黃土溝壑區(qū)采動滑坡變形規(guī)律分析

穆 馳，余學(xué)義，張冬冬，毛旭魏

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

我國黃土溝壑區(qū)主要分布在中西部，是處于平原地區(qū)和高原地區(qū)過渡帶的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造，黃土溝壑區(qū)覆蓋層受雨水侵蝕會形成地勢陡峭的溝道，這樣工程類型的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜[1]。在該區(qū)域的工程地質(zhì)條件下進(jìn)行采礦作業(yè)會導(dǎo)致滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。黃土溝壑區(qū)在我國陜西、山西和內(nèi)蒙的礦區(qū)分布范圍廣，過度開采會對礦區(qū)生產(chǎn)帶來安全隱患[2]。黃土是西部的特征，也是西部地層結(jié)構(gòu)中的重要標(biāo)志，由于其處于特殊的自然環(huán)境，黃土的覆蓋厚度大、濕陷性強(qiáng)、垂直裂隙發(fā)育強(qiáng)度高等物理結(jié)構(gòu)的特殊性，經(jīng)漫長的自然力作用地表被侵蝕，切割成溝、壑、梁、峁縱橫交錯的殘?jiān)匦蝃3-4]。在陜西、甘肅、寧夏等西部的大部分地區(qū)均屬于厚濕陷性黃土覆蓋的殘?jiān)孛?，同時也是我國采礦的主要基地，黃土溝壑區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害在該區(qū)域的地形構(gòu)造中發(fā)生頻率最高[5-6]。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示，黃土溝壑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率遠(yuǎn)大于平原地區(qū)，危害比較嚴(yán)重的災(zāi)害類型表現(xiàn)為：滑坡、地裂縫、地表沉陷、泥石流和窯洞坍塌。例如陜西開采時間最長的銅川礦區(qū)和陜北的榆神府礦區(qū)，由于煤礦開采使該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭受到嚴(yán)重破壞，給人民的生產(chǎn)生活造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失[7]。

國內(nèi)外研究專家在采動滑坡災(zāi)害治理方面做了大量的研究。Benko針對礦區(qū)不同的地質(zhì)條件、開采范圍、地形地貌和圍巖特征等影響因素對有限元邊坡破壞進(jìn)行了相似材料實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了地下開采滑坡災(zāi)害的演變特征，確定了坡體移動變形和塑性破壞規(guī)律[8]；梁明、湯伏全以陜西省韓城象山煤礦為例，應(yīng)用開采沉陷理論和滑坡學(xué)理論總結(jié)地下開采滑坡變形基本規(guī)律，通過物理相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了采動滑坡破壞規(guī)律，并應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法對象山煤礦坡體應(yīng)力狀態(tài)和失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了專門研究[9]；李聰?shù)热松钊胩剿骰虏煌A段滑坡的演變規(guī)律，將滑坡變形過程分為初始變形、勻速變形、加速變形和急劇變形4個階段，采用相關(guān)分析法對研究區(qū)的滑坡特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并總結(jié)不同階段滑坡發(fā)育特征和影響因素[10]；張蒙選取山區(qū)煤礦為研究對象，以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和地表移動變形數(shù)據(jù)為依托，采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則建立極限平衡法，應(yīng)用彈性理論和有限元分析法，通過計(jì)算地表應(yīng)力采動滑坡裂縫分布和潛在滑坡區(qū)，確定了采動滑坡形成機(jī)理，構(gòu)建了采動滑坡區(qū)域預(yù)測方法[11]；黃成飛針對趙家寨煤礦首采工作面，建立地表移動變形觀測站，以厚濕陷性黃土為研究對象，總結(jié)了地表裂縫特征，計(jì)算了開采工作面的邊界角、移動角和地表最大下沉值和最大下沉速度，并分析了厚濕陷性黃土層工作面開采上覆巖層及地表移動規(guī)律與非濕陷性黃土層下煤層開采的共同點(diǎn)[12]；劉賓以神府礦區(qū)的檸條塔煤礦為研究對象，結(jié)合礦區(qū)開采工作面的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該礦地表移動變形規(guī)律，并運(yùn)用FLAC3D軟件對開采的工作面進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，總結(jié)了淺埋煤層煤層群開采對地表和邊坡的變形影響[13]。

