滑坡[10]、湖北鶴峰紅蓮池鐵礦山體崩塌[11]、云南鄭雄滑坡[12]、貴州納雍普灑崩滑。這些滑坡均位于采礦區(qū)，但地下開采是否為滑坡的主要誘發(fā)因素以及其影響機制與作用機理尚不明確。因此，迫切需要開展西南地區(qū)地下采動對巖溶坡體穩(wěn)定性影響的研究。

采動誘發(fā)型滑坡一般須具備地表臨空面、地下采空區(qū)和上覆巖層軟弱結(jié)構(gòu)面。地下采動會引起覆巖原始應(yīng)力狀態(tài)改變，原有軟弱結(jié)構(gòu)面強度降低，導(dǎo)致開采裂縫的形成和發(fā)展，最終降低山體穩(wěn)定性[9,13-14]。眾多學(xué)者采用了不同的方法研究地下采動作用對山體穩(wěn)定性的影響，一般可歸結(jié)為現(xiàn)場監(jiān)測與實例分析、理論分析、物理模型試驗研究、數(shù)值模擬試驗研究[15-22]。李濱等[18]在傾倒破壞極限平衡二維推導(dǎo)分析方法的基礎(chǔ)上，提出了考慮三維受力的傾倒分析方法，并以武隆雞冠嶺滑坡為例，其分析結(jié)果與實際情況基本一致。賀凱等[19]以武隆雞冠嶺滑坡為例，通過離心物理模型試驗定量化分析了地下采動條件下的陡傾灰?guī)r斜坡關(guān)鍵塊體位移變形。趙建軍等[22]采用數(shù)值方法以貴州都勻馬達嶺滑坡為例，研究了緩傾煤層開采以后的滑坡變形發(fā)展過程，并提出了滑坡發(fā)生機制和此類滑坡的防治建議。

溶蝕強烈的巖溶山體在地下開采環(huán)境下地表變形突出，易誘發(fā)特大型崩塌災(zāi)害，對山區(qū)居民的生命及財產(chǎn)安全帶來極大的威脅。2017年8月28日，貴州納雍普灑老鷹巖發(fā)生特大崩滑災(zāi)害，崩塌方量達到 6.0×105m3，造成26 人遇難，10 人失蹤，8人受傷。本文通過現(xiàn)場調(diào)查普灑老鷹巖山體節(jié)理裂隙以及溶蝕發(fā)育情況，建立了含深大裂隙的巖溶山體地下開采數(shù)值模型，通過分析地下煤礦開采擾動下的山體變形響應(yīng)，為揭示該類型山體的穩(wěn)定性定量評價提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地形地貌

貴州納雍普灑“8.28”特大崩滑位于納雍普灑村西南方向，地勢南高北低，最高點標高2 147 m，最低點標高1 842 m，相對高差305 m，形成西南地區(qū)典型的上硬下軟，上陡下緩的“靴”型地貌(圖1)?！袄销棊r山”崩塌區(qū)主要是由灰?guī)r構(gòu)成的陡坡，邊緣自然坡度55°～75°，高約175 m，與“小鷹巖山”連接寬度約1 km，陡崖下部為泥巖、粉砂巖、第四系填土構(gòu)成相對平緩的坡地，坡度約10°～25°，農(nóng)田和當?shù)卮迕穹课荻喾植荚谄履_。

1.2 地層巖性特征

崩塌區(qū)內(nèi)出露的地層由新到老主要為第四系(Q)，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、二疊系上統(tǒng)長興-大隆組(P2c+d)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)。第四系覆土層主要為黏土、砂質(zhì)黏土。三疊系下統(tǒng)夜郎組巖性上部為薄至中厚層狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r；下部為砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、頁巖。二疊系上統(tǒng)長興-大隆組巖性上部為泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石層、頁巖、砂質(zhì)頁巖；下部為灰色中厚層狀、薄層狀灰?guī)r夾黏土巖、頁巖。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M即為煤系地層，位于峨嵋山玄武巖組假整合面之上，為一套近海相含煤沉積構(gòu)造，主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及煤層組成?？傮w來說，位于山體上部的三疊系下統(tǒng)夜郎組、二疊系上統(tǒng)長興-大隆組灰?guī)r、泥灰?guī)r巖石結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)強度高，抗風(fēng)化能力強；山體下部的二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖、粉砂質(zhì)泥巖強度較低，構(gòu)成上硬下軟工程地質(zhì)特征(圖2～3)。

