采空區(qū)位置對高陡硬質(zhì)巖斜坡變形影響研究

吉 嵐，趙建軍，萬 勛，李清淼，巫恩歌

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

貴州省位于中國西南地區(qū)，云貴高原東部，整體走勢西高東低，屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛，區(qū)域內(nèi)構造發(fā)育，切割強烈，綜合作用下貴州省發(fā)育有較多高陡硬質(zhì)巖斜坡。造成斜坡失穩(wěn)的因素有很多，其中，斜坡下伏煤層開挖，對坡體穩(wěn)定性影響極大[1]。下伏采空的緩傾斜坡，由于地下開采因素不同和斜坡自身地質(zhì)結(jié)構的差異，多存在地表塌陷、拉裂、滑坡等工程地質(zhì)問題，常常會誘發(fā)大規(guī)模的地質(zhì)災害[2]。

目前關于地下開采引起斜坡變形的研究已有很多，但大多是針對采動斜坡變形破壞機制及穩(wěn)定性的研究[3-6]。對于緩傾層狀結(jié)構斜坡，在地下開采作用下，變形破壞機制可概括為“采空區(qū)頂板巖層塌落-采空區(qū)上部巖層彎曲拉裂-裂縫貫通，坡腳發(fā)生剪切破壞”3個階段[6-12]。

已有的研究資料表明，影響采動斜坡變形破壞的因素有很多，但是已有的研究多數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，將地下開采作為單一影響因素簡化分析，重點強調(diào)斜坡本身構造、巖性等自身因素[13]，如張志飛等[14]基于顆粒流程序，考慮結(jié)構面參數(shù)，對反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞機制進行模擬，提出巖層層面剪切強度是影響斜坡變形的重要因素。然而，不同的地下開采因素如開采方式、開采強度等，對采動斜坡變形破壞影響程度差別極大。Tao等[15]以長山壕礦區(qū)為例，利用Flac3D分析4種開采深度高程下每個邊坡的穩(wěn)定性，為露天礦邊坡安全開采深度提供指導意見。Wang等[16]從開采方向和開采高度2個角度對采動斜坡變形破壞和穩(wěn)定性驚醒分析評價，提出合理的開采高度和有效的支護措施。Yu等[17]提出重復采動對采動斜坡影響極大，采用離散元數(shù)值模擬對貴州發(fā)耳煤礦高陡邊坡變形特征進行研究，闡明了不同開采層數(shù)對高陡邊坡變形破壞的影響機理。Zhang等[18]采用數(shù)值模擬分析軟件結(jié)合使“礦業(yè)變量的影響下邊坡滑動面相似模擬試驗床”，設置5種采深厚比，提出隨著采深厚比例減少，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低。

以上已有少量關于地下開采因素對采動斜坡變形破壞影響的研究，但是從采空區(qū)位置角度研究其對邊坡變形影響的研究尚少。采空區(qū)位置的不同，其變形程度也不同。為了避免地下開采引起高陡硬質(zhì)巖斜坡變形破壞，提出合理的開采界限對高陡硬質(zhì)巖斜坡的穩(wěn)定十分重要。鑒于此，本文以永晟煤礦為例，采用顆粒流軟件，選取7種采空區(qū)位置，即采空區(qū)右側(cè)邊界到坡肩的水平距離D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m(“-”僅表示采空區(qū)右側(cè)邊界位于坡肩內(nèi)側(cè)，即向坡體內(nèi)。文中所出現(xiàn)的情況皆如此)，分析不同位置下覆巖位移情況和裂隙發(fā)育情況，提出永晟煤礦后續(xù)開采的合理開采界限，并為此類高陡硬質(zhì)巖斜坡下的開采區(qū)間提供參考依據(jù)。

