采空區(qū)影響下紅黏土邊坡失穩(wěn)機制研究

李 偉，任 鵬，3，李慶堯，郭夏飛，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013；3.煤炭科學研究總院，北京100013；4.中煤平朔集團有限公司 東露天礦，山西 朔州036006）

露天煤礦紅黏土邊坡的變形失穩(wěn)會對安全生產(chǎn)帶來隱患，更有甚者還會導致重大的人員傷亡和引發(fā)嚴重的社會效應[1-2]。平朔東露天礦發(fā)生過多次紅黏土邊坡滑坡災害，研究發(fā)現(xiàn)此類失穩(wěn)主要歸因于邊坡含有軟弱紅黏土層[3-4]。通過對東露天礦發(fā)生滑坡區(qū)域的調研，認為該區(qū)域端幫邊坡目前正處在復雜工況和多種地質條件的綜合作用下，以此對邊坡穩(wěn)定性帶來的影響很難預測[5]。紅黏土分布區(qū)域廣泛，所涉及的工程及邊坡失穩(wěn)案例屢見不鮮，紅黏土具有飽和度高、含水率高、孔隙高的特點，是一種特殊黏性土且強度較高[6-7]；紅黏土邊坡在降水、采空區(qū)的共同影響下，其變形往往以坡體內部未出現(xiàn)貫通性的破壞面為特點；隨著坡體應力快速超過坡體極限強度時，極易形成貫通性破壞面，相反，若坡體內的應力介于長期強度和極限強度之間時，斜坡在失穩(wěn)破壞之前需要一段較長時間的松動蠕變[8-9]。

在我國露天煤礦中，由于軟巖強度較低的特性再加上順傾這一自然地質因素，綜合影響下的邊坡變形破壞機制的研究較少，相關治理舉措目前仍不夠完善。為此，以中煤平朔公司東露天礦北幫邊坡為工程背景，考慮邊坡在雨季降水的影響下，對研究區(qū)域的巖土體參數(shù)進行一定程度的折減，以此為基礎分析紅黏土邊坡受采空區(qū)影響下巖土體位移規(guī)律，探究紅黏土邊坡變形失穩(wěn)機制。

1 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡拱效應特征

1.1 巖土體強度指標和紅黏土邊坡模型

1）巖土體強度指標。將以往巖石物理力學性質試驗和土質工程性質試驗成果進行匯總，結合已有成果通過類比分析，基于對東露天礦北幫紅黏土邊坡工程地質特征以及水文地質狀況的勘查，通過強度折減法計算綜合獲得東露天礦邊坡巖土物理力學性質指標值，巖土體物理力學性質指標表見表1。

表1 巖土體物理力學性質指標表Table 1 Table of physical and mechanical properties of rock and soil

2）紅黏土邊坡模型。以平朔東露天礦北幫紅黏土影響區(qū)域為研究對象，邊坡上部有較厚的第三系和第四系的粉質黏土覆蓋層，平均厚度約為55 m；北幫的覆蓋層是由黃色粉土和紅色黏土共同構成的，裂隙在豎直方向上的發(fā)育程度較高；除此之外在水的作用下土體顆粒間的黏聚力和內摩擦角均會衰減，在該區(qū)域由于巖土體強度的減弱致使滑塌事故多次發(fā)生。根據(jù)地形圖和鉆孔勘察資料，北幫研究區(qū)域紅黏土邊坡典型工程地質剖面圖如圖1。

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological section

1.2 采空區(qū)紅黏土邊坡拱效應特征數(shù)值模擬

采空區(qū)形成之后，空區(qū)四周的各個角隅處（即支撐拱的固定支撐端）首先達到極限剪切破壞狀態(tài)，隨著采空區(qū)數(shù)目的增多，角隅處破壞區(qū)域逐步延伸，頂板中央（即支撐拱的頂端）拉應力的分布逐漸顯著，直至最終以拉應力形式破壞，此階段拱效應存在于采空區(qū)上覆巖土層中；而采場周邊區(qū)域圍巖位移量最大，隨著距離開挖邊界漸遠，其水平位移和垂直位移隨之減小，拱效應隨之減弱，同時采場上覆巖移比下部要多出許多，圍巖移動方向均指向采空區(qū)。支撐拱隨著距離采空區(qū)位置變化效應表見表2。采空區(qū)剖面垂直位移云圖如圖2。

表2 支撐拱隨著距離采空區(qū)位置變化效應表Table 2 Effect table of support arch changing with distance from mined-out area

圖2 剖面垂直位移云圖Fig.2 Profile vertical displacement cloud image

通過分析表2 和圖2 可知，受采空區(qū)影響，在采空區(qū)上覆巖土層中形成圍巖移動位移支撐拱，且不含支撐煤柱的情況下，采空區(qū)頂板中央位置下沉量最大（圖2（a）），含支撐煤柱的采空區(qū)，上覆巖土層下沉量最大的位置在“整個”采空區(qū)的中央位置（圖2（b））；沿著采空區(qū)側面的位移下沉量急劇降低，其以外的區(qū)域下沉量變化較小，且距離采空區(qū)越遠的位置，位移下沉量越??；采空區(qū)上覆巖土層距離地表一半高度位置，圍巖以垂直向下位移為主，與圍巖相接觸的紅黏土層也隨之發(fā)生位移，對地表邊坡穩(wěn)定性有一定的影響；水平方向變形較大的位置分布在采空區(qū)的角隅處，且影響區(qū)域臺階具有朝向臨空面發(fā)生圓弧滑動的趨勢。

