河谷區(qū)采空誘發(fā)緩傾巖質(zhì)斜坡變形破壞模式研究

梁風(fēng) 彭雄武 史文兵 盧家琦 吳明艷

摘要：為研究采空區(qū)變形對(duì)河谷區(qū)巖質(zhì)斜坡變形破壞過(guò)程的影響，以貴州省清鎮(zhèn)市小二巖斜坡為研究對(duì)象，運(yùn)用底摩擦物理模型試驗(yàn)，將物理模型分別設(shè)置為預(yù)制裂隙組和無(wú)預(yù)制裂隙組，研究采空區(qū)變形影響下巖質(zhì)斜坡破壞過(guò)程，并探討該類斜坡的變形破壞模式。初步研究發(fā)現(xiàn)：① 兩組試驗(yàn)共同點(diǎn)是由于采空區(qū)導(dǎo)致小二巖斜坡出現(xiàn)變形，小二巖斜坡為緩傾上硬下軟型結(jié)構(gòu)，采空區(qū)上覆頂板在重力作用下發(fā)生彎曲變形導(dǎo)致采空沉陷。② 無(wú)預(yù)制裂隙組模型總的變形演化過(guò)程為采空沉陷-坡體中產(chǎn)生拉裂縫-裂隙拓展延伸至坡頂。③ 預(yù)制裂隙組模型總的變形演化過(guò)程為采空沉陷-卸荷裂隙貫通至坡腳-發(fā)生滑塌。④ 分析認(rèn)為在對(duì)斜坡體預(yù)制卸荷裂隙后，卸荷裂隙對(duì)于斜坡的變形模式有較大影響，小二巖斜坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式可分為表生改造和拉裂-滑塌（或拉裂-傾倒）2個(gè)階段。

關(guān) 鍵 詞：采空區(qū);緩傾巖質(zhì)斜坡;變形破壞;卸荷裂隙;底摩擦試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)：U418.55;P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0126-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.020

0 引 言

地下開(kāi)采導(dǎo)致大量的采空區(qū)出現(xiàn)，極易在重力的作用下發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致地面沉陷、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[1-4]，影響工程建設(shè)，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)此類災(zāi)害，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，得到了很多重要成果。代張音等[5]研究了不同開(kāi)采地下順序（順坡開(kāi)采、逆坡開(kāi)采）、煤柱留設(shè)（上下邊界礦柱、區(qū)段或水平礦柱）情況下采空區(qū)不同空間分布及其誘發(fā)上覆巖層變形破裂的響應(yīng)特征，認(rèn)為彎曲-斷裂和滑移-拉裂是該類地下采空條件下含軟弱夾層緩傾順層斜坡主要的變形破壞方式。陳明是等[6]通過(guò)研究鏈子崖裂縫與節(jié)理、斷層的特點(diǎn)，從構(gòu)造學(xué)的角度分析了該區(qū)域節(jié)理裂隙的排列組合特征，認(rèn)為斜坡重力卸荷拉張是由于采空區(qū)變形導(dǎo)致巖體向臨空面偏轉(zhuǎn)造成力矩的變化引起的。Gao等[7]用極限分析法和變分極限平衡法研究了因?yàn)殚_(kāi)挖導(dǎo)致含有拉裂縫斜坡的穩(wěn)定性，認(rèn)為裂紋的形成機(jī)理應(yīng)考慮為內(nèi)部耗散。史文兵等[8-9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和物探得到了采空區(qū)分布情況及斜坡裂縫體系發(fā)育規(guī)律，繼而通過(guò)離散元數(shù)值模擬、物理模擬等手段模擬了多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖移動(dòng)變形過(guò)程，分析了臨空面、重復(fù)采動(dòng)影響下高陡緩傾斜坡變形的規(guī)律和機(jī)理，通過(guò)研究建立了失穩(wěn)識(shí)別特征。黃達(dá)等[10]考慮了基座的風(fēng)化效應(yīng)，通過(guò)數(shù)值建模再現(xiàn)了危巖體的失穩(wěn)過(guò)程，將危巖變形失穩(wěn)過(guò)程分為穩(wěn)定、累積損傷、座落及折斷4個(gè)階段。趙建軍等[11]通過(guò)框架模型試驗(yàn)研究了馬達(dá)嶺斜坡的變形破壞過(guò)程，指出由于下部軟巖變形導(dǎo)致上部硬巖形成拉應(yīng)力區(qū)，得出了頂板破壞-坡頂后緣拉裂-裂隙貫通-發(fā)生滑動(dòng)的斜坡變形破壞機(jī)制。黃敏等[12]通過(guò)AutoCAD和DIMINE軟件建立了三維地質(zhì)模型，重現(xiàn)了塑性區(qū)的發(fā)展過(guò)程，認(rèn)為開(kāi)采后邊坡主要是受拉破壞，從而誘發(fā)了滑坡。這些研究成果探討了該類地質(zhì)災(zāi)害的成因機(jī)制，并且對(duì)變形階段有了準(zhǔn)確的劃分，對(duì)于采空區(qū)誘發(fā)斜坡變形破壞研究具有重要意義。