1 研究背景

1.1 高陡硬質(zhì)巖斜坡

貴州省地質(zhì)構造復雜，廣泛地分布著巖質(zhì)斜坡，坡體地形“上陡下緩”，巖層“上硬下軟”，是典型的高陡硬質(zhì)巖斜坡。地下開采引起高陡硬質(zhì)巖斜坡發(fā)生變形破壞，本文分析了3個高陡硬質(zhì)巖采動斜坡坡體結(jié)構和采空區(qū)特征，見表 1。分析表明采空區(qū)位置的不同，斜坡發(fā)生變形破壞的程度也不同。永晟煤礦斜坡目前尚未發(fā)生大規(guī)模崩塌，其坡體結(jié)構較為完整，后續(xù)將繼續(xù)對永晟煤礦進行開采，故本文選取永晟煤礦為研究對象。

表1 斜坡特征分析

1.2 永晟煤礦工程概況

永晟煤礦位于金沙縣化覺鎮(zhèn)紅旗村巖口組，地理坐標為106°24′59″E，27°12′26″N。地形呈北高南低，最大高差704.6 m，形成典型的上硬下軟，上陡下緩的陡崖地形。自然坡向95°，坡度近90°，呈長條帶狀分布，長約500 m、高差約200 m，體積約5萬m3。自2014年以來，由于采礦活動，造成坡表形成了較多地裂縫和塌陷坑，導致陡崖帶發(fā)生過小規(guī)模的崩塌，在坡腳已有崩塌堆積體。受強降雨、地震荷載以及進一步采礦活動的影響，上部危巖帶可能發(fā)生產(chǎn)生大規(guī)模崩塌，潛在崩塌方向90°～110°，并威脅其下方的52戶居民，見圖 1。

注:a—永晟煤礦東井崩塌全貌；b—坡表變形跡象；c—危巖帶全貌；d—裂縫；e—塌陷坑。

研究區(qū)有部分基巖出露，見圖2、3。山體上部三疊系下統(tǒng)夜郎組、二疊系上統(tǒng)長興為灰?guī)r，結(jié)構致密，地層產(chǎn)狀為230°∠6°；山體下部的二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為煤層、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，強度較低，具有上硬下軟的特征。巖體內(nèi)主要發(fā)育2組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為170°∠87°(J1)和120°∠85°(J2)，這2組節(jié)理將巖體切割成形態(tài)較為規(guī)則的塊體。研究區(qū)可采煤層主要有2層：煤層M8位于龍?zhí)督M中上部，厚約2.65 m；煤層M12位于下部，厚約1.9 m。目前主要在煤層M8作業(yè)，形成沿傾向總長度為400 m左右的采動面。

注：1—第四系崩坡積物；2—三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段；3—三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段；4—二疊系上統(tǒng)長興組；5—二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；6—地層界線；7—斷層及編號；8—裂縫；9—塌陷坑；10—滑坡及編號；11—房屋；12—2016年以后采空區(qū)；13—2015年以前采空區(qū)；14—剖面線及編號。

注：1—第四系崩坡積物；2—三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段；3—三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段；4—二疊系上統(tǒng)長興組；5—二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；6—泥質(zhì)粉砂巖；7—泥巖；8—灰?guī)r；9—煤層及編號；10—碎石土；11—巖層界線；12—裂縫；13—采空區(qū)；14—產(chǎn)狀。

2 數(shù)值模擬分析

礦山地質(zhì)災害的研究手段主要有物理模擬和數(shù)值模擬，物理模擬雖然可以觀察受開采影響的邊坡變形破壞的全過程，但僅限于探索復雜開采條件下高陡邊坡的變形。這種復雜的條件很難建模，單一的模型工作量大，難以實現(xiàn)對多因素條件的系統(tǒng)研究。而簡單建模的數(shù)值模擬可以實現(xiàn)復雜工程地質(zhì)開采條件下邊坡的建模和分析，在探索不同地質(zhì)開采條件下邊坡的變形破壞機理時效果較好[17]。采礦誘發(fā)的覆巖崩落沉陷以及坡體的局部崩塌和整體失穩(wěn)現(xiàn)象位移量都是巨大的，離散元方法在模擬單元間大變形上具有顯著的優(yōu)勢。

