工作面布置方式對(duì)溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡變形破壞特征的影響研究

路 琦，呂義清，劉志輝

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西太原 030024）

隨著西部煤炭資源的開采，我國(guó)西部黃土溝谷區(qū)受到采動(dòng)影響，滑坡，崩塌、地表沉降等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。對(duì)于不同開采方式下，采動(dòng)斜坡的變形發(fā)展規(guī)律、破壞特征及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析，相關(guān)學(xué)者采用數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的手段進(jìn)行了研究[1-4]。對(duì)于溝谷區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和地下開采、降雨、地震等影響斜坡穩(wěn)定性的因素，有關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作[5-6]。此外，針對(duì)溝谷區(qū)地下煤層開采時(shí)地表移動(dòng)變形[7-8]，斜坡裂縫化規(guī)律[9]，開采沉陷與地表損害[10]也有較多的研究?，F(xiàn)有研究中，采動(dòng)斜坡下工作面的開采位置大多已經(jīng)固定，且多垂直于溝谷走向[11]，對(duì)于平行于溝谷走向，不同的工作面開采位置對(duì)溝谷兩側(cè)斜坡的破壞研究較少。為此，以泰安礦區(qū)白家溝區(qū)域工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立三維數(shù)值模型，研究開采不同位置工作面時(shí)，溝谷區(qū)地表位移規(guī)律，兩側(cè)斜坡變形破壞特征和破壞機(jī)理，為類似的溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于我國(guó)西部黃土高原一帶，井田地處呂梁隆起北部，黃河?xùn)|岸。區(qū)內(nèi)地表起伏較大，由土質(zhì)疏松的黃土覆蓋，受風(fēng)雨侵蝕，形成溝壑縱橫，支離破碎的地貌形態(tài)。白家溝位于礦區(qū)東北側(cè)，地表大范圍被黃土、紅土所覆蓋，地面植被稀少，溝谷下方主要開采8#煤層，工作面開采方向與溝谷走向平行，采高5 m，回采工作面頂板采用全部垮落法管理。

溝谷為南北走向，東側(cè)谷坡高80 m，坡體下陡上緩，平均坡度為25°，坡體后緣發(fā)育有多條裂縫，長(zhǎng)度15～30 m，平行排列，走向和地下工作面開采方向一致，呈階梯狀下錯(cuò)，最大下錯(cuò)高度0.41 m。西側(cè)谷坡高70 m，平均坡度36°，在坡體下部調(diào)查發(fā)現(xiàn)數(shù)條拉張裂縫，朝著溝谷方向下錯(cuò)，下錯(cuò)高度0.2～0.3 m，坡底存在松散堆積物。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

據(jù)白家溝區(qū)域的地形地質(zhì)圖，使用MIDAS GTX NX 數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型，紅色x 軸、綠色y 軸和藍(lán)色z 軸分別代表正東、正北和豎直方向。模型水平方向尺寸為600 m×810 m，豎直方向平均厚度為150 m。幾何模型建立好后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三維模型共建立節(jié)點(diǎn)86 573 個(gè)，劃分單元101 670個(gè)。模型設(shè)置邊界約束條件，頂部為自由面，四周和底部設(shè)置為固定約束。模型根據(jù)巖層從上到下分為8 層，分為黃土、紅土、砂泥巖、砂巖、泥巖、中砂巖、8#煤層和泥巖，巖層及其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層及其物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock strata and their physical and mechanical parameters

根據(jù)不同的工作面布置方式建立3 個(gè)三維模型，模型大小，地層劃分，邊界條件，靜力荷載等條件全部相同，只改變工作面位置。3 個(gè)模型工作面都平行于白家溝溝谷走向，不同的是模型1 位于斜坡后方，模型2 位于斜坡下方，模型3 位于溝谷下方。開采的煤層為8#煤層，工作面呈矩形，寬度為100 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為400 m，從南向北分10 次開挖，每次開采40 m。研究區(qū)地質(zhì)模型如圖1。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)模型Fig.1 Geological model of the study area

2.2 溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡位移規(guī)律

工作面開采后，各模型地表總位移云圖如圖2。

由圖2 可知，地表總位移全部呈以采空區(qū)為中心的近橢圓形，采空區(qū)影響范圍分為2 部分：正上方地表和周圍斜坡。正上方地表總位移等值線密集，以豎直位移為主，采空區(qū)中心處地表沉陷位移最大；四周斜坡總位移等值線疏松，以水平位移為主，表示四周斜坡受采空區(qū)影響，向采空區(qū)中心處傾斜移動(dòng)。

圖2 各模型地表總位移云圖Fig.2 Total surface displacement nephogram of each model

為了監(jiān)測(cè)地表變形，在模型地表布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，工作面開采后，由地表總位移可知，位于模型中部的采空區(qū)上方地表變形最為嚴(yán)重。選取模型中部y=400 m 的典型溝谷剖面，研究溝谷兩側(cè)采動(dòng)斜坡的地表變化規(guī)律。

