重復(fù)采動(dòng)下陡巖變形破壞特征分析

唐建新，李 偉，張擇靖，杜維毅，鄭英建

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；3.川煤集團(tuán) 敘永一礦煤業(yè)有限公司，四川 瀘州 646400）

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[1-2]、理論分析[3-4]、數(shù)值模擬[5-6]和相似材料模擬試驗(yàn)[7-8]等方法對(duì)礦山開(kāi)采沉陷進(jìn)行了大量研究并取得了豐碩成果，但針對(duì)山區(qū)地表的開(kāi)采沉陷研究還不夠，特別是對(duì)地下采煤誘發(fā)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)理研究不足。因山區(qū)與平原的地貌特征相差太大，很多在平原地區(qū)得到的開(kāi)采沉陷理論將不適用于山區(qū)[9-11]。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)相比，可進(jìn)行多種開(kāi)采方案的對(duì)比研究且具有一定的預(yù)測(cè)性，能節(jié)約大量的人力物力，更可以全面直觀的反應(yīng)地表的破壞情況[12-14]。孫敬輝等[15]、宋波[16]、宋子賀等[17]采用了Rockfall 軟件模擬出崩塌危巖的運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)模擬結(jié)果提出相應(yīng)的防治措施；Jia 等[18]通過(guò)理論力學(xué)與數(shù)值模擬方法確定了某金屬礦塌陷區(qū)域，并提出了加固方案；梁少崗等[19]用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和概率積分法，分析了韓城礦區(qū)山區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律；Wang 等[20]利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析了三峽庫(kù)區(qū)建川洞危險(xiǎn)巖體的變形和故障模式；Marschalko M 等[21]在研究山區(qū)沉陷的過(guò)程中，通過(guò)觀察觀測(cè)點(diǎn)的變化情況來(lái)得到山區(qū)地表的移動(dòng)變形情況；藍(lán)航等[21]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)山區(qū)含水風(fēng)積沙地表采動(dòng)沉陷規(guī)律預(yù)計(jì)進(jìn)行了研究，得到了該地區(qū)的采動(dòng)沉陷規(guī)律；杜強(qiáng)等[23]綜合利用AutoCAD、surfer、rhino3D、ANSYS、FLAC3D進(jìn)行山區(qū)煤礦開(kāi)采模型模擬，提高了模擬結(jié)果的可信度；崔劍鋒[24]采用數(shù)值分析，揭示了地下開(kāi)采會(huì)使得地表斜坡原有的裂縫擴(kuò)大發(fā)展和坡體失穩(wěn)破壞的過(guò)程及機(jī)理。以上研究不足的是大多基于單次采動(dòng)造成的影響，而對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害演化過(guò)程中的微地貌特征、巖體結(jié)構(gòu)、地面潛在致災(zāi)地質(zhì)體的變形破壞與井下采掘空間發(fā)展的時(shí)空關(guān)系少有研究?；诖耍槍?duì)含軟弱夾層的順層陡巖受地下重復(fù)采煤的影響，采用離散元數(shù)值軟件UDEC 模擬陡巖下方緩斜近距離薄煤層群區(qū)段上行開(kāi)采，分析陡巖的應(yīng)力變化、采動(dòng)裂隙擴(kuò)展、陡巖基底巖層和坡頂面的位移變化、陡巖的破壞形式及可能產(chǎn)生的失穩(wěn)模式。

1 地質(zhì)及工程背景概述

在西南山區(qū)較為常見(jiàn)的陡巖多為石灰?guī)r山體夾薄層泥巖[25]，根據(jù)西南礦區(qū)常見(jiàn)的地層分布以及地貌特征，模擬的地質(zhì)條件為陡巖內(nèi)巖層臨空外傾、傾角25°，陡巖坡面直立與巖層走向相同，陡巖坡高89 m、坡頂面基巖裸露，坡肩往內(nèi)17 m 左右位置，有1條深度約15 m 的裂縫。距坡頂面20 m 處和陡巖基底處分別有厚度為1 m 和2 m 的泥巖，其余坡體為灰?guī)r。陡巖下方有3 層可采煤層，從上到下分別為上煤層、中煤層和下煤層，相鄰煤層平均層間距均為5 m，層間巖層為砂質(zhì)泥巖，各煤層平均厚度均為1 m。從上煤層到陡巖基底的垂直距離為150 m，到陡巖坡頂垂直距離為239 m。煤（巖）層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram

采礦方法為走向長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。不同煤層采用下行式開(kāi)采，即同一采區(qū)首先開(kāi)采上煤層，然后開(kāi)采中煤層，最后開(kāi)采下煤層；為解決水害，同一煤層采用上行開(kāi)采，上下開(kāi)采邊界距離模型左右兩側(cè)100 m。下開(kāi)采邊界在陡巖外距坡面水平距離255 m，上開(kāi)采邊界在陡巖內(nèi)距坡面水平距離145 m。陡巖傾斜剖面圖如圖2。

圖2 陡巖傾斜剖面圖Fig.2 Inclined section of steep rock

2 順層巖質(zhì)陡巖變形破壞數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 模型建立

本研究采用Itasca 公司推出的離散元軟件UDEC6.0 進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)礦井的實(shí)際條件建成水平全長(zhǎng)600 m，最大高度為500 m，最小高度為155 m，陡巖高為89 m 的模型。為了消除模型邊界對(duì)開(kāi)挖的影響在模型左右邊界各留100 m 邊界煤柱。模型的左右兩側(cè)設(shè)置位移邊界條件，限制水平位移；底部為固定邊界，模型的上部為地表自由面。

計(jì)算采用的模型為摩爾-庫(kù)倫塑性模型，節(jié)理面接觸庫(kù)倫滑移模型。根據(jù)前人的研究成果巖層物理力學(xué)參數(shù)取值以及各巖層的節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2[26]。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

表2 巖層節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock joints

由圖2 可知，在上層煤上方150 m 處的基底巖層布置1 條測(cè)線(xiàn)，同時(shí)在陡巖表面布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)以分析陡巖的穩(wěn)定性。

2.2 基底巖層位移與應(yīng)力模擬結(jié)果

2.2.1 基底巖層應(yīng)力

煤層開(kāi)采后，基底巖層下沉值直接影響陡巖的穩(wěn)定性，因此，基底巖層的應(yīng)力與位移對(duì)陡巖的穩(wěn)定性分析具有重要意義?；讕r層在煤層開(kāi)采過(guò)程中受到的垂直應(yīng)力如圖3。由圖3 可知，開(kāi)采不同煤層過(guò)程中，基底巖層的垂直應(yīng)力的整體分布趨勢(shì)相似，呈波狀起伏變化且各曲線(xiàn)的應(yīng)力值相差不大。模型左邊界受邊界影響垂直應(yīng)力最大隨后開(kāi)始逐漸減小，在100 m 和200 m 附近垂直應(yīng)力達(dá)到最大值，在高陡邊坡的坡腳以外垂直應(yīng)力急劇減小。

圖3 基底巖層垂直應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.3 vertical stress curves of basement strata

基底巖層的剪應(yīng)力變化如圖4。各個(gè)煤層開(kāi)采后，基底巖層的剪應(yīng)力曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相同且相差不大，在0～75 m 的范圍內(nèi)，在坐標(biāo)軸正負(fù)之間波動(dòng)較小，在75 m 以外剪應(yīng)力波動(dòng)較大，在150 m 和200 m 附近剪應(yīng)力最大但方向相反，在陡巖坡腳以外剪應(yīng)力迅速減小。

圖4 基底巖層剪應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.4 Shear stress curves of basement rock stratum