2.1 顆粒流軟件(Partical Flow Code)

顆粒流(PFC2D)是一種通過細觀顆粒的運動特征來反映巖體宏觀變形破壞特征的離散元軟件。以牛頓第二定律及力與位移為基本理論，利用剛性圓形模擬巖土體顆粒以及顆粒之間的運動和相互作用[19]。

模型中顆粒間的細觀接觸模型決定了材料的宏觀本構特性，顆粒的細觀接觸本構特性有3種，即接觸-剛度模型、滑移-分離模型和黏結(jié)模型。前兩種則是同于非黏結(jié)情況，對于黏結(jié)情況，根據(jù)接觸的本構關系可分為一般的接觸黏結(jié)模型和平行黏結(jié)模型。前者用于無膠結(jié)的材料，如砂、土等，后者則用于用于膠結(jié)的材料，如混泥土、巖石。

為尋求安全、可靠、施工方便的放水涵管處理方法，磐安縣經(jīng)過多次考察、研討，最終確定在條件允許的山塘采用非開挖技術，對存在安全隱患的涵管進行報廢處理，重新在左右壩頭山體合適位置采用非開挖技術新建涵管。磐安縣2012年綜合整治山塘20座，其中采用倒虹吸建涵管3座，壩頭明挖設置埋入式涵管2座，老涵管套管灌漿處理2座，采用非開挖技術處理涵管13座，占到了山塘整治總數(shù)的65%。

在地下開采作用下，巖體內(nèi)部顆粒產(chǎn)生運動，為了較好地模擬顆粒間的相對位移和抗拉、抗剪、抗彎等力學特性，本文采用平行黏結(jié)模型模擬顆粒間接觸關系。

2.2 模型建立及方案

根據(jù)實際坡表地形、坡體結(jié)構以及采動面的分布構建二維工程地質(zhì)概化模型，模型長1 300 m，高542 m，見圖 4。以斜坡的地形界線和巖層分界線作為剛性墻體模擬邊界條件，以“膨脹法”生成52 643個運算顆粒單元，顆粒最小半徑0.02 m，最大半徑0.06 m。給所有顆粒設置重力加速度進行重力作用下的初始平衡，形成初始地應力。平衡后，刪除模型邊界之外多余的顆粒，并對顆粒按照實際地層進行分組。從上到下地層依次為夜郎組組灰?guī)r、長興組灰?guī)r、龍?zhí)督M泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，在亞層劃分上灰?guī)r采用15 m/層，泥質(zhì)粉砂巖10 m/層，泥巖為5 m/層。設置除層面外的兩組優(yōu)勢節(jié)理，產(chǎn)狀為170°∠87°和120°∠85°，考慮到坡體內(nèi)部節(jié)理的分布和延展不確定性，本研究中采用隨機節(jié)理填充(圖5)。

注：1—三疊系下統(tǒng)夜郎組；2—二疊系上統(tǒng)長興組；3—二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；4—煤層；5—地層分界線；6—巖層分界線；7—亞層分界線；8—監(jiān)測點及編號；9—采空區(qū)及編號。

圖5 數(shù)值模擬計算模型

本文僅研究在單層采動情況下，采空區(qū)右側(cè)邊界與坡肩距離對高陡硬質(zhì)巖斜坡變形的影響，故重點分析采空區(qū)形成后坡體的變形。依據(jù)開采資料，永晟煤礦采用傾向長壁式開采形成了沿傾向延伸400余米的采空頂板，為2014、2017年2次開采形成，每次開采沿傾向長200 m，采厚3 m。因預留煤柱尺寸較小，在數(shù)值模擬中將其忽略。依次設置采空區(qū)右側(cè)邊界距坡肩的水平距離D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m，共模擬7種工況。各開采方案總采寬均為400 m，共設置14個采空區(qū)序號(圖 4)，各采空區(qū)寬度均為50 m，各開采方案和采空區(qū)序號之間的對應關系見表 2，同時，在坡表設置間距為100 m的15個監(jiān)測點以反映坡表的沉陷特征。