分析地表下沉規(guī)律，y=400 m 剖面地表位移下沉量如圖3。

圖3 y=400 m 剖面地表位移下沉量Fig.3 Surface displacement subsidence of profile y=400 m

由圖3 可知，3 個(gè)模型中部剖面地表豎向位移曲線變化趨勢(shì)基本一致，呈“倒峰型”，曲線兩側(cè)位移變化較緩，在采空區(qū)邊緣處出現(xiàn)拐點(diǎn)，變化隨之變陡，在采空區(qū)中心處位移達(dá)到頂峰。采空區(qū)位置從溝谷中間到斜坡下部再到斜坡后部的過程中，下沉曲線峰值逐漸減小，表明隨著采空區(qū)距離地表的深度增加，地表下沉值呈減小趨勢(shì)。

研究地表位移特征，各模型y=400 m 剖面位移云圖如圖4。

由圖4 可知，溝谷區(qū)地下工作面開采后，斜坡的水平方向位移主要受采空區(qū)影響，豎直方向位移主要受采空區(qū)和重力作用共同影響。其中，當(dāng)工作面位于斜坡后方時(shí)，水平方向上，采空區(qū)兩端上方巖土體產(chǎn)生指向采空區(qū)中心處的位移，位移范圍和大小基本一致。豎直方向上，受采空區(qū)和重力作用的影響，采空區(qū)上方巖土體向下彎曲沉降，此時(shí)，采空區(qū)上方中心處沉降最大，為-0.69 m，距采空區(qū)中心越遠(yuǎn)則沉降越小，不均勻沉降在地表形成地面塌陷和塌陷裂縫，坡體位移大致呈對(duì)稱分布；當(dāng)工作面位于斜坡下方時(shí)，在水平方向上，東側(cè)斜坡坡腳處產(chǎn)生向坡體內(nèi)部的位移，最大值為0.18 m，坡頂處產(chǎn)生指向臨空面方向的位移，最大值為-0.19 m，和坡腳處相比，數(shù)值更大且地表移動(dòng)范圍更廣。在豎直方向上，東側(cè)斜坡上部不均勻沉降最大，坡體產(chǎn)生后緣裂縫且裂縫順坡向發(fā)育，這說明溝谷東側(cè)由于存在斜坡臨空面，使得坡體位移呈非對(duì)稱分布狀態(tài)，整體表現(xiàn)為東側(cè)上部坡體沿臨空面向下位移。當(dāng)工作面位于溝谷中間時(shí)，溝谷兩側(cè)坡腳在水平方向上向臨空面移動(dòng)，在豎直方向上形成不均勻沉降并產(chǎn)生順坡向的裂縫，在采空區(qū)和重力作用共同影響下，整體表現(xiàn)為溝谷兩側(cè)坡腳沿臨空面向下移動(dòng)，坡體位移大致呈對(duì)稱分布。

圖4 各模型y=400 m 剖面位移云圖Fig.4 Profile displacement cloud images of each model y=400 m

2.3 溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡破壞特征

當(dāng)斜坡內(nèi)部最大剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體會(huì)發(fā)生破壞，因此，可以把斜坡坡體內(nèi)部剪應(yīng)變?cè)隽看笮∽鳛闈撛诨泼媾袛嗟囊罁?jù)，剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的位置，坡體發(fā)生滑移破壞的可能性就大，反之，剪應(yīng)變?cè)隽枯^小的位置，則不會(huì)發(fā)生變形破壞。各模型y=400 m 剖面的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖5。

圖5 各模型y=400 m 剖面的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.5 Shear strain increment nephogram of the y=400 m profile of each model

由圖5 可知，3 幅云圖的共同點(diǎn)在于采空區(qū)邊界區(qū)域剪應(yīng)變?cè)隽慷驾^大，表明上覆巖體在工作面開采后均沿采空區(qū)邊界剪切下錯(cuò)。不同之處在于，當(dāng)工作面布置位置不同時(shí)，采空區(qū)上部剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)域不同，對(duì)溝谷區(qū)兩側(cè)斜坡的影響也不同。

當(dāng)采空區(qū)位于斜坡后部時(shí)，在采空區(qū)上方出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽考校捎谥車鷰r層邊界的限制，不容易發(fā)生剪切滑動(dòng)，所以不會(huì)影響到斜坡；當(dāng)工作面位于斜坡下方時(shí)，東側(cè)斜坡上部出現(xiàn)貫通良好的剪切帶，斜坡容易沿此剪切帶發(fā)生滑動(dòng)破壞；當(dāng)工作面布置在溝谷下方時(shí)，溝谷兩側(cè)斜坡坡腳處出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽考?，表明坡腳區(qū)域容易發(fā)生剪切破壞。由此可知，溝谷區(qū)斜坡受工作面布置位置影響，當(dāng)位于斜坡下方時(shí)，東側(cè)斜坡上部先發(fā)生滑動(dòng)，繼而帶動(dòng)整個(gè)斜坡滑動(dòng)破壞，而位于溝谷中間時(shí)，兩側(cè)斜坡是下部先發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致上部斜坡受到牽引發(fā)生滑動(dòng)破壞。