2.2.2 基底巖層位移

基底巖層的下沉量曲線(xiàn)如圖5。由圖5 可知，在開(kāi)采不同煤層時(shí)，基底巖層的下沉量曲線(xiàn)均呈現(xiàn)一致的走勢(shì)，即由平緩到下沉最后再趨于平緩的過(guò)程，巖層層面整體呈現(xiàn)出“平穩(wěn)—下沉—平穩(wěn)”的反“S”形變化。在基底0～50 m 的范圍內(nèi)，坡體上部距離工作面較遠(yuǎn)，受采動(dòng)的影響比較小，基底巖層的下沉量較小。在50 m 的位置處，下沉量曲線(xiàn)開(kāi)始呈現(xiàn)出非線(xiàn)性增加，基底受到了地下采動(dòng)的影響產(chǎn)生變形，并且在240 m 坡腳處下沉值達(dá)到最大后趨于穩(wěn)定，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的下沉值分別是0.8、2.1、3.2 m。煤層的傾角為25°，3 個(gè)煤層在法線(xiàn)方向的總厚度為3 m，在垂直方向的總厚度為3.3 m。在陡巖坡腳處基底巖層除產(chǎn)生垂直位移外還有向外的水平位移，因此使得該處的垂直位移增大，導(dǎo)致了各煤層開(kāi)采后，最終下沉值接近甚至超過(guò)累計(jì)采高，煤層的重復(fù)采動(dòng)會(huì)加劇地表的下沉量。

圖5 基底巖層下沉曲線(xiàn)Fig.5 Subsidence curves of numerical simulation basement strata

基底巖層的水平位移曲線(xiàn)如圖6。開(kāi)采不同煤層過(guò)程中，基底巖層的水平位移曲線(xiàn)均出現(xiàn)“增大—減小—平緩”的整體趨勢(shì)，并且變化的范圍一致。在50 m 處，中層煤與下層煤開(kāi)采后水平位移開(kāi)始急劇增大，在100 m 附近，開(kāi)采各煤層的水平位移達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始減小，在200 m 處水平位移最小，之后位移逐漸回升，在240 m 陡巖坡腳以外趨于穩(wěn)定。基底巖層水平位移值的增大與煤層累計(jì)采高的增大呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖6 數(shù)值模擬基底巖層水平位移曲線(xiàn)Fig.6 Horizontal displacement curves of numerical simulation basement strata

2.3 陡巖變形破壞過(guò)程

2.3.1 裂縫發(fā)展及陡巖穩(wěn)定性

UDEC 可以模擬出裂縫的發(fā)展情況，上層煤開(kāi)采后模型的破壞圖如圖7。當(dāng)上層煤開(kāi)采完成后，原陡巖坡肩附近深度為15 m 的卸荷和風(fēng)化裂縫因采動(dòng)影響繼續(xù)往下延伸與下方軟弱夾層貫通，在坡肩形成危巖體。后期地表水沿裂縫進(jìn)入到軟弱夾層，在水的作用下軟弱夾層軟化且抗剪強(qiáng)度降低，危巖體沿軟弱夾層下滑，當(dāng)危巖體重心超出陡巖臨空支承面時(shí)，危巖發(fā)生翻轉(zhuǎn)墜落，產(chǎn)生危巖崩塌。

圖7 上層煤開(kāi)采后模型的破壞圖Fig.7 Failure diagram of model after upper coal mining

中層煤和下層煤開(kāi)采后模型的最終破壞圖如圖8。由圖8 可知，當(dāng)中層煤、下層煤都開(kāi)采完成后，除原來(lái)的裂縫Ⅰ繼續(xù)往下延伸外，還平行的產(chǎn)生了裂縫Ⅱ、裂縫Ⅲ和裂縫Ⅳ，這幾條大的裂縫基本上達(dá)到或接近陡巖的基底巖層，形成了較大范圍的山體斷裂，后期在地震、暴雨等各種自然力的作用下有可能發(fā)生山體垮塌。

圖8 中層煤和下層煤開(kāi)采后模型最終破壞圖Fig.8 Final failure diagram of model after mining of middle coal and lower coal

2.3.2 陡巖坡頂位移

通過(guò)分析坡頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況來(lái)確定陡巖的穩(wěn)定性，坡頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 豎直位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖9。上層煤開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)挖完區(qū)段1 和區(qū)段2 后，采空區(qū)與地表陡巖的坡腳相距較遠(yuǎn)，陡巖上各點(diǎn)的豎直位移變化均很??；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，各點(diǎn)的豎直位移逐漸增大，當(dāng)上層煤采完后，測(cè)點(diǎn)1 的下沉量為1.03 m，測(cè)點(diǎn)2 的下沉量為0.95 m，測(cè)點(diǎn)3 的下沉量為0.93 m，測(cè)點(diǎn)4 的下沉量為0.78 m，測(cè)點(diǎn)5 的豎直位移為0.57 m，測(cè)點(diǎn)6 的豎直位移為0.50 m；測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)下沉，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4 的曲線(xiàn)下沉幅度較大，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6 的下沉幅度較小。這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4 處于坡肩裂隙附近，受采動(dòng)的影響，該裂隙進(jìn)一步拉裂，導(dǎo)致裂隙附近的巖體出現(xiàn)明顯的下沉。