1.3 水文氣象條件

納雍縣地處貴州西北部，氣候溫和，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫13.6 ℃，多年平均降水量約1 243.9 mm，降雨和暴雨主要集中在5—9月，6月份降雨量最大，特大暴雨集中在6—7月。根據(jù)監(jiān)測資料，月最大降水量為 520.5 mm，日最大降水量為131.2 mm，時最大降水量為52.7 mm。

地下水主要有碳酸巖溶水、基巖裂隙水、松散巖石孔隙水3種，其中碳酸巖溶水含量最為豐富。地下水的主要補給來源為大氣降水，補水途徑主要有集中補給和面狀滲透補給。集中補給主要通過巖溶洼地、落水洞、巖溶漏斗直接補給地下水，面狀滲透補給主要通過溶蝕裂隙、層間裂隙、構(gòu)造裂隙等補給地下水，地下水接受補給后，向地勢較低處徑流。

圖1 崩塌區(qū)地貌特征Fig.1 Landform features of the collapse zone

圖2 崩塌區(qū)周邊地質(zhì)構(gòu)造圖及采空區(qū)示意圖Fig.2 Geological structure around the collapse area and goaf1—下三疊統(tǒng)夜郎組二段; 2—下三疊統(tǒng)夜郎組一段; 3—上二疊統(tǒng)長興-大隆組; 4—上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M三段; 5—上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M二段;6—第四系; 7—斷層; 8—煤層露頭及編號; 9—歷史崩塌;10—“8. 28”崩塌邊界;11—M16煤層采空區(qū); 12—M14煤層采空區(qū);13—M10煤層采空區(qū)

圖3 普灑崩滑工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.3 Engineering geological profile of the Pusa collapse1—灰?guī)r; 2—泥灰?guī)r; 3—粉砂巖; 4—泥巖; 5—煤層;6—采空區(qū); 7—深大裂隙; 8—斷層; 9—下三疊統(tǒng)夜郎組二段;10—下三疊統(tǒng)夜郎組一段; 11—上二疊統(tǒng)長興-大隆組; 12—上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M

1.4 煤礦開采情況

普灑煤礦礦區(qū)面積0.957 7 km2，主要含煤地層為龍?zhí)督M地層，煤層傾角一般為7°～12°，其可開采煤層一共6層，平均厚度1.6 m，從上到下分別為M6、M10、M14、M16、M18、M20號煤層。根據(jù)礦區(qū)的鉆孔資料統(tǒng)計得知，煤層頂板巖性主要為砂巖類(夾薄層偽頂)和砂質(zhì)泥巖類，且煤層直接頂板較薄，多屬于不穩(wěn)定巖層，易出現(xiàn)冒頂、掉塊等。

普灑煤礦采用斜井開拓，礦井采用走向長壁后退式采煤方法，全部垮塌法管理頂板，回采工藝為炮采，掘進工藝為炮掘。從2007開始，普灑煤礦開采M16號煤層，直到2010年12月停止開采，開采面積約為6.95×104m2。2013年11月普灑煤礦恢復(fù)開采M14號煤層，到2016年3月停止開采M14號煤層，采空區(qū)達到1.379×105m2。2016年9月到崩塌發(fā)生時，開采M10號煤層，開采面積為4.43×104m2(圖2～3)。

2 巖溶山體變形過程

根據(jù)歷史勘測資料記載，在納雍普灑“8.28”特大崩滑災(zāi)害發(fā)生以前崩塌源區(qū)經(jīng)過了較長的變形過程，巖溶裂隙進一步發(fā)育，并伴隨小規(guī)模的崩落掉塊和局部崩塌。結(jié)合崩滑發(fā)展過程可將山體崩塌劃分為“山體沉陷-拉裂變形階段—坡體裂隙擴展貫通-滑動階段—山體整體潰屈崩塌階段”三個階段。

