基于離散元的普灑崩塌過(guò)程分析研究

熊紹真，史文兵，彭雄武，王 勇

（1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)教育部喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550025；3.江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì)，江西南昌 330000）

引言

地質(zhì)災(zāi)害是世界上公認(rèn)的僅次于地震的第二大破壞性自然災(zāi)害，且災(zāi)害類型多樣［1-6］，有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等。同時(shí)，人類工程活動(dòng)尤其是地下采礦活動(dòng)加劇了地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題發(fā)生，往往造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，一直以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。由地下采礦誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往具有規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。1903年加拿大煤層開采引起的Frank滑坡規(guī)模達(dá)3.0×107m3，死亡76人［7］。1966年英國(guó)發(fā)生Aberfan滑坡由地下開采誘發(fā)，造成144人死亡［8］。1980年湖北鹽池河磷礦區(qū)崩塌山體總體積100×104m3，造成284人罹難［9］。2017年貴州納雍普灑采動(dòng)崩塌體積49.1×104m3，造成35人死亡［10］。

采動(dòng)作用誘發(fā)大規(guī)模災(zāi)害問(wèn)題層出不窮，且此類災(zāi)害發(fā)生具有不可預(yù)見(jiàn)性，歸根究底還是對(duì)該類地質(zhì)災(zāi)害的變形破壞過(guò)程和形成機(jī)理認(rèn)識(shí)有限。因此，很有必要研究采動(dòng)斜坡變形破壞過(guò)程及其機(jī)理，以便為此類災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治提供可靠的科學(xué)依據(jù)。數(shù)值模擬方法是用來(lái)研究地下開采作用下斜坡變形破壞的機(jī)理和變形過(guò)程的重要手段［11］。貴州普灑崩塌發(fā)生后，許多學(xué)者用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行研究，也有了一些研究成果，如肖銳鏵等［12］認(rèn)為降雨和采動(dòng)作用是普灑斜坡變形破壞的重要因素；鐘祖良等［13］運(yùn)用UDEC離散元方法探討采動(dòng)作用下巖溶山體崩滑失穩(wěn)變形破壞特征；鄭光等［14］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、無(wú)人機(jī)航拍及地質(zhì)資料分析，初步分析了崩塌發(fā)生的成因機(jī)理；Zhu等［15］利用地質(zhì)信號(hào)及動(dòng)態(tài)模型（DAN3D）進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了崩塌的形成機(jī)理和動(dòng)力學(xué)特征；余逍逍［16］運(yùn)用底摩擦物理模擬和數(shù)值模擬研究多煤層開采對(duì)斜坡變形破壞的影響，認(rèn)為地下采動(dòng)對(duì)崩塌破壞具有顯著作用，提出普灑崩塌的變形破壞機(jī)制為采空塌陷-拉裂-蠕滑-剪斷。學(xué)者們都關(guān)注到地下采動(dòng)作用是誘發(fā)普灑崩塌的主控因素［17］，其機(jī)制及破壞過(guò)程的研究對(duì)此類災(zāi)害認(rèn)識(shí)具有重要意義。盡管學(xué)者們對(duì)普灑崩塌的變形破壞過(guò)程比較深入的研究，但是關(guān)注點(diǎn)多集中在機(jī)制研究上，而對(duì)于地下開采順序、范圍、歷史等采礦狀況影響高陡斜坡變形破壞過(guò)程的研究較少；普灑崩塌規(guī)模大、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)，已有的研究對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中復(fù)雜的下墊面地形的數(shù)值模擬與實(shí)際差別較大。因此，非常有必要借助三維模擬手段研究普灑崩塌全過(guò)程，為此類地質(zhì)災(zāi)害的識(shí)別、預(yù)警和預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

文中以貴州納雍縣普灑崩塌為研究對(duì)象，在野外工程地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)上，查明了煤層開采歷史、開采順序、開采范圍等開采信息，運(yùn)用離散元方法（3DEC）模擬了崩塌的破壞過(guò)程，分析了采動(dòng)作用下覆巖變形響應(yīng)作用，并與崩塌實(shí)際過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比，由此驗(yàn)證了離散元方法研究崩塌過(guò)程的可靠性，為研究此類崩塌防治提供理論依據(jù)及參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于云貴高原向黔中山原過(guò)渡帶的貴州高原第二階梯黔西山原，屬烏蒙山系溶蝕侵蝕地貌。區(qū)