國內(nèi)外學(xué)者通過大量研究在滑坡災(zāi)害治理、地表移動變形和開采沉陷理論等方面取得了豐碩的成果，但很少有針對黃土溝壑區(qū)為工程背景開展采動滑坡研究工作。因此，將土質(zhì)類邊坡的滑坡類型進(jìn)行歸類，基于地下采礦改變了上覆巖層和坡面的應(yīng)力狀態(tài)，以黃土溝壑區(qū)工程地質(zhì)為背景，結(jié)合韓家灣煤礦工作面實(shí)際情況，選用剖面布設(shè)研究區(qū)開采過程中的地表移動觀測站，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算了地表移動變形在啟動期、活躍期和衰退期的下沉量和下沉速度；選取坡體巖土力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用FLAC3D分別計(jì)算了韓家灣煤礦12106工作面在不同坡度情況下水平和豎直的位移矢量，并分析了塑性區(qū)的破壞規(guī)律。建立西部黃土溝壑區(qū)有序、合理的開采方法，對減少因采動造成的滑坡災(zāi)害有著重要意義。

1 黃土溝壑區(qū)邊坡

1.1 黃土溝壑區(qū)邊坡破壞類型

黃土溝壑區(qū)在我國是一種特殊的地形結(jié)構(gòu)，在陜北地區(qū)分布廣泛，其坡體變形復(fù)雜且具有多樣性[14]。由于煤炭資源開采，地表移動變形引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重，黃土溝壑區(qū)具有獨(dú)特的力學(xué)特征和特殊的地質(zhì)構(gòu)造，遇到干旱和雨水交替季節(jié)，該區(qū)域變形特征表現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性，以工程地質(zhì)專家對黃土溝壑區(qū)野外踏勘為基礎(chǔ)，將黃土溝壑區(qū)的破壞類型分為3類：崩塌、滑坡和剝落。

1）崩塌。土質(zhì)邊坡的節(jié)理面如果出現(xiàn)滑移和錯位趨勢，受自重影響，將坡體整體下挫的現(xiàn)象稱為崩塌[15]。黃土層坡體角度大和堆積層高是引起崩塌的主要原因，由于黃土溝壑區(qū)表土層覆蓋厚度大、垂直裂縫發(fā)育程度高，遇到雨水沖刷和風(fēng)沙腐蝕，則會引起坡體崩塌。崩塌會在短時間內(nèi)發(fā)生，塌落的土體一般會以塊狀堆積在坡腳處，由于黃土層包含有粗砂礫，受到雨水和風(fēng)沙的長時間侵蝕，坡腳堆積的塊狀土體會形成二次崩塌。黃土坡體崩塌如圖1。

圖1 黃土坡體崩塌Fig.1 Loess slope collapse

2）滑坡。在黃土溝壑的地形條件中，土體沿著坡面走勢產(chǎn)生顯著的滑移現(xiàn)場稱為滑坡，坡面的頂部相對陡峭，坡腳一般較緩，整體呈現(xiàn)上陡下緩的弧面形狀[16]。黃土邊坡長期在自然環(huán)境被侵蝕，引起坡體結(jié)構(gòu)遭受破壞，使黃土溝壑區(qū)的土體承壓強(qiáng)度降低，導(dǎo)致黃土邊坡的穩(wěn)定性被破壞，從而引發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生。同時黃土溝壑區(qū)地下煤層開采對地表移動變形的影響非常復(fù)雜，由于其變化過程非連續(xù)和土壤的松散性，因此黃土坡體自重同樣也會導(dǎo)致地表移動變形和山體滑坡。