表2 開采方案與采空序號對應關系

2.3 細觀參數(shù)標定

對于巖土體顆粒，其宏觀力學行為取決于顆粒細觀力學特性，目前并沒有成熟的理論方法將宏觀參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為細觀參數(shù)[20]，通常數(shù)值模擬試驗結(jié)果獲得的細觀參數(shù)與室內(nèi)巖石力學實驗獲得的宏觀力學參數(shù)相比較，經(jīng)過反復調(diào)試，使其一致。

李新坡等[21]和Zhao等[22]采用單軸壓縮試驗進行參數(shù)標定，得到細觀參數(shù)。本文通過從現(xiàn)場選取灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖試件，進行室內(nèi)單軸壓縮試驗，得到應力-應變曲線，因為PFC2D中的單軸壓縮試驗無法模擬巖石的受力路徑，巖體的微裂隙壓密階段無法表現(xiàn)出來，故通過對比應力-應變曲線的斜率和峰值進行細觀參數(shù)標定，即對比巖石的彈性模量和單軸抗壓強度。經(jīng)過反復調(diào)整，得出一條斜率和峰值與室內(nèi)試驗應力-應變曲線基本一致的曲線，見圖 6，以此作為本次數(shù)值模擬試驗的細觀參數(shù)，見表3。

a)灰?guī)r

b)泥質(zhì)粉砂巖

表3 PFC模型細觀參數(shù)取值

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移分析

3.1.1水平位移分析

山區(qū)采礦會引起采空區(qū)覆巖崩落沉降，由于崩落巖體的碎脹性，采空區(qū)兩側(cè)邊界巖體將受到橫向推擠力作用，發(fā)生側(cè)向變形[23]。采空區(qū)兩側(cè)圍壓越低，側(cè)向變形現(xiàn)象越明顯[24]。由圖 7可知，位移監(jiān)測點M1—M6所示覆巖水平位移值較小，因為采空區(qū)邊界上方坡表地形一致，兩側(cè)產(chǎn)生了相對較高的圍壓，抑制了覆巖的側(cè)向變形。當D<-50 m時，M2—M6位于采空區(qū)正上方，位移曲線呈現(xiàn)不規(guī)則“鋸齒狀”，這是因為層面間黏結(jié)強度較低，在水平方向上運動阻力較小，為覆巖的側(cè)向變形提供了合適的路徑。

隨著坡表地形逐漸變陡，坡肩巖體受沉降影響，在重力作用下，朝著阻力較小方向(坡內(nèi))發(fā)生水平運動[25]。當D= -50 m時，坡肩巖體達到最大水平位移，約為0.9 m?？缭狡录绾?，陡崖中下部巖體具有與坡頂相反的運動特征。由圖 8可知，隨著采空區(qū)右側(cè)邊界逐漸靠近陡崖，由于陡崖一面臨空，產(chǎn)生的圍巖約束力不足以抵消覆巖下沉引起的側(cè)向膨脹力，導致巖體向臨空面產(chǎn)生位移。

圖7 不同采空區(qū)位置下地表水平位移曲線

a)D=-150 m

c)D=-50 m

3.1.2豎向位移分析

坡表監(jiān)測點豎向位移曲線近似“U”型，靠近采空區(qū)左側(cè)邊界的坡表監(jiān)測點，豎向位移逐漸增大；跨越采空區(qū)左邊界后，坡表豎向位移陡增，并在采空區(qū)中心正上方達到最大豎向位移。由于采空區(qū)分兩次開采形成，故在位移曲線圖上至少可觀察到2次相等最大豎向位移。當D≤-50 m，采空區(qū)右側(cè)邊界周圍地表巖體具有與左邊界類似變形特征。當D>-50 m，采空區(qū)大部分位于陡崖內(nèi)側(cè)，向邊界兩側(cè)產(chǎn)生較大膨脹力，擠壓右側(cè)邊界巖體，向坡表隆起，當D=50 m時，達到最大值約0.5 m。隨著D的繼續(xù)增大，這種“隆起”現(xiàn)象逐漸消失。