圖1 三維示意圖Fig.1 3D schematic

內(nèi)總體地勢(shì)南高北地，地勢(shì)陡峭，高山聳立，山脈總體沿南西向延伸。研究區(qū)域（老鷹巖）三維示意圖見(jiàn)圖1，小老鷹巖山體最高標(biāo)高為2 175 m，最低標(biāo)高點(diǎn)位于斜坡下部普灑村的河溝處，標(biāo)高為1 875 m，相對(duì)高差約300 m，坡面坡度為10°～25°，局部地段斜坡坡度可達(dá)55°（圖2）。斜坡上部為陡崖，下部為緩坡，高差約200 m。下部煤系地層二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含煤地層，露頭部位地勢(shì)平緩，一般標(biāo)高在1 700～1 900 m之間，平均標(biāo)高約1 850 m，大部分區(qū)域被第四系覆蓋，主要為耕地及建房用地。研究區(qū)降水范圍為1 270 mm左右，年均降水量為1 238.8 mm。

1.2 地層巖性

普灑崩塌位于張威背斜東南翼。區(qū)內(nèi)發(fā)育F1、F2和F3三大斷裂系。調(diào)查區(qū)域出露巖層由新至老分別為：第四系（Q），下三疊系夜郎組（T1y）、上二疊系長(zhǎng)興-大龍組（P3c+d）、龍?zhí)督M（P3l）。剖面圖根據(jù)圖2中1-1截面，見(jiàn)圖3。

圖2 研究區(qū)平面圖Fig.2 The plane sketch about the study area

研究區(qū)內(nèi)上部為三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）青灰-灰褐色薄至中厚層狀灰?guī)r，發(fā)育三組節(jié)理面：（1）145°∠85°，（2）6°∠80°，（3）200°∠75°；分布于斜坡頂部。中下部（T1y1）為三疊系紫紅、灰色泥質(zhì)粉砂巖，主要分布于斜坡中部。據(jù)調(diào)查，崩塌體后緣頂部有一層20～30 m的土黃色泥巖層出露，泥巖質(zhì)地松散，手可挖動(dòng)。巖性為二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興—大龍組（P3c+d）深灰、灰色泥質(zhì)灰?guī)r分布于洼地以上的陡坡。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）煤系地層出露于斜坡坡腳，斜坡坡度小于10°，巖性為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等軟巖以及煤層。第四系（Q）主要為粘土、砂質(zhì)粘土，厚0～15 m。

1.3 采礦活動(dòng)

礦區(qū)可采煤層分別為M6、M10、M14、M16、M18、M20層。崩塌前已開采3層煤層，分別為M16、M14以及M10，開采順序?yàn)椋篗16-M14-M10。該礦開采歷史主要分生產(chǎn)規(guī)模6萬(wàn)t/年和30萬(wàn)t/年2個(gè)階段。采煤方式為走向長(zhǎng)壁采煤法，炮采工藝，全部垮落法管理頂板。采空區(qū)位置如圖2所示，紅色表示M16煤層，藍(lán)色表示M14煤層，紫色表示M10煤層。3層煤層有多個(gè)工作面，崩塌范圍內(nèi)M16有3個(gè)工作面，M14有3個(gè)工作面，M10有2個(gè)工作面。M16、M14、M10煤層傾角約為7°，頂板巖性為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。M16平均層厚1.60 m，M14平均層厚1.23 m，M10平均層厚2.12 m。

2 普灑崩塌基本特征

2.1 崩塌破壞特征

崩塌發(fā)生后，源區(qū)巖體失穩(wěn)，鏟刮斜坡中部的裂隙化山體，而后進(jìn)一步碎裂，最終以碎屑流的方式向300°～310°方向運(yùn)動(dòng)，堆積于斜坡坡腳及前緣平臺(tái)。斜坡前緣橋邊組及大樹腳組部分居民房屋被碎屑流摧毀掩埋。堆積體形態(tài)受到斜坡前緣小山包阻擋呈不規(guī)則的扇形向兩個(gè)方向堆積。崩塌陡壁后緣海拔約2 120 m，坡腳海拔約為1 922 m，相對(duì)高差約為200 m。崩塌方向的水平長(zhǎng)度約為800 m左右，陡壁坡腳至堆積區(qū)前緣的水平長(zhǎng)度約為660 m，堆積區(qū)平均厚度約為4m。崩塌源區(qū)方量約為49.1×104m3，鏟刮方量約2.1×104m3，堆積區(qū)受鏟刮的方量約為31×104m3，本次崩塌的總方量約為82.4×104m3。根據(jù)無(wú)人機(jī)航拍和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將普灑崩塌堆積區(qū)分為崩塌源區(qū)、下落鏟刮區(qū)、流通停積區(qū)［13］，如圖4（a）所示。

