貴州山區(qū)煤礦采動(dòng)引起地表斜坡變形失穩(wěn)機(jī)理研究

李官博　彭大江　王加雙　李元武

摘要：本文以貴州省都勻市某出煤洞坡為研究對(duì)象，介紹了坡體變形特征，分析了斜坡變形失穩(wěn)機(jī)理，結(jié)果表明，斜坡變形過(guò)程可分為開(kāi)采擾動(dòng)、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個(gè)階段。

關(guān)鍵詞：山區(qū);斜坡;變形;失穩(wěn)機(jī)理

1? ? 工程概況

我國(guó)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(lèi)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。貴州省都勻市某區(qū)域煤洞坡范圍內(nèi)存在多個(gè)生產(chǎn)礦井，主采A7、A9煤層，由于長(zhǎng)期的采動(dòng)影響，斜坡體出現(xiàn)了多處裂縫，甚至有個(gè)別小型崩塌發(fā)生。根據(jù)有關(guān)部門(mén)的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該煤洞坡存在“接娘坪”和“立山坡”兩個(gè)比較大的變形體單元，如圖1所示。其中，“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(jí)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(gè)別崩塌發(fā)生。

經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，裂縫大致分布在地下采煤工作面形成的采空區(qū)上方或采空區(qū)邊界對(duì)應(yīng)的地表區(qū)域，說(shuō)明裂縫的發(fā)育與地下采煤的關(guān)系密切。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“接娘坪”變形單元附近多為私企開(kāi)采的小煤洞，而“立山坡”變形單元附近僅有規(guī)模開(kāi)采的正規(guī)企業(yè)，說(shuō)明小煤洞的亂采亂挖對(duì)地表裂縫的形成影響更大。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)煤洞坡變形體的形成機(jī)理進(jìn)行分析。

2? ? 煤洞坡變形體形成機(jī)理分析

貴州省山區(qū)地貌為典型的峰叢地貌，在流水、強(qiáng)降雨等作用下容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，而在采動(dòng)影響下，斜坡體變形機(jī)制變得更為復(fù)雜，破壞性也更強(qiáng)，地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模也更大。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)采動(dòng)引起的煤洞坡變形特征及失穩(wěn)機(jī)理也開(kāi)展了大量研究，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)、斜坡體構(gòu)造、煤礦開(kāi)采工況等條件不同，針對(duì)性地提出了煤洞坡失穩(wěn)的多個(gè)模式，如谷德振等人提出金川露天礦邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制為“傾倒-滑移式”，孫玉科等人提出鹽池河山體變形失穩(wěn)模式為滑移-傾倒崩塌，黃潤(rùn)秋、林鋒、趙建軍等人提出的貴州省采礦誘發(fā)“采空區(qū)”控制型崩滑災(zāi)害的形成機(jī)理等。概括而言，目前提出的煤洞坡失穩(wěn)機(jī)理可分為4類(lèi)，即：塌陷-拉裂-剪斷（滑移）、塌陷-拉裂-傾倒、拉裂-蠕滑-剪斷和拉裂-滑移-傾倒。從各失穩(wěn)機(jī)理的描述過(guò)程判斷，本文上述提到的煤洞坡斜坡的變形失穩(wěn)機(jī)理為“拉裂-蠕滑-剪斷”，其走向上的變形過(guò)程可分為四個(gè)階段，如圖2所示。

（1）開(kāi)采擾動(dòng)階段

由礦山壓力與巖層控制相關(guān)理論可知，煤洞坡區(qū)域長(zhǎng)期開(kāi)采A7、A9煤層，地下形成了大范圍的采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層在重復(fù)采動(dòng)影響下受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，使其在自重應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力的疊加作用下發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而在煤層上覆巖層中不斷形成裂縫，巖層之間出現(xiàn)離層等現(xiàn)象，誘發(fā)斜坡體內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)緩慢的變形現(xiàn)象。

（2）坡頂拉裂階段

由于該區(qū)域煤礦回采均使用全部垮落法處理采空區(qū)，隨著A7、A9煤層中工作面的不斷回采推進(jìn)，采空區(qū)原有支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸破壞，采空區(qū)上覆巖層在周期壓力的作用下逐步冒落或發(fā)生彎曲下沉，即形成采空區(qū)上覆巖層“三帶”。當(dāng)關(guān)鍵層垮落后，采空區(qū)頂板自下而上形成的冒落區(qū)與裂縫區(qū)開(kāi)始迅速沿陡傾結(jié)構(gòu)面向上延伸，隨著垮落范圍越來(lái)越大，冒落區(qū)與裂縫區(qū)向上發(fā)展直至地表，在采空區(qū)邊界對(duì)應(yīng)的坡頂區(qū)域形成裂縫，并不斷發(fā)展。

（3）變形加劇階段

當(dāng)A7、A9煤層資源逐漸被回采完畢，多個(gè)煤礦開(kāi)始回采A4煤層。A4煤層位于A7煤層上方，距離地表較近，回采前在下方A7、A9煤層的重復(fù)采動(dòng)擾動(dòng)下，煤體及頂?shù)装鍘r層已經(jīng)受到結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)A4煤層不斷回采后，原有冒落區(qū)和裂縫區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，工作面之間留設(shè)的保護(hù)煤柱因不能承受高應(yīng)力而被壓碎，加劇了冒落范圍繼續(xù)向地表的延展發(fā)育，煤層頂板裂縫繼續(xù)增大，在坡頂前緣局部出現(xiàn)拉裂傾倒失穩(wěn)崩塌。受臨空面和采空區(qū)的影響，山體右側(cè)的坡頂開(kāi)始出現(xiàn)朝向右側(cè)臨空面的裂縫。