小二巖斜坡位于鴨池河區(qū)域，該區(qū)域有一百多年的采煤歷史，在斜坡上形成了大量危巖體，危巖體的形成影響因素較多，除采空區(qū)因素導(dǎo)致坡體變形的原因外，經(jīng)野外勘查結(jié)合研究推測(cè)，河谷下切卸荷過(guò)程中形成了陡崖頂部的初始裂隙，這些裂隙逐漸拓展，加深了斜坡的不穩(wěn)定性。目前，礦區(qū)所在斜坡坡頂已經(jīng)產(chǎn)生了多條長(zhǎng)且較深的卸荷裂隙，在外力的作用下很有可能發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，威脅礦區(qū)居民點(diǎn)。綜合考慮河谷初始裂隙以及地下開(kāi)采的影響，開(kāi)展采空區(qū)變形誘發(fā)的斜坡變形影響因素、失穩(wěn)過(guò)程的研究，可為該區(qū)域礦山的下一步開(kāi)發(fā)與規(guī)劃提供科學(xué)理論依據(jù)，減緩此類災(zāi)害的發(fā)生。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?qū)偾治g-溶蝕低中山河谷岸坡地貌，地勢(shì)總體南東高、北西低，地形上部為陡崖，下部為陡坡-緩坡。區(qū)域高程840.0 m（鴨池河岸）～1 309.5 m（研究區(qū)東側(cè)頂），相對(duì)高差469.5 m左右。小二巖斜坡危巖帶頂面海拔高程1 100 m，危巖帶分布寬度約600 m，陡崖距離鴨池河直線距離約1 km（見(jiàn)圖1）。斜坡巖層產(chǎn)狀為340°∠12°，坡體呈上硬下軟結(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)從老到新發(fā)育地層依次為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興-大隆組（P3c+d）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y），硬巖以灰?guī)r為主，軟巖以粉砂質(zhì)泥巖為主。崩塌發(fā)育于二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興-大隆組和三疊系下統(tǒng)夜郎組地層中，現(xiàn)階段開(kāi)采煤層主要是位于龍?zhí)督M的M9煤層。由于歷史上河谷下切的侵蝕切割作用，在陡崖頂部產(chǎn)生了初始卸荷裂隙，這些裂隙由于地下開(kāi)采等外力的作用，向下拓展，在陡崖上產(chǎn)生了多條深切裂縫。由于采空區(qū)變形導(dǎo)致斜坡曾經(jīng)發(fā)生過(guò)兩次崩塌，其中2008年崩塌總方量約3 500 m3，2012年崩塌總方量約500 m3，崩塌方向均為325°。

區(qū)域采用走向長(zhǎng)臂后退式開(kāi)采法，在M9煤層因大量開(kāi)采形成了9101，9102，9103，9105采空區(qū)以及物探推測(cè)采空區(qū)（見(jiàn)圖2～3），采空區(qū)高度為 0.5～4.4 m，平均厚3 m。其中物探推測(cè)采空區(qū)已經(jīng)開(kāi)采到斜坡陡崖正下方，目前認(rèn)為此采空區(qū)的變形是導(dǎo)致斜坡變形破壞的重要原因。

小二巖斜坡位于鴨池河沿岸，研究區(qū)區(qū)域地層經(jīng)受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[13]，地形地貌有了極大的改變，河流對(duì)于河床的侵蝕切割作用，造成河床高程不斷下降，斜坡升高，形成了小二巖斜坡高陡的地貌特征。由于河谷下切侵蝕卸荷作用，在斜坡上部分位置產(chǎn)生卸荷裂隙，降低了斜坡的穩(wěn)定性，這些卸荷裂隙在地下開(kāi)采、雨水、放炮振動(dòng)等外力作用下逐漸拓展，加劇了斜坡的的破壞。