3）剝落。邊坡土層剝落是黃土溝壑區(qū)中常見的移動變形，該現(xiàn)象在每1個松散土層中都有發(fā)生的可能性，但在不同的土層結(jié)構(gòu)和區(qū)域中表現(xiàn)的特征不盡相同[17-19]。由于移動變形在此類的地層結(jié)構(gòu)中分散較大，不具備整體性和連續(xù)性，因此沒有具體的整治方案。受降水和自然風(fēng)化影響，黃土溝壑區(qū)的地層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、土壤養(yǎng)分流失、植物根系被破壞，邊坡土層剝落呈現(xiàn)出多種類型，一般包括：層狀剝落、塊狀剝落、片狀剝落和魚鱗狀剝落。

1.2 降水對黃土溝壑區(qū)邊坡影響

黃土溝壑區(qū)是我國西部特有的地貌類型，其組成結(jié)構(gòu)相對單一，黃土的形狀特征普遍以塊狀和粉狀存在，因土體大孔隙結(jié)構(gòu)特性影響，黃土溝壑區(qū)在豎直方向裂隙發(fā)育程度高，且在干燥的環(huán)境下可以具備較高的穩(wěn)定性，但遇到降水環(huán)境，土層吸水軟化，其強(qiáng)度也隨之降低[20-24]。同時黃土層遇水后會表現(xiàn)出不同的特征，通過掃描電子顯微鏡對降水區(qū)和干旱區(qū)的黃土進(jìn)行電鏡掃描，觀察其在不同區(qū)域環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化。由于黃土溝壑區(qū)孔隙發(fā)育程度高，在降水環(huán)境下，雨水可以貫穿坡體到達(dá)底部，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

降水是黃土溝壑區(qū)產(chǎn)生滑坡的主要致災(zāi)因素，因雨水影響常見的山體滑坡主要有4類：強(qiáng)降雨引發(fā)土體松動、河床水位上漲、水庫泄洪和攔截壩被沖毀[25-28]。受雨水環(huán)境影響，黃土溝壑區(qū)主要土層結(jié)構(gòu)松動，主要表現(xiàn)為高邊坡向低邊坡的位移變化，黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，坡體的穩(wěn)定性遭受破壞，坡面逐漸由基巖面向滑動面轉(zhuǎn)換，加上區(qū)域內(nèi)采礦等因素，容易導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。由于雨水對黃土層的影響，取降水區(qū)和干旱區(qū)的土樣進(jìn)行電子顯微鏡掃描，并放大300倍對比分析，黃土的電鏡掃描結(jié)果如圖2。由圖2可以看出，水環(huán)境對土體的結(jié)構(gòu)改變有著顯著影響，遇水前黃土顆粒空間分布均勻，且具有較高的強(qiáng)度；遇水后黃土顆粒呈膠結(jié)狀，孔隙結(jié)構(gòu)排列緊密，且表現(xiàn)出明顯的濕陷性。

圖2 黃土的電鏡掃描圖Fig.2 Scanning electron micrograph of loess

2 采動滑坡特征和坡體穩(wěn)定性分析

2.1 研究區(qū)采礦地質(zhì)條件

韓家灣煤礦地貌圖如圖3。

圖3 韓家灣煤礦地貌圖Fig.3 Hanjiawan Coal Mine map

韓家灣煤礦包夾于清水川地塹、區(qū)域性撓褶帶、海則廟溝與黃河之間，礦區(qū)周圍地質(zhì)條件復(fù)雜，礦產(chǎn)資源賦存結(jié)構(gòu)單一，地層結(jié)構(gòu)整體為西北方向的單斜構(gòu)造，區(qū)域地層結(jié)構(gòu)相對平緩，傾角2°～9°，但撓褶帶及其以西，地層產(chǎn)狀急劇變陡，坡角最高可達(dá)30°。韓家灣煤礦位于陜西省榆林市，為典型的黃土高原地貌，地表多為松散層和厚濕陷性黃土所覆蓋，巖層露頭僅位于溝谷和坡體過渡帶。礦區(qū)范圍內(nèi)溝壑縱橫，地勢險(xiǎn)峻，受自然因素影響，地形破壞嚴(yán)重，溝谷切割較深，坡體陡峭，形態(tài)呈現(xiàn)為“V”形。谷內(nèi)危巖林立，陡坎遍布，溝床多為厚度不大的沖洪積物覆蓋，局部可見基巖出露，谷坡上基巖大面積裸露，局部為殘坡積物覆蓋，厚度不大。

