基于數(shù)值分析的淺埋煤層采動滑坡穩(wěn)定性研究

劉茂琪，劉 萍，朱恒忠，王 沉，王春華

（1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽550025；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590）

山體崩滑地質(zhì)災害一直以來都是威脅人們生命及財產(chǎn)安全的主要災害形式之一。隨著人們在地下采掘活動的越來越頻繁，地下開采活動所引起的山體崩滑地質(zhì)災害日益增多，而且造成了非常嚴重的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。以山區(qū)為例，由地下開采而引發(fā)的地質(zhì)災害多以山體崩滑的形式出現(xiàn)，且造成了嚴重的損失。許多大規(guī)模的崩滑地質(zhì)災害被證實與地下開采有直接或間接的聯(lián)系[1-3]。

目前大多學者對采動滑坡的研究方法主要是數(shù)值分析和物理實驗，研究結(jié)果都表明地下采動對山體穩(wěn)定性有一定影響[4-8]，但是對貴州地區(qū)采動滑坡的研究較少且缺乏針對性。為了進一步加深對于貴州地區(qū)的地下采掘活動對山體穩(wěn)定性影響機制的認識，為類似地質(zhì)災害的預防和治理提供參，以貴州某礦區(qū)斜坡危巖體發(fā)生的崩滑地質(zhì)災害為例，在大量的現(xiàn)場工作和實驗室實驗的基礎(chǔ)上，從宏觀和微觀角度對采動滑坡進行研究。從宏觀角度利用赤平投影對坡體進行穩(wěn)定性分析，從微觀角度利用UDEC離散元軟件模擬煤層開采過程中的裂隙發(fā)育情況，說明巖石力學參數(shù)（黏聚力）在裂隙發(fā)育過程中將降低；此外利用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件對地下采掘過程中的坡體受力情況及坡體穩(wěn)定性進行研究分析；通過UDEC 軟件模擬某煤礦M10 煤層開采過程中采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育情況，在此基礎(chǔ)上再應用FLAC3D對開采M10 煤層時，坡體穩(wěn)定性系數(shù)的變化及坡體的穩(wěn)定性進行分析。

1 研究區(qū)坡體穩(wěn)定性數(shù)值分析

所研究的地區(qū)位于貴州某礦區(qū)的陡傾坡體，根據(jù)收集以及查閱的資料得知，發(fā)生崩滑的山體下部是某煤礦的井田區(qū)，煤層傾角為7°的近水平煤層，所涉及煤礦開拓方式為斜井開拓，主要通過巷道在坡體下部進行采掘作業(yè)[9]。

1.1 坡體的UDEC 模擬

采用UDEC 主要模擬開采M10 煤層時裂隙場的分布規(guī)律以及對山體穩(wěn)定性的影響。判斷M10 煤層開采時是否對山體穩(wěn)定性具有影響。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料按山體崩滑部分的中間剖面建立二維數(shù)值計算模型，UDEC 數(shù)值模擬計算模型如圖1。

數(shù)值計算模型以水平方向為x 軸，x 軸方向上的總長度為360 m；沿垂直方向為y 軸，y 軸方向上的總高度為250 m，該模型共計9 個拐點，順時針依次 為（0，0）、（0，110）、（51.16，125）、（81.41，158）、（105.14，200.82）、（120.4，250）、（155.23，249.76）、（360，169.53）、（360，0），建立剖面圖1∶1 模型，煤層位置及地層巖性已在圖中標出。計算模型的底部和兩邊是0 位移邊界條件，模型上部為自由邊界，主要受重力的作用，對模型施加原巖自重應力與上邊界，水平施加于模型左右邊界。

1.1.1 參數(shù)確定

模型采用帶抗拉強度的Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，該準則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb 剪切屈服準則與抗拉屈服準則相結(jié)合的復合屈服準則[10-11]。經(jīng)過實驗室?guī)r石力學實驗以及參照相關(guān)經(jīng)驗得出巖層參數(shù)。剪切判據(jù)fs和抗拉屈服判據(jù)ft分別為：