圖4 分區(qū)特征圖Fig.4 Partition feature picture

（1）崩塌源區(qū)

崩塌源區(qū)位于斜坡中上部，崩塌剪出口位于坡頂向下60～90 m處，剪出口附近的主要巖性是粉砂巖和泥灰?guī)r。崩塌源區(qū)上部灰?guī)r溶蝕發(fā)育，可見(jiàn)明顯的凹巖腔。據(jù)無(wú)人機(jī)航拍及野外調(diào)查，崩塌源區(qū)崩落巖體平均高約85 m，寬約145 m，平均厚度約40 m，總方量約49.3×104m3。崩塌物質(zhì)主要為三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）灰?guī)r、泥巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r，如圖4（b）。

（2）下落鏟刮區(qū)

崩塌源區(qū)失穩(wěn)巖體突然崩落后，在巨大的重力勢(shì)能及動(dòng)能作用下沿著坡面不斷向下運(yùn)動(dòng)，沿途鏟刮坡表碎裂巖體及坡面堆積物，鏟刮厚度約1.5 m，鏟刮區(qū)寬約180 m，高80 m，則鏟刮方量約2.1×104m3［13］，如圖4（c）。

（3）流通停積區(qū)

崩塌堆積區(qū)位于斜坡前緣緩坡區(qū)域。主要為村寨和荒地，坡腳前緣約200 m處有一小山包。崩塌體失穩(wěn)傾倒，經(jīng)碰撞、解體、碎裂，最終以碎屑流的方式高速運(yùn)動(dòng)，摧毀了部分居民房屋，造成重大的人員傷亡。堆積區(qū)形態(tài)呈現(xiàn)“魚尾形”，中部較寬，前后緣較窄，延伸方向?yàn)镾W-NE方向，如圖4（d）。

2.2 崩塌過(guò)程分析

崩塌體主要發(fā)生于2017年8月28日上午10點(diǎn)30分許，且崩塌發(fā)生前坡表不時(shí)有塊石崩落。據(jù)斜坡失穩(wěn)過(guò)程的視頻資料顯示，崩塌發(fā)生整個(gè)過(guò)程可以清晰的反映出來(lái)。崩塌發(fā)生后，作者收集了監(jiān)測(cè)員用無(wú)人機(jī)拍攝了崩塌的全過(guò)程的視頻。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視頻影像可將斜坡的變形破壞過(guò)程描述為5個(gè)階段（圖5）。

圖5 崩塌過(guò)程圖Fig.5 Collapse process picture

視頻中清楚地呈現(xiàn)了崩塌前大約7 min的山體變形破壞現(xiàn)象。首先是崩滑災(zāi)害初始階段，見(jiàn)圖5（a）。在0′22″時(shí)，斜坡左側(cè)后緣有石塊擠出，并發(fā)生了小型坍塌。之后1 min內(nèi)斜坡頂部及右側(cè)有多次小崩落，并在2 min時(shí)斜坡中部有破碎塊石墜落。而后是坡面局部崩塌階段。2′24″，斜坡頂部有一小部分巖體塌落，并伴有聲響。經(jīng)過(guò)崩塌源區(qū)右側(cè)坡面多次小崩塌后，崩塌源區(qū)中部巖體進(jìn)一步的碎裂，進(jìn)而發(fā)生小規(guī)模整體垮塌，見(jiàn)圖5（b）、（c）。坡面由右側(cè)小規(guī)模崩塌進(jìn)一步加劇到向坡面中部擠壓變形，說(shuō)明老鷹巖山體在不斷碎裂，應(yīng)力在不斷調(diào)整，開始進(jìn)入大變形階段，見(jiàn)圖5（d）、（e）。進(jìn)入整體失穩(wěn)階段，見(jiàn)圖5（f），在4′26″，斜坡頂部再次發(fā)生大方量崩塌，而后老鷹巖山體變形迅速向斜面右側(cè)、左側(cè)、中部推進(jìn)，并有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)，山體極不穩(wěn)定。由于斜坡坡面變形加劇，崩塌源區(qū)兩側(cè)不斷有崩落體滾落，撞擊坡腳激起白煙。崩塌源區(qū)從南側(cè)到斜坡中部區(qū)域發(fā)育有裂縫，這些裂縫相互連接，向下逐步擴(kuò)展。同時(shí)，斜坡中部發(fā)育有許多垂直裂縫，逐漸在崩塌源區(qū)下部形成一條擠壓破碎帶。最終進(jìn)入斜坡整體潰散階段，見(jiàn)圖5（g），坡體位移快速增加，應(yīng)力發(fā)生系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)變，斜坡在重力作用下滑移-剪出，一瀉而下，帶有高勢(shì)能的崩滑體迅速?zèng)_向坡腳。崩滑體并沒(méi)有僅僅停留在坡腳，而是轉(zhuǎn)化為碎屑流高速推進(jìn)到坡腳居民區(qū)，摧毀了大量的農(nóng)田和房屋。在6′21″的時(shí)候，該事件結(jié)束，僅殘留直立的陡崖壁，見(jiàn)圖5（h）。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