3 溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡變形破壞機(jī)理

通過數(shù)值模擬，在研究溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡位移規(guī)律和破壞特征之后，得出不同工作面位置下，溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡不同的變形破壞機(jī)理。斜坡變形破壞特征如圖6。

由圖6 可知，

圖6 斜坡變形破壞特征Fig.6 Characteristics of slope deformation and failure

1）當(dāng)工作面位于斜坡后方時(shí)，在斜坡后方的工作面開采后，采空區(qū)上部巖土體失去支撐而向下彎曲沉陷，由于不均勻沉降而形成塌陷坑，兩側(cè)的巖土體向采空區(qū)中心處傾倒，在兩側(cè)形成拉張裂縫。東側(cè)斜坡后緣發(fā)育的裂縫延伸方向和斜坡坡向相反，表明東側(cè)斜坡受到向采空區(qū)方向的拉應(yīng)力，沒有向臨空面滑動(dòng)的趨勢(shì)，西側(cè)斜坡距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，基本不受影響，溝谷兩側(cè)斜坡狀態(tài)穩(wěn)定，采動(dòng)斜坡變形特征如圖6（a）。

2）在工作面位于斜坡下方時(shí)，在斜坡下方的工作面開采后，采空區(qū)上部覆巖垮落導(dǎo)致上部巖土體彎曲下沉，產(chǎn)生塌陷裂縫，斜坡右側(cè)受到指向采空區(qū)的拉伸應(yīng)力，斜坡后緣發(fā)育拉張裂縫，裂縫逐漸沿內(nèi)部延伸，斜坡上部沿裂隙帶向下滑動(dòng)，使得坡腳處受到擠壓而產(chǎn)生剪切裂縫，隨著工作面的開采，前緣后緣裂縫逐漸貫通，貫通后滑動(dòng)面如圖6（b）中紅線所示，斜坡失穩(wěn)坡體沿裂隙帶整體下滑，破壞模式為推移式滑坡。

3）當(dāng)工作面位于溝谷中間時(shí)，在溝谷中間的工作面開采后，溝谷上方巖土體會(huì)垮落彎曲，兩側(cè)斜坡會(huì)受到指向采空區(qū)的拉伸應(yīng)力，斜坡表面因拉伸應(yīng)力不同而產(chǎn)生不均勻沉降，在坡腳處發(fā)育有拉張裂縫，隨著工作面的開采，裂縫沿坡體內(nèi)部軟弱面發(fā)展直至貫通，貫通后滑動(dòng)面如圖6（c）中紅線所示，坡腳失穩(wěn)下滑，上部巖土體失去支撐而向下變形滑動(dòng)，直至斜坡整體失穩(wěn)，破壞模式為牽引式滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，溝谷兩側(cè)斜坡裂縫發(fā)育情況和坡體位移破壞特征與上述模擬結(jié)果基本一致，但相較于牽引式滑坡，推移式滑坡處裂縫發(fā)育更深，滑坡失穩(wěn)范圍更大。需要注意的是，降雨也是影響滑坡失穩(wěn)的因素。當(dāng)工作面位于斜坡下方時(shí)，斜坡后緣先發(fā)育的拉張裂縫有利于雨水入滲，從而降低巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，削弱了斜坡的抗剪強(qiáng)度并增大了下滑力，加劇了坡體的下滑；而工作面位于溝谷中間時(shí)，斜坡坡腳先發(fā)育裂縫，有利于地下水的排出，降雨對(duì)于牽引式滑坡的影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 語

1）溝谷區(qū)不同位置工作面開采后，地表下沉區(qū)域都呈以采空區(qū)為中心的近橢圓形，中心處下沉最大，且地表下沉值和采空區(qū)與地表的距離有關(guān)，隨著距離的增加地表下沉值隨之減小。

2）工作面布置位置會(huì)影響溝谷區(qū)采動(dòng)斜坡破壞類型和穩(wěn)定性。在溝谷區(qū)，工作面布置在一側(cè)斜坡后方時(shí)，溝谷兩側(cè)斜坡所受影響較小，斜坡穩(wěn)定性較好；布置在一側(cè)斜坡下方時(shí)，工作面上方斜坡從坡頂處開始破壞，繼而推動(dòng)斜坡產(chǎn)生整體破壞，破壞類型為推移式滑坡，而溝谷另一側(cè)的斜坡基本不受影響，保持穩(wěn)定狀態(tài)；布置在溝谷中間時(shí)，兩側(cè)斜坡從坡腳處開始破壞，繼而引起上部坡體失去支撐而滑動(dòng)破壞，破壞類型為牽引式滑坡。此外，受降雨影響，推移式滑坡破壞程度往往比牽引式滑坡更嚴(yán)重。

3）為防止溝谷區(qū)斜坡破壞，保護(hù)礦區(qū)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，建議礦區(qū)人員于斜坡地表設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地表沉降情況，并根據(jù)不同的工作面布置位置推測(cè)采動(dòng)斜坡的破壞類型，并采取對(duì)應(yīng)的工程措施進(jìn)行防治。