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應力；φ 為內(nèi)摩擦角；c 為黏聚力；σt為巖石抗拉強度；Nφ為與內(nèi)摩擦角有關(guān)的參數(shù)。

1.1.2 UDEC 模擬結(jié)果

通過對崩滑危巖體所在位置建立M10 煤層開采的二維離散元數(shù)值模型進行數(shù)值模擬試驗。模型主要研究煤礦在開采M10 煤層時的采動效應對上覆巖層的影響。模型左右兩端各留保護煤柱30 m，從左往右逆坡開采，每開采30 m 觀察M10 煤層上覆巖層裂隙發(fā)育情況及上覆巖層垮落情況。由于模擬圖像結(jié)果過多，只例舉4 次開挖的效果圖，M10 煤層開挖過后的裂隙發(fā)育效果圖如圖2。

圖2 M10 煤層開采后裂隙發(fā)育效果圖Fig.2 Effect diagram of fracture development after mining of M10 coal seam

在模擬過程中觀察到當開挖到45 m 時，煤層開采僅導致工作面采空區(qū)上方局部出現(xiàn)裂隙，對于距離煤層較遠的上覆巖層幾乎沒有影響，還未影響到坡體表面；當開挖到60 m 時（圖2（a）），顯示覆巖裂隙整體還是位于采空區(qū)上方，但其發(fā)育范圍變大，橫向離層裂隙與縱向離層裂隙貫通，裂隙繼續(xù)向上發(fā)育至接近坡面，逐漸對坡體下方（坡腳）巖體強度造成影響；當煤層開挖至90 m 時，裂隙已經(jīng)發(fā)育到坡角處的位置；煤層開挖至120 m 時（圖2（b）），顯示覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發(fā)育，已經(jīng)發(fā)育到坡體腰部（坡體中間部位）的位置；煤層開挖至150 m時，覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發(fā)育，裂隙發(fā)育到達坡面中上部的位置；當煤層開挖至180 m 時（圖2（c）），可以看到覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發(fā)育，裂隙發(fā)育接近坡頂?shù)奈恢?；隨著地下采煤工作面不斷推進，裂隙在上覆巖層中逐漸向上發(fā)育，當工作面推進至210 m 處時，覆巖中裂隙已發(fā)育至坡頂；當采煤工作面推進至240 m 時（圖2（d）），覆巖裂隙已發(fā)育坡頂并且逐步朝坡頂后緣發(fā)育。

在研究區(qū)坡體發(fā)生崩滑前，根據(jù)相關(guān)部門對礦區(qū)的調(diào)查資料得知崩滑體前緣已有多條裂縫。依據(jù)UDEC 數(shù)值模擬的結(jié)果，坡體裂縫的產(chǎn)生是隨著采煤工作面不斷推進，采空區(qū)上部巖層不斷垮落，覆巖裂隙不斷向坡體地表發(fā)育，裂隙發(fā)育過程中降低了坡體相關(guān)巖石巖體力學參數(shù)，從而降低了巖體的強度，坡腳至坡腰段受影響的巖體在雨水侵蝕以及上覆巖體的重力作用下，當達到巖體的屈服極限時發(fā)生破壞，此時，由于坡體上部巖體失去受力點，有向前傾倒的趨勢，再加上采煤工作面的不斷推進導致覆巖裂隙發(fā)育到坡頂，坡頂有向前傾倒趨勢的巖體對坡體有拉伸（剪切）作用，由此形成了坡體地表前緣裂縫。

綜上，崩滑體下煤層在開挖過程中由于采動的作用，破壞了巖土體內(nèi)的初始應力平衡狀態(tài)，致使在工作面采空區(qū)周圍的巖體進行重新應力分布，在此過程中水平應力和垂直應力對巖體有切割作用，同時，由于煤層的開挖致使煤層頂板受力不平衡而垮落以及彎曲下沉，由此形成了裂隙，隨著采煤工作面不斷推進，上覆巖層受影響區(qū)域逐漸擴大，裂隙也不斷向上發(fā)育，最終采動裂隙發(fā)育至整個坡體。由此，采動過程使采空區(qū)了導致采空區(qū)上覆巖層的巖石力學參數(shù)降低。故利用FLAC3D軟件內(nèi)嵌強度折減法模擬計算采掘推進過程中山體穩(wěn)定性系數(shù)的變化。