2 底摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 材料選擇以及模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要目的是模擬小二巖斜坡變形破壞過(guò)程，對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。小二巖斜坡高70 m，要讓模型盡可能大地放到模型框中，而模型框尺寸為80 cm×100 cm，考慮到小二巖的地下開(kāi)采狀況以及邊界效應(yīng)，將小二巖斜坡分為4層，其中砂粉砂質(zhì)泥巖2層，煤層1層，灰?guī)r可以看做為1層，建立概化模型（見(jiàn)圖4）。模型的設(shè)計(jì)高度為42 cm，最底部寬度為80 cm，因此小二巖斜坡幾何條件相似系數(shù)為500，內(nèi)摩擦角相似比為1∶1。通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到小二巖斜坡巖體物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）。通過(guò)多組試驗(yàn)確定灰?guī)r（硬巖）配比以及粉砂質(zhì)泥巖（軟巖）配比（見(jiàn)表2）?？紤]到采空區(qū)位于龍?zhí)督M地層中并且被采空，因此試驗(yàn)中煤層采用粉砂質(zhì)泥巖配比。

2.2 模型制作

將粉砂質(zhì)泥巖相似材料和灰?guī)r相似材料按照已經(jīng)計(jì)算好的重量稱量好，使用直尺標(biāo)記每一層模型對(duì)應(yīng)的高度和寬度，從模型的最下層開(kāi)始制作，再分別用1 361.5 g與652.4 g的夯實(shí)器夯實(shí)。粉砂質(zhì)泥巖經(jīng)調(diào)查屬于薄-中層狀巖體，對(duì)粉砂質(zhì)泥巖每2 cm進(jìn)行分層，在每層之間使用適當(dāng)?shù)脑颇阜圻M(jìn)行分割，將煤層用墨水涂成黑色。將灰?guī)r相似材料加入水后適當(dāng)攪拌至可以塑型。預(yù)先在皮帶上涂抹少量潤(rùn)滑油防止相似材料凝固在皮帶盤上，根據(jù)斜坡形狀鋪在試驗(yàn)機(jī)上并用木板壓實(shí)，用刷子把模型表面掃干凈。模型粉砂質(zhì)泥巖部分用保鮮膜包好防止含水率變化，模型常溫下硬化2 d。

3 模擬分析

該區(qū)域煤礦采用的開(kāi)采方法是走向長(zhǎng)臂后退式開(kāi)采法，即沿煤層走向開(kāi)采，從斜坡內(nèi)部開(kāi)采至開(kāi)始掘進(jìn)的位置，因此試驗(yàn)先開(kāi)采對(duì)斜坡坡頂有最大影響的物探探明采空區(qū)，采用一個(gè)采空區(qū)一次完成開(kāi)挖方式進(jìn)行模擬?？紤]到河谷下切在斜坡中產(chǎn)生的初始裂隙，將設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)為兩組，一組在模型陡崖頂部預(yù)制一條裂隙（即考慮初始裂隙），另一組不做布置（不考慮初始裂隙），觀察對(duì)比兩組變形的區(qū)別。

（1）第1組試驗(yàn)（不考慮預(yù)制裂隙，見(jiàn)圖5）。在未開(kāi)挖前斜坡處于天然穩(wěn)定狀態(tài)，層面處于壓密狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)物探探明采空區(qū)開(kāi)挖，模擬采空沉陷形成以及斜坡破壞。在開(kāi)挖完成后，重新開(kāi)機(jī)并將速度調(diào)制1.00。觀看摩擦力觀測(cè)儀，待其數(shù)值穩(wěn)定之后再調(diào)大傳送帶的轉(zhuǎn)速，防止模型底部與傳送帶之間有粘連，隨后將速度調(diào)制5.00。底摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10 min后，運(yùn)行觀察到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煽諈^(qū)上覆頂板在重力的作用下，逐層向下沉降，采空區(qū)上覆頂板出現(xiàn)離層裂隙，發(fā)生采空沉陷;30 min時(shí)頂?shù)装搴喜?，由于地下開(kāi)采導(dǎo)致應(yīng)力集中和重新調(diào)整，陡崖出現(xiàn)上下貫通的裂縫，裂縫寬0.1 cm，位于斜坡后緣（見(jiàn)圖6）。繼續(xù)開(kāi)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)3 h后，斜坡無(wú)明顯變形，此時(shí)關(guān)機(jī)，第一組試驗(yàn)結(jié)束。