2.1 山體沉陷-拉裂變形階段

由文獻[24-25]可知，在2006年時“老鷹巖”山體開始發(fā)生變形；2009年山體雖然植被茂盛，但已開始崩落碎石，其碎塊巖性主要為灰?guī)r。在崩塌區(qū)后緣存在一條走向為N30°～35°E的長大裂隙，將崩塌體與后緣母巖隔開，裂隙槽內(nèi)巖體破碎，主要為表層巖體風(fēng)化產(chǎn)物，槽壁灰?guī)r溶蝕強烈，呈現(xiàn)米黃色，巖溶裂縫的寬度隨著時間逐漸增長。2013年，裂縫擴展到長約180 m，寬34 m，同時在崩塌源區(qū)出現(xiàn)多條裂縫，其中幾條裂縫出現(xiàn)在崩塌區(qū)后緣邊界，直到崩塌發(fā)生，裂縫逐年擴展。2016年山體植被被崩落石塊鏟刮干凈，圖1為2017年崩塌前的山體景象，巖體表面溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，有眾多巖溶管道，巖體較破碎，山腳處有眾多崩落碎石堆積。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，在崩塌區(qū)后緣發(fā)現(xiàn)拉陷槽，見圖4(a)，長約210 m，深1.5～12 m，寬25～36 m，槽壁巖體呈米黃色，為表層灰?guī)r風(fēng)化溶蝕產(chǎn)物，與資料描述一致。且區(qū)內(nèi)拉裂縫眾多，調(diào)研發(fā)現(xiàn)的裂縫主要有9條，長度在30～90 m，縫寬多為20～50 cm，裂縫局部區(qū)域?qū)掃_2～4 m。在圖4(b)中可見小老鷹巖山體地裂縫，長度約30 m，裂縫寬8～24 cm，可視深度10～100 cm。地面巖溶塌陷坑眾多，主要出露于第四系(Q)殘坡積土層中，塌陷坑平面形態(tài)各異，最大直徑達4 m，可見深度約2 m，見圖4(c)。

2.2 坡體裂隙擴展貫通-滑動階段

通過搜集崩塌前資料及視頻影像可知，2016年山體崩塌源右后側(cè)拉陷槽壁裂隙擴展、加劇發(fā)育，發(fā)生小規(guī)模崩滑。2017年崩塌源斜坡體巖體裂隙逐漸發(fā)展，水平向變形加劇，坡體表面破碎巖石失穩(wěn)，部分巖塊崩滑，堆積物將斜坡坡腳覆蓋。

2.3 山體整體潰屈崩塌階段

根據(jù)崩塌視頻資料分析可知，隨著山體變形的累積與深大裂隙的形成，崩塌源區(qū)坡體在重力作用下表層也出現(xiàn)大量豎向裂縫，相互交錯，形成破碎帶；破碎帶受上部巖體擠壓突出，山體頂部巖體向外傾倒，底部巖體受壓潰屈，最終整個山體出現(xiàn)傾倒式崩塌破壞(圖5)。

圖5 崩塌體失穩(wěn)過程Fig.5 Collapse body instability process

3 采動作用下的巖溶山體變形特征

3.1 數(shù)值模型的建立

普灑崩塌源山體基座下方即為普灑煤礦采空區(qū)，開采導(dǎo)致頂板冒落引起覆巖沉降，進而在高陡斜坡區(qū)產(chǎn)生傾倒放大，成為坡體失穩(wěn)的重要原因。為研究山體崩塌破壞機理，揭示煤礦采空區(qū)對西南山區(qū)典型上硬下軟巖溶山體穩(wěn)定性的影響，本文采用離散元軟件UDEC對煤層采空區(qū)進行數(shù)值模擬研究開采擾動對巖溶山體穩(wěn)定性的影響。

圖6 普灑崩滑二維概化計算模型Fig.6 2D generalized computing model of the Pusa collapse

依據(jù)納雍崩塌工程地質(zhì)剖面建立數(shù)值模型，如圖6所示。通過災(zāi)害發(fā)生以前的地質(zhì)調(diào)查資料和災(zāi)害發(fā)生以后的調(diào)查報告，得到崩塌源區(qū)溶蝕管道發(fā)育情況、坡體地裂縫分布特征與開展情況，在模型上部共設(shè)置4條裂縫，模擬崩塌發(fā)生以前的裂縫開展和巖溶發(fā)育情況，裂隙深50～80 m，寬1.5～2.0 m，并沿深度方向縫寬逐漸減小。模型均采用巖體經(jīng)典彈塑性理論摩爾-庫倫準則，巖體、層面及節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)合工程類比與經(jīng)驗取得(表1～2)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)調(diào)查資料，開采前期山體變形程度低，且開采范圍較廣、分布不均勻，難以概化為二維模型，開采后期山體變形劇烈。本文選取2013年M14號煤層崩塌發(fā)生前的采空區(qū)作為模擬開采范圍，即M14和M10煤層采空區(qū)，兩煤層模擬開采長度均為90 m。本次模擬主要通過分析礦層開采下邊坡的位移和山體應(yīng)力的變化，研究地下開采對上覆高陡邊坡的影響。因此，模擬開采工況與實際煤層開采順序相同，采用上行后退式開采，即先開采M14煤層，后開采M10煤層。每個煤層設(shè)置9個計算步長，每個計算步長從右到左開采10 m，開采完成共計18個計算步長。在斜坡表面和采空區(qū)中心位置處垂直層面向上設(shè)置監(jiān)測點，用于觀測開采活動對山體變形的影響，監(jiān)測點布置見圖6。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1自然狀態(tài)下的坡體原始應(yīng)力