1.2 坡體的FLAC 模擬

1.2.1 坡體的FLAC3D模型

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計算模型，模型的x 軸正方向為正東，y 軸正方向為正南，模型的豎直向上為z 軸正方向，三維有限差分數(shù)值計算模型示意圖如圖3。模型在x、y、z 軸方向上的長度分別為360、100、250 m。力學邊界采用兩側(cè)面（x 方向）、前后緣側(cè)面（y 方向）及底面（z 負方向）單向約束。

圖3 三維有限差分數(shù)值計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-dimensional finite difference numerical calculation model

在模型從左右留兩邊留30 m 保護煤柱后，從左往右分10 步開挖，為了更好的分析地下采掘作用對山體穩(wěn)定性的影響，在煤層開挖前先計算山體穩(wěn)定性系數(shù)，前面UDEC 模擬已說明煤層開挖過程中會使上覆巖層巖石力學參數(shù)降低，由此利用FLAC3D軟件內(nèi)置的強度折減法計算M10 煤層開挖過程中崩滑體的穩(wěn)定性系數(shù)的變化情況，然后從應力、應變和塑性區(qū)等方面對模擬結(jié)果進行分析對比。

1.2.2 坡體FLAC 模擬結(jié)果

以上分析從裂隙發(fā)育以及坡體受力方面說明了坡體穩(wěn)定性是隨著地下采煤活動的進行而降低。經(jīng)過模擬，坡體原始應力狀態(tài)下只有坡頂發(fā)生微小位移，坡體在地下采掘活動開始前穩(wěn)定性系數(shù)為1.57，參照危巖體穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準，判斷坡體在未受采動影響下是處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。M10 煤層開挖過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化圖如圖4。

圖4 M10 煤層開挖過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化圖Fig.4 M10 stability coefficient variation during coal seam excavation

與開挖過后的坡體穩(wěn)定性系數(shù)對比，開挖過后的坡體穩(wěn)定性全系數(shù)小于開挖前。數(shù)值模擬結(jié)果分析得到坡體在地下采掘活動開始前穩(wěn)定性系數(shù)為1.57，處于一個基本穩(wěn)定的狀態(tài)，在此之后，坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨著采煤工作面的推進而減小。圖4 表明了坡體發(fā)失穩(wěn)生崩滑前會經(jīng)歷3 階段: 分別是基本穩(wěn)定階段、欠穩(wěn)定階段以及不穩(wěn)定階段，坡體發(fā)生失穩(wěn)垮落將會發(fā)生在第2、第3 階段。

圖4 中顯示了當?shù)叵虏删蚧顒記]有在山體正下方進行時，采掘活動對崩滑體穩(wěn)定性影響較小，坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度也較??；圖中開挖至90 m 時剛進入崩滑體下方，此時崩滑體穩(wěn)定性系數(shù)為1.38，在此之后，隨著采掘活動往山體內(nèi)推進，采掘活動對坡體穩(wěn)定性影響逐漸增大，坡體體穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度隨之變大，說明了地下采掘活動對坡體穩(wěn)定性有較大影響。

開挖過后的豎直方向位移云圖如圖5，限于篇幅，僅列出開挖4 次后的模擬結(jié)果，分別是開挖至60、90、120、150 m 的情況。

圖5 開挖后豎直方向位移計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of safety factor calculation after excavation