2.2 采動滑坡特征

西部黃土溝壑區(qū)位于地殼上升和下降的過渡帶，若坡體具有足夠的穩(wěn)定性，則不會形成滑坡。黃土溝壑區(qū)谷底邊緣陡峭，坡體角度平均大于30°，即山谷邊緣下方的坡度接近或大于摩擦角（21°～32°），因此坡體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。黃土溝壑區(qū)溝谷切割交錯縱橫，一般相對高度從幾十米到數(shù)百米，其溝谷下方已經(jīng)被黃土層切割，這種獨(dú)特的黃土侵蝕為山體滑坡提供了1個平臺。此外，在地下水滲出層中的黃土層結(jié)構(gòu)以下為隔水層，其地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，由于巖性、構(gòu)造和溝壑地形變化的影響，導(dǎo)致坡體底部的穩(wěn)定性較差。

在礦區(qū)溝谷的開采處，由于溝谷坡度大和坡體自身穩(wěn)定性差，因此該區(qū)域是山體滑坡最活躍的地區(qū)，同時河流對坡體有侵蝕作用，塊狀坡體運(yùn)動非常劇烈，溝谷的穩(wěn)定性對山體滑坡的產(chǎn)生有著直接的影響。隨著黃土溝壑區(qū)軟弱部位被侵蝕，溝谷有較大程度的切割，對地表造成了明顯的破壞，為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了有利的條件。

礦山開采引起的地表沉陷和采礦山體滑坡的共同特征是：坡體高位移的部位沿著滑坡面向低位移的部位移動，山體滑坡對地表移動變形有著直接的影響[29-31]。坡體中的表土層一般受不均勻應(yīng)力影響產(chǎn)生滑移變形，地表裂縫發(fā)育深度和臺階下沉高度決定坡體滑移范圍?；率茄刈杂擅鎺r石邊坡的一部分，以相對滑動的形式向低位移處滑動，滑坡范圍與開采區(qū)域有著緊密的聯(lián)系，但主要取決于采礦地質(zhì)條件。

2.3 黃土溝壑區(qū)坡體穩(wěn)定性分析

受自然環(huán)境影響，研究區(qū)域的坡體在縱向切割較深，容易發(fā)生地表移動變形，針對黃土溝壑區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，以坡體穩(wěn)定性G表示該地形開采條件下滑坡災(zāi)害發(fā)生的指標(biāo)，根據(jù)主要影響因素，坡體穩(wěn)定性可表示為：

式中：δ為坡體角度，（°）；h為坡體高度，m；ρ為坡體密度，kg/m3；c為坡體黏聚力，Pa。

由式（1）可知，坡體穩(wěn)定性影響的主要因素有：坡體角度δ、坡體高度h、坡體密度ρ、坡體黏聚力c和坡體內(nèi)摩擦角φ。G的大小表示坡體穩(wěn)定性，其數(shù)值越小則穩(wěn)定性越好，反之則穩(wěn)定性越差[32]。為更好地分析各個因素對坡體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的影響，采用5組因素相互正交的方法，計(jì)算不同條件下坡體穩(wěn)定程度，假設(shè)每個因素都相互獨(dú)立，運(yùn)用3層等級因子進(jìn)行計(jì)算，坡體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 坡體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 1 Physical mechanics parameters