圖9 陡巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)y 方向位移時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.9 Displacement time history curves in y direction of steep rock monitoring point

在開(kāi)采中層煤區(qū)段1～區(qū)段3 過(guò)程中，陡巖上各測(cè)點(diǎn)均按原下沉曲線(xiàn)斜率產(chǎn)生沉降，開(kāi)采最后100 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3 的下沉量劇增，測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6基本按原下沉曲線(xiàn)斜率產(chǎn)生沉降。中層煤開(kāi)采完成后，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6 的下沉量為1.9、1.7、1.6、1.3、0.8、0.7 m。對(duì)比上一階段發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)1 下沉量的增加最大，增加了0.9 m，增加值接近采高，陡巖臨空面附近的巖體受采動(dòng)影響最大。

在開(kāi)采下層煤區(qū)段1～區(qū)段3 過(guò)程中，陡巖上各測(cè)點(diǎn)均仍按原下沉曲線(xiàn)斜率產(chǎn)生沉降，開(kāi)采下煤層區(qū)段4 時(shí)，由于重復(fù)開(kāi)采，采空區(qū)范圍達(dá)到最大，這個(gè)階段陡巖上各測(cè)點(diǎn)的豎直位移有明顯的增大，特別是測(cè)點(diǎn)1 的下沉量明顯大于其他各點(diǎn)，說(shuō)明裂縫外的危巖體有明顯的向外傾斜的現(xiàn)象。

陡巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 水平方向位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖10。陡巖坡頂各點(diǎn)的水平位移有2 個(gè)規(guī)律：①重復(fù)采動(dòng)過(guò)程中，隨著采空區(qū)范圍的增加，坡頂各點(diǎn)的水平位移明顯增大；②以坡頂裂縫為界，在裂縫以外的測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 的移動(dòng)速度明顯高于其他各點(diǎn)。說(shuō)明裂縫外坡肩處的巖體明顯的脫離了裂縫后方的母體。最終測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 的水平位移分別為4.2 m 和3.89 m，已經(jīng)大于煤層的累積開(kāi)采厚度，測(cè)點(diǎn)3～測(cè)點(diǎn)6 的水平位移分別為1.71、1.49、1.29、0.93 m。說(shuō)明危巖體已經(jīng)形成并產(chǎn)生了明顯的向外的移動(dòng)。

圖10 陡巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)x 方向位移時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.10 Time history curves of displacement in x direction of steep rock monitoring points

3 結(jié) 論

1）在重復(fù)采動(dòng)過(guò)程中，開(kāi)采不同煤層時(shí)，基底巖層的下沉曲線(xiàn)、水平位移曲線(xiàn)、垂直應(yīng)力曲線(xiàn)以及剪應(yīng)力曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本相同；重復(fù)采動(dòng)使得基底巖層在垂直和水平方向的位移增大。

2）上層煤開(kāi)采后，坡肩處裂隙向下延伸貫穿軟弱夾層，在坡肩形成危巖體，這是危巖崩塌的前提條件。中、下層煤繼續(xù)開(kāi)采后陡巖裂縫進(jìn)一步向下延伸，當(dāng)裂縫接近或達(dá)到基底巖層時(shí)形成山體斷裂，這是山體垮塌的前提條件。

3）隨著各煤層回采區(qū)段進(jìn)入陡巖內(nèi)部后，在基底巖層下沉和陂肩裂縫擴(kuò)展的共同作用下，裂縫以外靠臨空面的測(cè)點(diǎn)的水平位移比裂縫以?xún)?nèi)的其他測(cè)點(diǎn)明顯增大，危巖體有向陡巖臨空面移動(dòng)的趨勢(shì)。