從圖5 中可以看出，M10 煤層開挖60 m 時的坡頂危巖位移與原始狀態(tài)相比最大位移量無太大變化，坡體穩(wěn)定性系數(shù)仍然是1.57；M10 煤層開挖至90 m 時的坡頂最大位移量與開挖至60 m 時的坡頂最大位移量相差0.02 mm 變化并不大，坡體穩(wěn)定性系數(shù)是1.57，無變化; 當采煤工作面推進至120 m時，模擬結(jié)果顯示坡體穩(wěn)定性系數(shù)從1.57 減小到1.38，坡體穩(wěn)定性從基本穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)；隨著M10 煤層采煤工作面持續(xù)推進, 當采煤工作面推進到150 m，模擬結(jié)果顯示坡體穩(wěn)定性系數(shù)從1.38 減小到1.00，坡體穩(wěn)定性狀態(tài)為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著工作面的持續(xù)推進，坡體穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，工作面推進至180 m 時坡體穩(wěn)定性系數(shù)降低到0.77，根據(jù)危巖體穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準，在此之后坡體穩(wěn)定性從欠穩(wěn)定狀態(tài)專變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。

開挖后的坡體豎直方向上的壓應力圖如圖6。限于篇幅，僅列出開挖4 次后的模擬結(jié)果，分別是M10 煤層開挖至60、90、120 、150 m 時坡體在豎直方向上的壓應力圖。

圖6 開挖后豎直方向壓應力分布圖Fig. 6 Schematic diagram of vertical compressive stress after excavation

當煤層開挖至60 m 時，從圖6（a）中可以看出，采空區(qū)上方豎直方向上應力分布發(fā)生變化，工作面前進方向的煤壁出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，但對坡頂應力分布影響不大；煤層開挖至90 m 時，由于采空區(qū)跨度增加導致開挖方向的煤壁應力集中，圖6（b）顯示豎直方向最大應力比開挖至60 m 時的最大應力增加1 倍，在應力重新分布過程中必然引起采空區(qū)上覆巖層發(fā)生位移從而導致坡腳地表發(fā)生破壞；是M10 煤層開挖至120 m 時，從豎直方向壓應力分布圖6（c）中也可看出，采空區(qū)上部的巖層壓應力變化范圍變廣，已涉及坡腰處，工作面前進方向的煤壁應力集中更為突出，開挖過后應力再次重新分布，在此過程中采空區(qū)達到極限平衡的巖層逐漸垮落，采空區(qū)上部巖層受破壞程度逐漸增加，對坡體的穩(wěn)定性影響隨之增加。

M10 煤層4 次開挖的上覆巖層塑性區(qū)貫通情況如圖7，圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）分別代表第1～第4 次開挖的模擬結(jié)果。

圖7 開挖后塑性區(qū)貫通情況示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the penetration of the plastic zone after excavation

從圖7 可以看出，隨著地下采掘活動不斷往坡體內(nèi)推進，采空區(qū)上覆巖層塑性區(qū)逐漸向地表貫通，第1 次完成時工作面推進至60 m，采空區(qū)上部塑性區(qū)顯示對上覆巖層的影響程度微??；第2 次開挖結(jié)束時工作面推進至90 m 處，采空區(qū)上覆巖層與地表已形成塑性貫通區(qū)，直接對坡腳處巖層造成一定影響；從圖中坡體上部塑性區(qū)分布可以看出前2 次開挖對坡體上部影響都不大；接著第3 次開挖推進到120 m 處，已經(jīng)接近到坡頂下方，此時從圖7（c）中可以看到采空區(qū)上部的塑性區(qū)已經(jīng)和坡體中部塑性區(qū)貫通，此時，坡腳到坡腰處這一段巖層受到一定程度破壞，而且塑性區(qū)已經(jīng)向坡體后緣發(fā)展；當?shù)?次開挖完成時，坡體穩(wěn)定性已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)了，從圖7（d）可以看出，采空區(qū)上覆巖層塑性貫通區(qū)更為嚴重導致坡體后緣巖層受到破壞。從模擬結(jié)果可以總結(jié)出：塑性區(qū)的貫通情況在坡體發(fā)生大規(guī)?？迓淝笆桥c地下采煤工作面的推進程度成正相關(guān)的。