由表1可知，每1層等級坡體的穩(wěn)定程度存在有差異性，運(yùn)用極差法對每個等級穩(wěn)定性的最大值Rmax與最小值Rmin進(jìn)行差值R計(jì)算，以R=Rmax-Rmin表示坡體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的離散程度，R越大說明該層次的因素對坡體穩(wěn)定性影響越大，也揭示該因素的變化量對計(jì)算結(jié)果會產(chǎn)生很大影響，極差分析結(jié)果見表2。

表2 極差分析結(jié)果Table 2 Range analysis results

由表2可知，坡體角度的極差值Rδ大于其他影響因素的極差值Ri，各因素極差數(shù)值大小排序：Rδ>Rh>Rρ>Rφ>Rc，相對于其他因素坡角變化量對坡體穩(wěn)定性有很大影響，坡體黏聚力的極差值Rc在所有因素中數(shù)值最低，說明坡體黏聚力的變化對坡體穩(wěn)定性影響最小，坡體高度、坡體密度和坡體內(nèi)摩擦角對坡體穩(wěn)定性的影響程度介于坡體角度和高度之間。

3 研究區(qū)地表移動變形規(guī)律分析

地表移動變形是礦產(chǎn)資源開采動態(tài)變化的過程，這個過程參數(shù)的變化是極其復(fù)雜的，且地表監(jiān)測的各個點(diǎn)都會有下沉、彎曲、傾斜等現(xiàn)象發(fā)生，地表移動變形是滑坡災(zāi)害形成的誘導(dǎo)因子。因此針對開采過程中地表移動變形規(guī)律研究十分必要。

3.1 地表觀測站布設(shè)

地表移動觀測站布設(shè)形式分為網(wǎng)狀布設(shè)和剖面布設(shè)，工作面移動觀測站概況見表3。結(jié)合韓家灣煤礦12106工作面實(shí)際情況，觀測站選用剖面布設(shè)，傾向觀測線B平行于工作面布設(shè)，距離12106工作面227 m，走向觀測線A靠近12106工作面上山邊界，垂直于傾向觀測線B進(jìn)行布設(shè)，距離運(yùn)輸平巷116 m，在走向觀測線南段共布置3個控制點(diǎn)，點(diǎn)號分別為KA1～KA3，沿著走向觀測線布設(shè)35個觀測點(diǎn)，點(diǎn)號分別為ZA1～ZA35。垂直于走向觀測線布設(shè)1條傾向觀測線，傾向觀測線B全長1 120 m，距離停采線215 m，在傾向觀測線兩側(cè)共布設(shè)5個控制點(diǎn)，點(diǎn)號分別為KB1～KB5，沿著傾向觀測線布設(shè)55個觀測點(diǎn)，點(diǎn)號為ZB1～ZB55。測點(diǎn)布設(shè)間距為5 m，觀測點(diǎn)位置布設(shè)平面圖如圖4。

圖4 地表觀測站布設(shè)平面圖Fig.4 Surface observation stations plane layout

表3 工作面地表移動觀測站概況Table 3 Work surface surface observation stationsoverview

3.2 地表下沉速度及下沉量

從工作面開采到結(jié)束，地表移動變形從開始到停止總體經(jīng)歷3個時期：啟動期、活躍期、衰減期。隨著工作面開采范圍不斷擴(kuò)大，采空區(qū)塌陷面積隨之增加，監(jiān)測點(diǎn)的下沉速度和地表下沉范圍也急劇增加。當(dāng)?shù)乇淼南鲁了俣炔蛔儠r，工作面開采達(dá)到充分采動，隨著開采面繼續(xù)擴(kuò)大，地表下沉速度減小，且隨著開采面停采一段時間后地表各個監(jiān)測點(diǎn)下沉速度逐漸歸為0。