（2）第2組試驗(yàn) （考慮預(yù)制裂隙，見(jiàn)圖7）。小二巖危巖體是由于河谷下切、地下開(kāi)采等外力因素形成的，經(jīng)野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)陡崖頂部存在河流侵蝕卸荷造成的卸荷裂隙，經(jīng)無(wú)人機(jī)測(cè)得卸荷裂隙寬約10 m，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)相似比為1∶500，因此在模型上預(yù)制裂隙的長(zhǎng)度為2 cm。在未開(kāi)挖時(shí)，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)物探探明采空區(qū)開(kāi)挖完成后，重新開(kāi)機(jī)并將速度調(diào)至1.00，5 min后將速度調(diào)到5.00。與第1組一樣，在采空區(qū)形成后，采空區(qū)上覆頂板逐漸彎曲沉降，斜坡上出現(xiàn)拉張裂隙，30 min后頂板向下閉合。開(kāi)機(jī)35 min后，由于采空塌陷，被卸荷裂隙分割出來(lái)的巖體重心發(fā)生偏移，受力方向改變，導(dǎo)致卸荷裂隙向坡腳進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而與層面相連，危巖體后緣邊界形成。隨著裂縫進(jìn)一步發(fā)展，危巖體沿貫通的裂隙面向下運(yùn)動(dòng)，造成了危巖體整體的滑動(dòng)（見(jiàn)圖8）。

4 斜坡失穩(wěn)地質(zhì)力學(xué)模式分析

（1）表生改造階段[14]。采空區(qū)的掏空使得采空區(qū)頂板應(yīng)力發(fā)生變化，頂板失去支撐出現(xiàn)彎曲變形，逐漸向下沉降，形成垮落拱。隨著頂板冒落帶裂隙的不斷向上延展，垮落拱不斷增高，最終形成了垮落帶，在采空區(qū)與地表之間形成多條較長(zhǎng)的張拉裂隙。

（2）拉裂-滑塌階段（或拉裂-傾倒階段）。在斜坡陡崖頂部無(wú)初始裂隙的位置，由于垮落帶的形成，以及灰?guī)r下部粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部應(yīng)力的變化以及位移的產(chǎn)生，導(dǎo)致灰?guī)r自身發(fā)生破壞，由下而上產(chǎn)生貫通的裂隙。雖然沒(méi)有發(fā)生整體的失穩(wěn)現(xiàn)象，但由于裂隙的貫通，斜坡危巖體很可能由于繼續(xù)向坡體內(nèi)開(kāi)采、放炮振動(dòng)等外力的作用，向臨空方向發(fā)生傾倒，推測(cè)發(fā)生拉裂-傾倒型崩塌。

在斜坡陡崖頂部有初始裂隙的位置，前半部分的變形與無(wú)初始裂隙的一樣，不同的是由于預(yù)制了裂隙，變形的開(kāi)展部位發(fā)生了變化。裂隙沿初始裂隙底部的位置一直發(fā)展到了坡腳，發(fā)展成為了可以使危巖體整體滑動(dòng)的滑面。由于重力沿坡向產(chǎn)生分力，導(dǎo)致危巖體整體發(fā)生了滑動(dòng)，最終斜坡發(fā)生了失穩(wěn)破壞，發(fā)生拉裂-滑塌型崩塌。

5 結(jié) 論

（1）采空區(qū)變形是小二巖斜坡變形破壞的主要因素，采空區(qū)上覆頂板彎曲沉降，最終形成了垮落帶，導(dǎo)致陡崖上部由于應(yīng)力調(diào)整產(chǎn)生拉張裂隙，其中存在初始裂隙的陡崖位置由于裂隙拓展形成滑面，最終發(fā)生崩塌。

（2）小二巖斜坡存在兩種裂隙：一種是卸荷裂隙+開(kāi)采誘發(fā)，位于坡頂邊緣;一種是僅開(kāi)采誘發(fā)，位于坡頂后緣。

（3）以小二巖斜坡為例，研究了緩傾“上硬下軟”型“地下采空”斜坡變形的地質(zhì)力學(xué)模式，將該類斜坡的地質(zhì)力學(xué)模式分為表生改造和拉裂-滑塌（或拉裂-傾倒）2個(gè)階段。

斜坡變形是由多個(gè)因素綜合導(dǎo)致的結(jié)果。本文通過(guò)底摩擦試驗(yàn)?zāi)M了采空區(qū)變形這一重要因素導(dǎo)致斜坡破壞的過(guò)程，但在實(shí)際中斜坡的變形破壞還要受到其他一些條件的影響，比如降雨入滲會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力與靜水壓力，加劇坡體中裂縫的拓展，而地震（爆破）振動(dòng)也會(huì)加劇卸荷裂隙的擴(kuò)展，受限于試驗(yàn)條件，這些因素并未加以研究。此外，試驗(yàn)是針對(duì)斜坡的一個(gè)剖面進(jìn)行的，如果使用三維模型進(jìn)行研究，就可以更深入地模擬采空變形對(duì)于斜坡坡頂后緣的影響范圍，構(gòu)建地下開(kāi)采與斜坡穩(wěn)定性之間的定量化關(guān)系，這些都有待于進(jìn)一步研究。

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（編輯：劉 媛）