2 崩滑體失穩(wěn)機制

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料、數(shù)值模擬以及穩(wěn)定性評價結(jié)果知，坡體在未受采動影響情況下是處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從采動影響的角度對崩滑體失穩(wěn)機制進行分析，首先，在用UDEC 離散元對坡體進行研究中，觀察到隨著M10 煤層的不斷開挖，采空區(qū)上覆巖層的垮落范圍逐漸變廣，而且覆巖裂隙范圍從采空區(qū)垮落巖層上部逐漸發(fā)育至坡腳坡腰坡頂坡體后緣。其次，再用FLAC 有限元軟件對坡體進行研究中，通過對坡體穩(wěn)定性系數(shù)的變化分析中總結(jié)出，坡體穩(wěn)定性狀態(tài)變化過程為：基本穩(wěn)定狀態(tài)欠穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)2 個過度段。結(jié)合UDEC 及FLAC3D的模擬結(jié)果，坡體的失穩(wěn)涉及到坡表面的裂縫的形成，其形成是由于當采煤工作面推進至坡體下方時覆巖裂隙發(fā)育的結(jié)果；隨著時間的推移，受破壞的巖體在雨水的侵蝕作用下以及由雨水滲入產(chǎn)生的水壓力、巖體自重及上覆巖層的壓力作用下自然發(fā)生位移形成地表裂縫逐漸破碎。

礦區(qū)崩滑體失穩(wěn)破壞過程可歸納如下：

1）由于研究區(qū)崩滑體下方在采煤過程中采空區(qū)是自由垮落法處理，所以隨著煤層的推進采空區(qū)頂板不斷垮落，這將引起采空區(qū)上覆巖層發(fā)生整體性的移動變形，覆巖裂隙不斷發(fā)育，導致巖體強度降低，巖體之間發(fā)生擠壓或者拉伸破壞，由此引起巖體發(fā)生破壞。

2）采空區(qū)上覆巖體發(fā)生破壞后進而使巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角等相關(guān)力學參數(shù)降低，使得坡體穩(wěn)定性系數(shù)也降低。巖體整體性的移動變形也使坡體前緣裂縫間距變大，這使坡體前緣的崩滑體有向下運動的趨勢，導致其作用在巖體上的壓應力變?yōu)槔瓚?，在采掘活動繼續(xù)進行，坡體前緣裂縫繼續(xù)發(fā)展，坡體前緣的崩滑體質(zhì)量增大，加上由于雨水形成的水壓力，當崩滑體所受重力及水壓力的合力大于其與巖體間的拉應力時，崩滑體于坡體前緣的“拉斷”破壞突然發(fā)生，最后導致坡體崩滑的發(fā)生。

3 結(jié) 語

1）地下采掘活動是引起礦區(qū)山體崩滑地質(zhì)災害發(fā)生的誘導因素之一。由于地下采掘活動的作用，上部山體穩(wěn)定性受到影響，坡體穩(wěn)定性是隨著M10 煤層的推進而降低。

2）在天然工況下，地下采掘活動對山體的穩(wěn)定性影響可分2 種：①當?shù)叵虏删蚧顒优R近山體時，模擬結(jié)果顯示山體穩(wěn)定性系數(shù)變化不大，說明采掘活動對山體穩(wěn)定性影響較??；②當采掘活動在其上部山體下進行時，模擬結(jié)果顯示山體穩(wěn)定性系數(shù)變化較大，說明采掘活動對山體穩(wěn)定性影響很大，而且隨采掘活動朝山體內(nèi)推進山體穩(wěn)定性逐漸降低。

3）地下采掘活動過程中，采空區(qū)頂板不斷垮落，這將引起采空區(qū)上覆巖層發(fā)生整體性的移動變形，巖體之間發(fā)生擠壓或者拉伸破壞，在此過程中將引起上覆巖體發(fā)生整體性破壞，結(jié)合UDEC 與FLAC3D的模擬結(jié)果說明隨著M10 煤層工作面持續(xù)推進，采空區(qū)上覆巖體發(fā)生破壞后由于裂隙的發(fā)育進而使巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角等相關(guān)力學參數(shù)降低，這導致坡體的穩(wěn)定性受到一定程度影響。