以測點(diǎn)Z3的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，地表移動變形量如圖5。

圖5 地表移動變形量Fig.5 Surface movement deformation

從圖5中可以看出，工作面的推進(jìn)距離與地表監(jiān)測點(diǎn)的下沉量和下沉速度有著相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于13 m時，地表下沉量較小，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的下沉速度也很小，此時地表移動變形為啟動期；隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)距離介于13～109 m，地表移動變形轉(zhuǎn)為活躍期，地表下沉量和下沉速度明顯增加，當(dāng)下沉速度達(dá)到最大值，地表下沉量增幅也降低，且緩慢增長狀態(tài)維持較長時間，這是由于工作面開采后頂板懸空一段長度，地表最大下沉速度產(chǎn)生于工作面推過該監(jiān)測點(diǎn)一定距離，地表下沉量也會有明顯增加；當(dāng)工作面頂板來壓步距達(dá)到懸空距離時，基本頂垮落并填充采空區(qū)，地表的下沉量和下沉速度也隨之降低。當(dāng)推進(jìn)距離大于109 m時，地表移動變形進(jìn)入衰退期，下沉量和下沉速度變化率不再增長，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表參數(shù)變化趨于穩(wěn)定且接近為0。

3.3 地表移動變形參數(shù)

地表移動變形受多個因素影響，上覆巖層物理性質(zhì)、工作面開采寬度和開采速度對地表移動變形速度和持續(xù)時間起著決定性的作用。當(dāng)工作面推進(jìn)距離越長，地表下沉量越大，則下沉速度越快；隨著采深加大，地表最大下沉速度逐漸減小。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)，地表最大下沉速度與地表最大下沉值、工作面推進(jìn)速度、下沉系數(shù)成正比，與開采深度成反比，且重復(fù)采動的最大下沉速度大于初次采動，其關(guān)系表達(dá)式：

式中：vmax為地表最大下沉速度，mm/d；K為下沉系數(shù)；v為工作面推進(jìn)速度，m/d；H0為開采深度，m；Wmax為最大下沉值，mm。

地表移動變形一般會持續(xù)較長時間，平均周期2～3年，若頂板為堅(jiān)硬巖層，這個時間周期會持續(xù)更多時間，最長可達(dá)到6年。根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)工作面開采1年后，地表移動變形也逐漸穩(wěn)定，以韓家灣煤礦地表觀測點(diǎn)Z1、Z2、Z3為研究對象，分別記錄3個點(diǎn)的不同時期的最大下沉量、最大下沉速度和持續(xù)時間，地表移動變形參數(shù)表見表4。

表4 地表移動變形參數(shù)表Table 4 Surface movement deformation parameters table

根據(jù)3個觀測點(diǎn)的監(jiān)測情況，韓家灣煤礦地表移動變形初始期持續(xù)時間為19～25 d，活躍期持續(xù)時間為90～99 d，衰退期持續(xù)時間為200～205 d，礦區(qū)地表移動變形過程中較長一段時間都處于衰退期，且該時期地表變化趨于穩(wěn)定；地表初始下沉量81～86 mm，活躍期下沉量1 802～1 913 mm，衰退期下沉量31～46 mm，地表下沉速度最快發(fā)生于活躍期，且最大下沉量達(dá)到了1 963 mm，在韓家灣煤礦特殊的地質(zhì)采礦條件下，地表移動變形在活躍期最大下沉速度可達(dá)86 mm/d。

4 滑坡災(zāi)害機(jī)理FLAC3 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算條件

4.1.1 計(jì)算模型

為了更深入研究黃土溝壑區(qū)地貌類型對礦產(chǎn)開采地表移動變形影響，以韓家灣煤礦12106開采工作面為研究對象，由于黃土溝壑區(qū)處于特殊的自然環(huán)境，黃土覆蓋厚度大，垂直裂縫發(fā)育程度高，使礦區(qū)具有獨(dú)特的地貌類型，地表高程處于+1 150 m和+1 320 m范圍內(nèi)，平均高程為+1 235 m。運(yùn)用FLAC3D對韓家灣煤礦的研究區(qū)域進(jìn)行三維建模，選用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，研究區(qū)域三維模型如圖6。