由圖 9可知，坡表產(chǎn)生最大沉降的位置始終位于采空區(qū)正上方。并且不同采空區(qū)位置開采下最大豎向位移值相差較小，約為3.50 m；僅當D>100 m，最大豎向位移值有所增大，約為3.66 m。

圖9 不同采空區(qū)位置下地表豎向位移曲線

雖然采空區(qū)坡表最大豎向位移出現(xiàn)位置和量值受采空區(qū)位置影響較小，但是采動覆巖影響范圍受采空區(qū)位置影響較大。當D>-50 m，“U”型范圍較D≤-50 m時擴大近一倍。由于陡崖的特殊性，坡頂會產(chǎn)生附加的沉陷效應，坡表產(chǎn)生明顯豎向位移區(qū)域變大，而這在平緩地形中通常不會出現(xiàn)[26-27]。

總體而言，坡表最大豎向位移受采空區(qū)位置影響較小，但坡表豎向位移變化范圍受采空區(qū)位置影響較大，當D>-50 m，坡表沉降范圍變大，“U”型范圍較前者擴大近一倍。

3.2 裂隙發(fā)育分析

采動破壞了巖體中原有的應力狀態(tài)，引起巖體內(nèi)應力重分布，在采空區(qū)上方巖體中形成減壓區(qū)，產(chǎn)生較多垂直層面的拉張裂縫[28]。由于模型內(nèi)煤層力學參數(shù)較低，隨著開采的進行煤層自身會產(chǎn)生較多微裂隙，但其對坡體變形破壞不產(chǎn)生影響，可忽略[29]。首次采空區(qū)形成后，上覆巖體在重力作用下向采空區(qū)方向彎曲，產(chǎn)生2條沿采空區(qū)邊界往坡表擴展的主裂隙，內(nèi)部發(fā)育有較多次生裂隙，從采空區(qū)頂板至坡表呈現(xiàn)倒“Y”型，見圖 10。二次開采后，采空區(qū)上方覆巖內(nèi)產(chǎn)生的拉張裂隙數(shù)量明顯少于首次開采，裂隙產(chǎn)生位置變得雜亂。當D=0 m時，坡腳首次出現(xiàn)裂隙，隨著D的增大，坡腳裂隙數(shù)量逐漸減少。當D≥100 m后，陡崖處巖體內(nèi)逐漸出現(xiàn)裂隙。

a)D=-150 m

將采空區(qū)上方覆巖最外側(cè)裂隙與采空區(qū)邊界連線與水平線在礦柱一側(cè)夾角稱為裂縫角[30](圖 11)。以上山裂縫角γ和下山裂縫角β之和“γ+β”表示采空區(qū)上方巖體受擾動范圍，但此時不考慮覆巖厚度[22]。采空區(qū)左側(cè)邊界始終遠離陡崖，下山裂縫角變化較小，見圖 12。上山裂縫角隨著D的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。當D≥-50 m時，隨著D增大，右側(cè)邊界逐漸靠近陡崖臨空面，坡表地形變陡，上山裂縫角逐漸減小。當D=100 m時，上山裂縫角γ達到最小值80°，“γ+β”最小值為163°，在不考慮采空區(qū)上覆巖體厚度情況下，采空區(qū)上方受擾動巖體范圍最大。當D>-150 m，大范圍采空區(qū)埋深減小，上山裂縫角反而增大。

圖11 裂縫角示意

圖12 不同采空區(qū)位置下裂隙擴散角

3.3 對陡崖部位巖體的時效變形影響分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，在陡崖部位發(fā)育大規(guī)模危巖體，由于陡崖高差較大，選取陡崖中部監(jiān)測點M9監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不同采空區(qū)位置開采對陡崖變形的影響。