采空區(qū)的頂板以及角隅處受采空區(qū)的影響，應力集中較明顯，且在頂板的上部，應力集中經(jīng)巖層傳遞至紅黏土層，最大主應力呈現(xiàn)從上至下逐漸增大的變化趨勢，這種影響通過圍巖傳遞至地表紅黏土邊坡；通過對比分析圖2 發(fā)現(xiàn)，若巖土層中不存在支撐拱結構，則在地表處表現(xiàn)為單個或多個并段多個臺階坡頂巖體局部崩塌或者一定范圍的地表沉陷，且具有朝向臨空面發(fā)生圓弧滑動的趨勢，這表明支撐拱的存在抑制了由于水平位移和垂直位移所導致的地表沉陷。

根據(jù)以上分析認為含空區(qū)紅黏土邊坡的拱效應具有如下特征：

1）由于采空區(qū)的存在，一方面加速了紅黏土邊坡的變形演化過程，另一方面在巖土層中會形成多個支撐拱，有利于地表邊坡的穩(wěn)定性。

2）正是支撐拱的存在，即使模型計算中采空區(qū)頂板豎向發(fā)生一定范圍的位移，但現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)并未反映近階段研究區(qū)域采空區(qū)內部發(fā)生塌方現(xiàn)象，若豎向位移進一步發(fā)育則最終會導致拱效應失效，采空區(qū)內部出現(xiàn)塌方。

2 基于拱效應的邊坡變形演化機制

2.1 紅黏土邊坡變形破壞機制

在采空區(qū)作用下紅黏土邊坡的變形失穩(wěn)破壞模式有2 種：一種是邊坡的巖體沿邊坡面滑移;另一種是邊坡的巖體在采空區(qū)的影響范圍內沉降。通過對室內試驗、數(shù)值模擬以及關于支撐拱效應的分析，露天礦紅黏土邊坡巖土體在受采空區(qū)擾動效應的影響下整體的變形失穩(wěn)破壞過程宏觀體現(xiàn)在4 個方面，即：“剪切-張拉-滑移-塌陷”。采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過程示意圖如圖3。

圖3 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of deformation and instability process of red clay slope under the influence of goaf

1）剪切破壞。采動影響下，采空區(qū)周圍巖體的圍壓不斷下降，坡體的強度隨之降低，受此影響，邊坡巖土體變形的程度逐漸擴大，拉裂縫尤其是后緣位置處持續(xù)向下發(fā)育。由于拉裂縫不斷發(fā)育，使得該階段邊坡的穩(wěn)定性由坡體內部支撐拱來維持，隨著拉裂縫繼續(xù)發(fā)育，土體內部的支撐拱無法保證邊坡的穩(wěn)定，拱效應失效之后會有新的支撐拱形成，以維持邊坡的穩(wěn)定性。

2）后緣拉裂。采空區(qū)影響下，紅黏土邊坡后緣拉裂由蠕滑和應力分異2 種因素導致，在臨空面附近造成應力集中帶，這部分集中的應力會向拱軸方向轉移，直至傳遞到拱圈內，破壞其原有的穩(wěn)定狀態(tài)，因此較常規(guī)情況下更劇烈。

3）滑移。當坡體的滑移面分布在采空區(qū)擾動所帶來的最大影響范圍之外時，此時地下開采所形成的采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響甚微。該階段降水是影響紅黏土邊坡穩(wěn)定性的主要因素，這時的邊坡巖體變形破壞規(guī)律同多數(shù)條件下的坡體變形破壞大致相同，滑移破壞是其主要的破壞形式，雨季降水影響下，紅黏土邊坡力學參數(shù)呈現(xiàn)一定程度的折減弱化，實際工況下，此階段較常規(guī)情況下時間相對較短。

4）塌陷。露采邊坡的變形移動主要是由于井工開采沉陷引起的[10]，邊坡滑移面內巖土體的抗剪和抗拉強度衰減，當這種破壞使土體中的支撐拱失效時，就會給邊坡的穩(wěn)定性帶來不可預知的潛在隱患，甚至發(fā)生滑坡事故，該過程為塌陷階段。對于特定的邊坡，巖土體的物理力學參數(shù)在受到各種內因和外因的共同作用下將進行一定程度的折減，邊坡將更早進入變形破壞階段。

2.2 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形破壞規(guī)律

根據(jù)對紅黏土邊坡在采空區(qū)作用下變形失穩(wěn)破壞機制的研究，認為從最初穩(wěn)定狀態(tài)到最終失穩(wěn)破壞過程將分為3 個階段：起始變形階段、勻變形階段和加速變形階段；受采空區(qū)影響，紅黏土邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)具有“臺階狀”發(fā)展變化規(guī)律。空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過程如圖4。

圖4 空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過程Fig.4 Deformation and instability of red clay slope under the influence of goaf

3結 語

針對采空區(qū)影響下紅黏土邊坡的穩(wěn)定性問題，從力學特性以及位移變形規(guī)律為出發(fā)點，研究了在采空區(qū)影響下的紅黏土邊坡的失穩(wěn)機制。在采空區(qū)作用下，露天煤礦紅黏土邊坡土體中的應力重新分布，致使其變形破壞模式發(fā)生改變；在采空區(qū)的角隅處（即支撐端）以及空區(qū)軸線位置（拱圈中軸線）出現(xiàn)明顯的應力集中；采空區(qū)上覆巖土層中形成的多個支撐拱，正是保證邊坡臨時穩(wěn)定的前提；探明了采空區(qū)影響條件下紅黏土邊坡變形破壞機制為滑移-張裂-剪切-塌陷，揭示了邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的“臺階狀”發(fā)展變化規(guī)律。