圖6 研究區(qū)域三維模型Fig.6 3D model of study area

模型走向長度（x方向）為600 m，傾向長度（y方向）為400 m，z方向最大長度為300 m，12106工作面寬度為253 m，開采煤層的平均厚度為6.5 m，三維模型的約束方式以邊界位移約束為依據(jù)，x、y、z 3個方向均采用底部約束，同時x方向和y方向約束了兩端邊界位移，模型共劃分為25 061個單元，61 227個節(jié)點(diǎn)。

4.1.2 剖面位置

根據(jù)12106工作面開采影響范圍，研究內(nèi)容分別以不同角度的坡體為原型，模擬工作面開采后坡體的穩(wěn)定性。建立的模型x方向?yàn)?00 m，煤層開挖范圍從50 m開始至280 m結(jié)束，開挖長度共130 m，與工作面實(shí)際開采長度相符。開采煤層厚度為2 m，煤層及基巖傾角為24°。將模型的四周和底部設(shè)為固定面，頂部為自由面，模擬對地應(yīng)力做簡化處理，以自重應(yīng)力作為初始平衡應(yīng)力，當(dāng)巖層應(yīng)力達(dá)到初始狀態(tài)，即可進(jìn)行工作面回采數(shù)值模擬計(jì)算。為深入研究礦區(qū)坡體的穩(wěn)定性，通過對比不同坡度的開采情況，分別研究工作面高坡度和低坡度對地表位移矢量的影響以及災(zāi)害形成機(jī)理，不同坡度的剖面位置如圖7。

圖7 不同坡度剖面位置Fig.7 Different slope profile positions

12106工作面開挖面積為130 m×230 m。以工作面開采線為起點(diǎn)，按照開挖步距為50 m，沿著開切眼方向自西向東進(jìn)行推進(jìn)，至工作面停采線結(jié)束。根據(jù)工作面傾向作1個剖面，調(diào)整坡體角度，分析水平、豎直方向位移矢量和塑性區(qū)破壞特征。

4.1.3 巖土參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬研究成果，巖土力學(xué)參數(shù)的確定對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可靠性有著決定作用。為了使數(shù)值模擬更符合于實(shí)際情況，以礦區(qū)工程地質(zhì)條件、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，得到煤層和上覆巖層力學(xué)特征和物理參數(shù)，物理力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 物理力學(xué)參數(shù)Table 5 Physical mechanics parameters

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合韓家灣煤礦12106工作面開采情況和礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，在水平方向x=100 m處作與豎直方向y軸平行的縱向剖面，分析水平、豎直方向位移移動矢量，觀察塑性區(qū)破壞特征。

4.2.1 x方向位移分析

12106工作面在不同坡度水平方向位移矢量圖如圖8。

由圖8可以看出：

圖8 不同坡度水平方向位移矢量圖Fig.8 Different slope horizontal displacement vector

1）邊坡位移達(dá)到峰值出現(xiàn)在邊坡頂部，當(dāng)坡角為60°時，邊坡頂部位移最大，最大的位移為70 cm，由于邊坡受拉伸和擠壓的影響，從坡頂?shù)狡履_位移偏移量不均勻，坡頂位移變化較大，坡體完整性被破壞，整體表現(xiàn)為向坡腳移動。

2）當(dāng)坡角為30°時，邊坡位移在水平方向減小，且邊坡位移運(yùn)動整體均勻，不會發(fā)生較大的山體滑坡，在不受雨水侵蝕的情況下，相對較為穩(wěn)定。