離散元方法可以用來(lái)分析不連續(xù)反傾斜坡變形破壞過(guò)程，能夠揭示斜坡演化過(guò)程和機(jī)制。文中結(jié)合已有地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，建立符合實(shí)際的三維離散元數(shù)值模型（圖6）。模型范圍長(zhǎng)550 m，寬350 m，高335 m?？紤]到模型實(shí)際范圍太大及計(jì)算的可操作性，文中計(jì)算范圍為老鷹巖及坡腳采空區(qū)一帶。巖層賦本構(gòu)模型為M-C彈塑性模型，結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫模型。只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，取重力加速度為10 m·s-2，邊界條件為固定前后（X方向）、兩側(cè)（Y方向）和底面（Z方向），而模型老鷹巖頂部邊界和坡面為自由邊界。模型中Y軸為正表示斜坡東側(cè)，X軸為正表示斜坡內(nèi)部，Z軸為正表示斜坡頂部。

圖6 數(shù)值模型圖Fig.6 Numerical model picture

3.2 參數(shù)確定

模型中巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)所獲取，同時(shí)也參考了已有的成果及地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)綜合獲得［18-21］。各巖層力學(xué)參數(shù)都是室內(nèi)試驗(yàn)及參考前人成果獲得，結(jié)構(gòu)面參數(shù)也是室內(nèi)試驗(yàn)獲得相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，再做相應(yīng)的折減獲得，其中剛度參數(shù)是先通過(guò)結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)再參考經(jīng)驗(yàn)公式擬合得到［22］，如表1～表2所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Rock mechanics parameter value

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值表Table 2 Mechanical parameter value of structural plane

3.3 模擬結(jié)果分析

天然情況下，斜坡上部灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，其中一組陡直節(jié)理與坡面傾向差不多，把臨空破碎巖體和后緣巖體分隔開，在降雨、風(fēng)化、溫差、自重等作用下易形成貫通裂縫，進(jìn)而斜坡失穩(wěn)破壞?；?guī)r巖溶發(fā)育，有落水洞、溶蝕裂隙等，利于雨水滲入弱化節(jié)理強(qiáng)度。斜坡中部厚層泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理也較發(fā)育，可見(jiàn)明顯多組節(jié)理。同時(shí)，斜坡陡峭，加上巖體被節(jié)理切割破碎，易成為崩塌堆積體的物質(zhì)來(lái)源。節(jié)理裂隙附近容易形成應(yīng)力集中區(qū)，加劇斜坡失穩(wěn)破壞。天然情況下，斜坡各巖體、節(jié)理、層面賦予參數(shù)，再進(jìn)行迭代計(jì)算，斜坡能夠達(dá)到平衡，沒(méi)有出現(xiàn)大的沉降，位移沒(méi)有大的變化，證明斜坡天然情況下是穩(wěn)定的，應(yīng)力分布總體平衡，不會(huì)發(fā)生斜坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

根據(jù)3DEC數(shù)值模擬的結(jié)果，崩塌的失穩(wěn)過(guò)程可以很好的反映出來(lái)，可以分為以下4個(gè)階段：坡頂裂縫形成階段、山體局部變形失穩(wěn)階段、斜坡整體失穩(wěn)破壞階段和崩滑堆積階段。