老鷹巖山體上覆堅硬灰?guī)r、泥灰?guī)r夾粉砂巖，下覆泥巖夾粉砂巖軟弱層，構(gòu)成上陡下緩地貌。在天然重力作用下，地表自然地應(yīng)力為-1～0 MPa(負號代表受壓)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在模型底部，達到10 MPa，呈現(xiàn)出由山體內(nèi)部向坡體表層擴散的現(xiàn)象。但在坡體坡度變緩處出現(xiàn)第一主應(yīng)力和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力達到5.71 MPa，剪應(yīng)力最大達到2.87 MPa，遠高于周圍巖體應(yīng)力，說明在老鷹巖坡體形成后坡體中部已經(jīng)出現(xiàn)壓剪應(yīng)力集中區(qū)，加之巖體風(fēng)化侵蝕，坡體中部巖體易破碎，坡體易沿臨空面變形，引起坡體后緣拉裂沉陷。此時在自然狀態(tài)下，計算坡體的安全系數(shù)為2.0，坡體穩(wěn)定性較好(圖7)。

圖7 山體自然重力下應(yīng)力云圖Fig.7 Stress contour under natural gravity of mass

3.2.2深大裂隙形成后的坡體變形

地下開采作用下，坡體變形發(fā)生演化，坡體后緣出現(xiàn)長大裂隙。裂隙生成以后，坡體向著裂隙槽方向出現(xiàn)彎曲變形，坡頂出現(xiàn)最大位移5.5 cm，隨著埋深逐漸減小，斜坡面彎曲受拉，坡面巖體產(chǎn)生卸荷作用。在裂隙底部出現(xiàn)壓剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力最大達到6.6 MPa，剪應(yīng)力最大1.6 MPa，有利于裂縫的擴展。深大裂隙形成后坡體的安全系數(shù)由2.0降低到1.67，降低了約15%，如圖8、圖9所示。

圖8 裂隙生成后的斜坡變形Fig.8 Slope deformation after fracture formation

圖9 裂隙生成后的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contour after fracture formation

3.2.3地下采空誘發(fā)山體變形

M10、M14煤層采空區(qū)位于老鷹巖山頂正下方約250 m，隨著煤層開挖，上覆巖體產(chǎn)生指向采空區(qū)方向位移。頂板巖層由于失去支撐出現(xiàn)冒落，隨著采空區(qū)不斷擴大，頂板巖層冒落范圍增大，直接頂板位移變形傳遞到上部巖層。M14煤層開采結(jié)束以后，采空區(qū)頂板大范圍冒落，上部巖層彎曲變形，出現(xiàn)沉陷區(qū)，沉陷位移為0.2～0.4 m。頂部被裂隙槽切割的巖體繼續(xù)向裂隙槽方向傾倒，頂部巖體變得更為破碎。隨著煤層逐步開采，原巖應(yīng)力發(fā)生改變，頂板巖層逐漸卸荷，在采空區(qū)兩端形成卸荷拱，上覆荷載沿著卸荷拱向兩端巖體傳遞，但由于斜坡一邊臨空，坡體向坡外產(chǎn)生位移。此時坡體安全系數(shù)降到1.14，坡體穩(wěn)定性大幅度降低，如圖10(a)。

M10煤層開采結(jié)束以后，頂板巖層冒落位移增大，冒落區(qū)擴大，上部巖體變形繼續(xù)增大，沿著裂縫槽向下形成沉陷帶，位移值達到0.6～0.9 m，較M14煤層開采結(jié)束增大一倍多，所以開采作用對上部裂隙沉陷槽影響極大，與普灑崩滑視頻中出現(xiàn)的裂隙槽巖體先出現(xiàn)部分崩滑一致。由于上層煤層開采，巖層卸荷區(qū)上移，斜坡巖體向坡外位移區(qū)向上擴大，位移值繼續(xù)增大到0.3～0.6 m。坡體安全系數(shù)降到0.99，可認為此時坡體變形達到極限狀態(tài)，已經(jīng)失穩(wěn)破壞，見圖10(b)。

圖10 M14和M10煤層開采后的山體變形Fig.10 Mountain deformation after coal mining of M14 and M10