4.2.2 z方向位移分析

12106工作面在不同坡度豎直方向位移矢量圖如圖9。

由圖9可以看出，在坡體最低點(diǎn)，垮落帶發(fā)育直達(dá)地表，隨著礦區(qū)工作面開采不斷推進(jìn)，上覆巖層由于頂板壓力而垮落，當(dāng)坡角為60°時，巖層斷裂帶波及到坡體表面，導(dǎo)致邊坡破損，有發(fā)生滑坡和崩塌的危險(xiǎn)；當(dāng)坡角為30°時，由于坡體承受覆巖自重較小，垮落帶不發(fā)育，對坡體表面不構(gòu)成影響，不會波及到地表，保證邊坡的完整性。當(dāng)工作面開采至溝谷時，由于溝谷底部礦層埋藏較淺，垮落帶發(fā)育波及到地表，加之巖層斷裂帶形成，使巖層裂縫與工作面直接導(dǎo)通，受雨水沖刷，溝谷底部的黃土透過斷裂帶直接流入工作面，形成滑坡或塌陷坑。同時，隨著工作面的推進(jìn)，巖層的斷裂帶和垮落帶發(fā)育直達(dá)地表，地表發(fā)生移動變形并沉陷，并產(chǎn)生坡體滑移的現(xiàn)象，引起地表發(fā)生臺階下沉和坍塌破壞。

圖9 不同坡度豎直方向位移矢量圖Fig.9 Different slope vertical displacement vector

4.2.3 塑性區(qū)破壞規(guī)律分析

12106工作面在不同坡度塑性區(qū)破壞分布圖如圖10。

圖10 不同坡度塑性破壞分布圖Fig.10 Plasticity failure map of different slopes

由圖10可以看出，在工作面從上而下臺階式開采過程中，工作面周圍巖層斷裂垮落向坡體下部移動，隨之圍巖中塑性破壞區(qū)不斷擴(kuò)大，并逐漸擴(kuò)大到地表及坡體。隨著工作面開采結(jié)束，上覆巖層垮落影響至地表，坡體結(jié)構(gòu)完整性被破壞，整體表現(xiàn)為向坡底發(fā)育，局部會發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害。

4.2.4 滑塌形成機(jī)制

地表受外力擾動則會有發(fā)生滑塌災(zāi)害的跡象，開采引起上覆巖層移動變形，在斜坡上切割松散堆積土層成為塊體，坡體失去連續(xù)性，發(fā)生非均勻性重力作用，礦區(qū)工作面的坡腳失去支撐，形成不均勻滑塌。切割的坡體受重力作用，降低了松散土體與基巖面間的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。

5 結(jié)論

1）礦區(qū)工作面受采動影響，上覆巖層因受擠壓發(fā)生扭曲變形。地表裂縫受采動影響向工作面方向延伸，發(fā)展到一定深度受拉伸和壓縮變形裂縫閉合。因此可以根據(jù)巖層斷裂帶發(fā)育特點(diǎn)來預(yù)測裂縫發(fā)育深度。由于溝谷裂隙發(fā)育，黃土層會沿著裂縫方向向下發(fā)展形成塌陷，地表由于非連續(xù)移動變形產(chǎn)生臺階式地裂縫。

2）根據(jù)觀測點(diǎn)監(jiān)測情況，地表移動變形從工作面開采到結(jié)束總共經(jīng)歷3個時期：啟動期、活躍期、衰退期。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表最大下沉量達(dá)到了1 963 mm，最大下沉速度為86 mm/d，且地表移動變形持續(xù)時間最長可達(dá)101 d；隨著地表移動變形進(jìn)入衰退期，下沉量和下沉速度變化率不再增長，地表移動變化趨于穩(wěn)定且接近于0。

3）結(jié)合坡體物理力學(xué)參數(shù)，選取不同角度的坡體為研究對象，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：當(dāng)坡角大于60°時，坡頂位移較大，邊坡頂部、中部、底部位移不均勻，位移大的部位巖層逐漸失去支撐，導(dǎo)致崩塌災(zāi)害發(fā)生；當(dāng)坡角小于30°時，巖層裂隙發(fā)育至地表，基巖面形成滑動面，在雨水沖刷和基巖自重情況下，滑動面摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。