（1）坡頂裂縫形成階段

斜坡節(jié)理裂隙發(fā)育，多組結(jié)構(gòu)面相互交錯(cuò)切割巖體，使得巖體呈碎塊狀，且斜坡三面臨空，這些都是斜坡變形破壞的基本地質(zhì)條件。但是，多煤層的開采是斜坡變形破壞的主控因素。由圖7和圖8可知，隨著煤層的開采，上覆巖體不斷被擾動(dòng)，巖體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行重分布，坡體的應(yīng)力狀態(tài)也進(jìn)行重新調(diào)整，采空區(qū)頂板巖層產(chǎn)生卸荷作用，在重力作用下巖層會(huì)出現(xiàn)輕微變形。隨后多煤層開挖，采空區(qū)的擴(kuò)大，斜坡內(nèi)部應(yīng)力再次重新分布，導(dǎo)致采空區(qū)頂板變形加劇，引起坡體表面以及坡頂出現(xiàn)多條裂縫，巖體趨向碎裂化，這與圖7中現(xiàn)場(chǎng)斜坡變形情況比較吻合，坡頂形成了多條裂縫。坡頂出現(xiàn)明顯的變形，最大位移達(dá)到了5 m，且坡頂位移大小不一，說(shuō)明坡頂巖體產(chǎn)生了不同程度的錯(cuò)動(dòng)，坡體開始出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。

（2）山體局部變形失穩(wěn)階段

煤層開采完后，斜坡巖體應(yīng)力會(huì)重新調(diào)整，煤層頂板因失去支撐向下下沉，逐漸形成采空塌陷區(qū)。這個(gè)階段重力起著重要的作用，其對(duì)巖體的作用力可以理解為垂直方向和水平方向的合力。垂直方向分力垂直于巖層層面，使得上覆巖體產(chǎn)生不均勻沉陷變形，上覆巖體強(qiáng)度降低到小于重力垂直方向分力，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，巖體趨向于破碎，從而整個(gè)坡體向下發(fā)生不均勻沉降，坡頂也發(fā)生強(qiáng)烈變形，出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，重力的水平分力推動(dòng)巖體向臨空面方向運(yùn)動(dòng)，坡體裂縫進(jìn)一步變寬邊長(zhǎng)，向下擴(kuò)展，坡表巖體更加破碎。整個(gè)坡體不斷的發(fā)生不均勻沉降，且臨空面附近沉降量值大，巖塊有向臨空面傾倒趨勢(shì)，往坡內(nèi)沉降值相對(duì)減小。

圖7 斜坡變形圖Fig.7 Slope deformation picture

圖8 斜坡變形整體位移圖Fig.8 The overall displacement of slope deformation

圖9 坡面變形圖Fig.9 Slope deformation picture

圖10 山體局部變形階段整體位移圖Fig.10 The overall displacement of the hollowing collapse phase

圖11 斜坡失穩(wěn)圖Fig.11 Slope instability picture

圖12 斜坡失穩(wěn)整體位移圖Fig.12 Slope instability overall displacement picture

據(jù)調(diào)查，2016年老鷹巖山體受到地下開采擾動(dòng)，山體變形劇烈，從而山體右側(cè)發(fā)生小規(guī)模崩塌，坡面也不時(shí)出現(xiàn)落石。由圖9和圖10所示，當(dāng)?shù)鷷r(shí)步增加到27 000步時(shí)，坡頂變形更加劇烈，坡頂位移在2.5～7 m之間，不均勻沉降明顯，出現(xiàn)了多條裂縫，巖體更加碎裂化。斜坡整體也發(fā)生了不均勻沉降，采空塌陷區(qū)影響范圍不斷向坡頂延伸，導(dǎo)致坡頂拉裂縫不斷增多變寬，坡體整體開始向下發(fā)生不均勻的沉降，坡表巖體沿著拉裂縫不斷向臨空方向移動(dòng)，易產(chǎn)生傾倒破壞，這與圖9中斜坡實(shí)際變形范圍比較一致。圖10也顯示坡表巖體產(chǎn)生位移，巖體趨向碎裂化，開始脫離坡表，沿著坡面掉落，形成小崩塌，說(shuō)明坡表變形劇烈，這與崩塌前發(fā)生過(guò)小崩塌現(xiàn)象相吻合。