圖11 斜坡表面和采空區(qū)上覆巖層監(jiān)測點位移Fig.11 Displacement of the slope surface and the over burden monitoring point in goaf

從模擬中設(shè)置的斜坡表面位移監(jiān)測點可以看出(圖11a、b)，隨著不斷開挖地表逐漸沉陷，剪出口處巖體向外擠出，山體上部巖體向著裂縫槽傾倒。在前8個開挖步長中，斜坡表面位移變化量較小，在第9個開挖步長完成以后，M14煤層頂板巖層發(fā)生冒落，位移突變，監(jiān)測點1水平位移達到0.1 m。隨后開采M10煤層的第10～14開挖步長中，位移速率繼續(xù)變緩，直到第14 開挖步長完成，M10煤層頂板冒落，位移速率持續(xù)增大，最終在M10煤層開采結(jié)束以后，監(jiān)測點1水平位移達到0.3 m，豎向位移約0.1 m，以水平位移為主?？傮w而言，在煤層開挖以后坡體中部巖體向坡外擠出，沿斜坡向上擠出位移減小，坡頂向裂隙槽內(nèi)傾倒。豎向位移呈現(xiàn)兩端大，中間小的特征，說明頂部裂隙對位移產(chǎn)生了放大作用。

從采空區(qū)上覆巖層位移監(jiān)測圖(圖11c、d)中可知，與斜坡表面位移類似，上覆巖層位移隨著頂板巖層的冒落而陡增。在圖11(c)中可以看見，除坡頂監(jiān)測點9外，其余監(jiān)測點均向坡外產(chǎn)生位移，測點3在開挖步長14時出現(xiàn)突變，原因是測點3位于頂板巖層，煤層開采采用長退壁法開挖，頂板向先前采空區(qū)冒落，故水平位移向山體內(nèi)部陡增。在圖11(d)中可以看見采空區(qū)監(jiān)測點豎向位移除下部監(jiān)測點4和監(jiān)測點5豎向位移普遍較大以外，其余相差較小，說明開采冒落引發(fā)上部巖層的位移受煤層埋深的影響較大，與礦物開采沉陷中的“三帶”位移分布規(guī)律相同。

3.2.4采動作用對山體穩(wěn)定性影響

在每一種工況計算完成以后，計算每一個工況坡體的安全系數(shù)(即分別計算自重作用下、裂隙生成后及每次開挖步下的坡體穩(wěn)定性)，最終得到的斜坡安全系數(shù)變化曲線如圖12所示。自重作用下坡體安全系數(shù)為2，上部巖溶裂隙生成以后安全系數(shù)急劇下降到1.67。然后隨著M14煤層的開采斜坡穩(wěn)定性逐漸降低，直到M14煤層開采結(jié)束，煤層安全系數(shù)降到1.14，坡體穩(wěn)定性急劇下降，但仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。在M10煤層開采過程中，安全性系數(shù)降低變緩，M10煤層開采結(jié)束以后，坡體穩(wěn)定性變?yōu)?.99，說明在M10煤層開采過程中，斜坡變形逐步累積，坡體處于極限狀態(tài)，最終失穩(wěn)破壞。

圖12 不同工況下坡體安全系數(shù)Fig.12 Safety factor of downhill body under different working conditions

4 結(jié)論

(1)深大裂隙對巖溶山體變形影響顯著，在地下開采作用下，上覆巖層受到重力作用向著采空區(qū)方向變形，變形沿著地表方向逐漸減小，但在裂隙附近出現(xiàn)反向增長。隨著采空區(qū)的不斷增大，頂板冒落區(qū)逐漸向上擴張，上覆巖層沿著裂隙向下形成變形帶，利于裂縫的發(fā)展與貫通。

(2)巖溶山體在地下采動作用下，斜坡面變形明顯，坡體沉降的同時向外擠出變形。由于受到開挖卸荷作用，斜坡向坡外擠出變形，隨著采空區(qū)的擴大而增大，特別是頂板巖層發(fā)生冒落以后，坡體擠出位移增大明顯，坡體向外崩滑趨勢顯著增大。

(3)地下采動作用對巖溶山體的穩(wěn)定性影響較大。巖溶山體溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎，在地下采動作用下斜坡中部向外擠出，深大裂隙繼續(xù)發(fā)展，坡體抗滑力逐漸減小，山體穩(wěn)定性不斷下降，隨著頂板巖層的冒落而顯著變化，最終普灑老鷹巖發(fā)生“山體后緣拉裂沉陷—裂隙擴展貫通—整體潰屈”式崩塌破壞。