在不同開采情況下，陡崖處巖體變形具有時效性。從6.1×104時步發(fā)生首次位移。首次開采穩(wěn)定后，在21×104時步，發(fā)生第二次位移。由圖 13、 14可知，位移曲線圖受2次采動影響，呈2種變化趨勢。首次開采后，當D≤100 m，陡崖中部巖體首先向坡內(nèi)產(chǎn)生水平移動，隨后向臨空面運動，最終巖體達到穩(wěn)定時向坡內(nèi)發(fā)生了較小水平位移。豎向位移隨著D的增大逐漸增大，但首次開采后巖體最終沉降值較小，不足1 m。

當開采進行到第21×104時步，首次開采已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著第二次開采進行，當D≤-50 m時，巖體運動趨勢與首次開采近似，發(fā)生較小豎向沉降和向坡內(nèi)發(fā)生較小水平位移。隨著D的增大，豎向位移逐漸增大，但最終位移較小，不足1 m；當D≥-50 m，水平位移向臨空面方向迅速增大，最終水平位移量與采空區(qū)位置有關，距離采空區(qū)中心越遠，水平位移量越大[29]。豎向沉降值和沉降速率陡增，并且隨著D的增大，沉降值逐漸增大，當D=100 m時，沉降達到最大值，約為3.66 m。但隨著D的繼續(xù)增大，沉降值反而略有減小。

圖13 不同采空區(qū)位置陡崖中部巖體水平位移

圖14 不同采空區(qū)位置陡崖中部巖體豎向位移

4 結(jié)論

總結(jié)了德興煤礦崩塌、馬鬃嶺崩塌、永晟煤礦東井崩塌3個采動斜坡坡體結(jié)構和采空區(qū)特征，以永晟煤礦為研究對象，采用二維顆粒流軟件模擬2次開采形成采空區(qū)，研究了7種采空區(qū)位置對高陡硬質(zhì)巖斜坡的變形影響，得出以下結(jié)論。

a)采空區(qū)覆巖隨著D的逐漸增大面向臨空面產(chǎn)生的橫向變形越明顯，坡表沉降曲線近似“U”型，“U”型范圍先保持不變后擴大。D≤-50 m時，主要變形為坡肩巖體向坡內(nèi)產(chǎn)生水平位移，隨著D的增大而增大，當D=-50 m時，達到最大水平位移0.8 m，且該情況下“U”型范圍幾乎一致；D>-50 m時，陡崖部位巖體產(chǎn)生的水平位移隨著D的增大逐漸增大，主要為面向臨空面的橫向變形，此時，“U”型范圍較前者擴大近一倍。

b)上下山裂縫角之和表示采空區(qū)覆巖受擾動范圍，其主要取決于上山裂縫角大小，隨著D逐漸增大，采空區(qū)上覆巖體受擾動范圍逐漸增大。當D<-50 m時，上下山裂縫角之和幾乎相等；當D>-50 m時，隨著D的增大，下山裂縫角迅速減小，當D=100 m時，達到最小值，此時，采空區(qū)覆巖受擾動范圍最大。

c)陡崖部位巖體隨著第二次開采進行，巖體迅速發(fā)生變形，當D>-50 m時陡崖處巖體產(chǎn)生的變形遠遠大于D≤-50 m時產(chǎn)生的變形。當D≤-50 m時，陡崖處巖體水平位移均在0.1 m以內(nèi)，豎向沉降值均不足1 m，巖體變形較小；當D>-50 m時，隨著第二次開采進行，變形速率和最大位移量陡增，當D=100 m時，陡崖部位巖體達到最大下沉量3.66 m。

綜上，永晟煤礦類的后續(xù)開采中，為了防止斜坡失穩(wěn)破壞，應該滿足D<-50 m。同時，為此類高陡硬質(zhì)巖斜坡的地下開采區(qū)間提供了參考依據(jù)。