（3）斜坡整體失穩(wěn)破壞階段

采空區(qū)頂板塌陷后，其影響范圍逐漸向坡頂方向發(fā)展，采空區(qū)被充滿，坡體的不均勻沉降也在不斷擴(kuò)大直至結(jié)束。不均勻沉降影響范圍逐漸擴(kuò)大，山體局部變形進(jìn)一步加劇，使得向外傾倒的趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯，坡頂及坡面間巖體多組節(jié)理裂隙與層面相互作用發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)理裂隙張開度變寬并趨向碎裂化。當(dāng)運(yùn)行至52 000步，圖11和圖12顯示破碎巖體與后緣穩(wěn)定巖體被裂縫分割開，巖體向臨空面發(fā)生傾倒破壞，坡頂裂縫不斷被拉開，拉開間距不斷變大，漸漸與坡體內(nèi)部節(jié)理貫通，使得巖體變形劇烈。同時(shí)，坡體巖體破碎，并開始產(chǎn)生大位移，最大可達(dá)94 m，巖塊大規(guī)模潰散、松動(dòng)，由表及里，向下滾落或墜落，這與崩塌視頻中影像相一致，見(jiàn)圖5（g）。當(dāng)山體向臨空面傾倒變形不斷加劇時(shí)，在重力的作用下，山體失穩(wěn)掉落，斜坡內(nèi)部巖體也逐漸失穩(wěn)，坡頂巖體也失去支撐掉落，斜坡發(fā)生變形破壞，形成大規(guī)模崩塌。崩落體在向下滾動(dòng)的過(guò)程中相互碰撞，逐漸解體，堆積于坡表前緣。形成陡崖面。

（4）崩滑堆積階段

山體變形劇烈，斜坡失穩(wěn)潰散，上部巖體崩落，堆積于坡腳。由于斜坡高陡，崩塌體重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為巨大的動(dòng)能，斜坡快速失穩(wěn)滑動(dòng)，傾滑而下，鏟刮斜坡中下部的松散坡積物，向斜坡前緣高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)?50 000步時(shí)，圖13和圖14顯示，崩塌塊體間受到?jīng)_擊和碰撞作用，崩塌體進(jìn)一步解體、碎裂，而后以碎屑流方式高速運(yùn)動(dòng)，位移值也發(fā)生激增，最終呈現(xiàn)“馬鞍形”堆積于斜坡前緣，中部較寬，前后緣較窄。由于坡腳緩坡處有一個(gè)小山包，崩塌體運(yùn)動(dòng)到此處出現(xiàn)分流情況，大部分崩塌體向兩個(gè)方向呈不規(guī)則扇形堆積，少部分崩塌體出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象堆積于小山包上。由圖13所示，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖比較吻合。

圖13 崩滑堆積圖Fig.13 Collapse stacking picture

圖14 堆積階段位移圖Fig.14 Stacking stage displacement picture

4 討論

運(yùn)用3DEC數(shù)值模擬分析普灑崩塌，可以很好的揭示崩塌的形成，再現(xiàn)崩塌發(fā)生整個(gè)過(guò)程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)崩塌視頻和數(shù)值模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)3DEC模擬的崩塌過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)視頻影像分析結(jié)果具有較好的一致性。同時(shí)，該類災(zāi)害具有一定的特征：

（1）高陡的地形為斜坡提供良好的臨空條件。老鷹巖山體高陡，坡度為上陡下緩，三面臨空，易產(chǎn)生向臨空面傾倒破壞。

（2）地層巖性為上硬下軟型地層組合。普灑斜坡上部為灰?guī)r，屬于硬巖；下部為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤層，屬于軟巖，具有典型的上硬下軟“二元結(jié)構(gòu)”。下部軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)較低，而上部硬巖力學(xué)強(qiáng)度高，容易導(dǎo)致上覆巖體擠壓下部巖體產(chǎn)生變形破壞。

（3）巖體發(fā)育有三組陡傾結(jié)構(gòu)面，切割山體。巖體內(nèi)發(fā)育3組節(jié)理面：第1組結(jié)構(gòu)面將后緣穩(wěn)定巖體與源區(qū)失穩(wěn)巖體切割開；第2組結(jié)構(gòu)面將南側(cè)的小老鷹巖陡壁與崩塌源區(qū)失穩(wěn)巖體切割開；第3組結(jié)構(gòu)面構(gòu)成崩塌源區(qū)的原始臨空面，3組結(jié)構(gòu)面的切割，使斜坡內(nèi)部巖體被切割成破碎的不規(guī)則的“三棱柱體”，構(gòu)成塊體的來(lái)源。且結(jié)構(gòu)面陡傾，不利于巖體的穩(wěn)定性。