（4）蠕滑變形階段

A4煤層中的工作面保護(hù)煤柱在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下也逐漸被壓碎，導(dǎo)致A4煤層頂板由彎曲下沉開(kāi)始產(chǎn)生冒落，原有的采空區(qū)邊界裂縫繼續(xù)擴(kuò)大。覆巖在多次高強(qiáng)度重復(fù)開(kāi)采擾動(dòng)后，內(nèi)部裂隙發(fā)育，降雨沿坡表裂縫滲入坡體內(nèi)，并在采空冒落區(qū)匯集，促使斜坡以裂縫為界向兩側(cè)臨空面蠕滑變形。覆巖向左側(cè)蠕滑過(guò)程中受到了山體的阻擋，向右蠕滑則受到巖體裂隙發(fā)育程度低和坡表邊界煤柱的限制。見(jiàn)圖2。

同理，煤洞坡變形體在傾向上形成過(guò)程也可以分為開(kāi)采擾動(dòng)階段、坡頂拉裂階段、變形加劇階段、蠕滑變形階段四個(gè)階段，但在蠕滑變形階段裂縫的性質(zhì)上有所差別。在進(jìn)入變形加劇階段以后，A4煤層頂板由彎曲下沉開(kāi)始產(chǎn)生冒落，導(dǎo)致采空區(qū)邊界裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，裂縫同時(shí)向采空區(qū)和臨空面方向移動(dòng)，但由于受到反傾向巖層的限制，裂縫以向采空區(qū)移動(dòng)為主。降雨沿坡表裂縫滲入坡體內(nèi)，并在采空冒落區(qū)匯集，促使斜坡以后緣裂縫為界向臨空面蠕滑變形。

3? ? 影響煤洞坡變形失穩(wěn)的地質(zhì)因素分析

以往的研究表明，巖體結(jié)構(gòu)、巖層性質(zhì)及其組合、地形地貌、工作面開(kāi)采條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素均對(duì)受采動(dòng)影響的斜坡體變形失穩(wěn)產(chǎn)生顯著影響。貴州山區(qū)以峰叢地貌為主，斜坡變形失穩(wěn)往往具有突發(fā)性，事故發(fā)生前變形較小不易察覺(jué)，因此在一定程度上增加了事故災(zāi)害防治的難度，也增加了事故發(fā)生的危險(xiǎn)性。

結(jié)合西南地區(qū)近40年來(lái)發(fā)生的其他采動(dòng)相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的資料，對(duì)地形、坡體結(jié)構(gòu)、節(jié)理面、臨空面、變形跡象、崩滑方向、斜坡巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、坡體結(jié)構(gòu)、地下開(kāi)采狀況、災(zāi)害發(fā)生前降雨情況、巖層產(chǎn)狀、失穩(wěn)模式等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期探究對(duì)煤洞坡變形失穩(wěn)產(chǎn)生顯著影響的地質(zhì)因素及其規(guī)律。

自然條件下采動(dòng)坡體會(huì)沿2組控制性結(jié)構(gòu)面發(fā)育有卸荷裂隙或溶蝕裂隙，如貴州腰巖腳崩塌體、貴州龍場(chǎng)崩塌體發(fā)育有溶蝕裂隙或溶洞。但在下部或深部采礦情況下，坡體內(nèi)的裂隙會(huì)加速擴(kuò)展，而且變形裂縫與采空區(qū)的邊界呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，14個(gè)統(tǒng)計(jì)的崩滑地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在發(fā)生前具有變形裂縫，有的甚至還會(huì)出現(xiàn)小型崩塌和滑坡;坡頂會(huì)發(fā)育有與采空區(qū)邊界的變形裂縫，而且裂縫隨著采空區(qū)面積的擴(kuò)大及開(kāi)采強(qiáng)度的提高會(huì)延伸到采空區(qū)，若裂縫與臨空面近于平行或小角度斜交，那么這組裂縫發(fā)育速度會(huì)加快，14個(gè)災(zāi)害點(diǎn)中均發(fā)育有與臨空面平行的裂縫，而且都是控制斜坡穩(wěn)定的主控裂縫。

煤礦企業(yè)的技術(shù)條件，如開(kāi)采方法、采掘機(jī)械、開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采順序、采高等因素，對(duì)煤洞坡的變形失穩(wěn)也產(chǎn)生明顯影響。一般而言，煤礦開(kāi)采多個(gè)煤層，采高往往與煤層厚度相同，并且該區(qū)域內(nèi)有多個(gè)煤礦同時(shí)生成，每個(gè)煤礦一般同時(shí)回采的2個(gè)工作面，重復(fù)采動(dòng)效應(yīng)疊加影響。特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期且高強(qiáng)度的回采，采空區(qū)范圍越來(lái)越大，加劇了斜坡的變形失穩(wěn)破壞，甚至發(fā)生滑坡、坍塌等災(zāi)害，如貴州馬達(dá)嶺滑坡、湖鹽池河崩塌、貴州洋水河崩塌帶等。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

煤洞坡的顯著特征是斜坡上部巖性較硬，而下部巖性較軟，受多個(gè)煤礦的重復(fù)采動(dòng)影響，斜坡體變形機(jī)制復(fù)雜，變形過(guò)程可分為開(kāi)采擾動(dòng)、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個(gè)階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔文博，向喜瓊.貴州都勻馬達(dá)嶺滑坡運(yùn)動(dòng)特征研究[J].地下水，2013，35（3）：145-148.

[2] 馮振，殷躍平，李濱，等.斜傾厚層巖質(zhì)滑坡視向滑動(dòng)的土工離心模型試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（5）：890-896.

[3] 蘭志勇.采動(dòng)滑坡變形破壞機(jī)制物理模擬試驗(yàn)研究：以貴州省青山煤礦為例[D].成都：成都理工大學(xué)，2015.