（4）地下采空加速上覆巖層彎曲變形，巖層節(jié)理裂隙擴(kuò)張，上覆巖層出現(xiàn)“懸臂效應(yīng)”。地下采動(dòng)作用下，斜坡頂部巖體逐漸向臨空方向變形，使得裂縫沿結(jié)構(gòu)面追蹤發(fā)展，逐漸拉開，向下發(fā)展，形成貫通性的潛在滑面。

文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和3DEC數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，地下開采是誘發(fā)普灑崩塌的主要因素。地下開采引起坡體內(nèi)部的應(yīng)力重分布，上覆巖體產(chǎn)生塑性變形，逐漸形成塌陷帶，隨著時(shí)間推移，坡頂出現(xiàn)明顯變形，拉裂縫變大變寬，巖體愈加破碎，加劇巖體向臨空方向傾倒破壞，斜坡失穩(wěn)破壞。而斜坡高陡，上部巖體失穩(wěn)潰散后傾滑而下快速堆積于下部緩坡處，崩塌體經(jīng)過(guò)沖擊作用、鏟刮作用和重力荷載突然增大產(chǎn)生巨大的動(dòng)能，以高速碎屑流的形式失穩(wěn)滑坡堆積于斜坡前緣。因此，普灑崩塌的變形破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段，即坡頂裂縫形成階段、山體局部變形失穩(wěn)階段、斜坡整體失穩(wěn)破壞階段和崩滑堆積階段。

此外，普灑斜坡變形跡象比較復(fù)雜，崩塌發(fā)生前發(fā)生過(guò)多次小型崩塌。地下開采影響斜坡變形和后緣裂縫發(fā)展過(guò)程都還是需要解決的問(wèn)題，需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)視頻中清楚地呈現(xiàn)了崩塌發(fā)生前約7 min的山體變形破壞現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視頻影像可將崩塌過(guò)程分為5個(gè)階段；崩滑災(zāi)害初始階段、坡面局部崩塌階段、斜坡大變形階段、斜坡失穩(wěn)階段和斜坡整體潰散階段。

（2）地下開采是誘發(fā)普灑崩塌的主要因素。采用3DEC模擬斜坡在地下開采作用下的變形破壞后運(yùn)動(dòng)情況，清楚地展現(xiàn)了斜坡失穩(wěn)潰散的整個(gè)過(guò)程。且后崩塌過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)視頻影像以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果具有較好的一致性。地下開采引起采空區(qū)頂板塌陷，導(dǎo)致斜坡出現(xiàn)不均勻沉降，坡頂變形劇烈，產(chǎn)生拉裂縫；坡表巖體也愈發(fā)破碎，山體局部變形失穩(wěn)，巖體開始脫離坡表，沿著坡面掉落；而后山體變形劇烈，使得斜坡發(fā)生傾倒式破壞，斜坡失穩(wěn)潰散，形成大規(guī)模崩塌。

（3）普灑崩塌的主要過(guò)程為：煤礦的開采過(guò)程中，斜坡受到擾動(dòng)，加劇巖體產(chǎn)生變形，上覆巖體出現(xiàn)開裂塌陷現(xiàn)象，坡頂出現(xiàn)拉裂縫；采空區(qū)形成后，整個(gè)坡體出現(xiàn)不均勻沉降，裂縫進(jìn)一步向下擴(kuò)展，巖體破碎趨向臨空面傾倒，開始脫離坡表，形成小崩塌；坡頂巖體變形劇烈，斜坡整體失穩(wěn)，發(fā)生大規(guī)模崩塌；崩塌塊體間沖擊-鏟刮作用，崩塌體以高速碎屑流的方式向下滑動(dòng)，并堆積于坡腳前緣。

（4）普灑崩塌堆積體呈“馬鞍形”堆積于斜坡前緣。由于崩塌塊體間沖擊作用和鏟刮作用，崩塌體產(chǎn)生巨大的動(dòng)能，以碎屑流方式沿坡面高速向下運(yùn)動(dòng)；在斜坡前緣遇到一個(gè)小山包，崩塌體就沿兩側(cè)方向滑動(dòng)，堆積于兩側(cè)，具分流現(xiàn)象，堆積于山包兩側(cè)，只有少數(shù)崩塌體爬坡，堆積于小山包上。