山區平緩采動斜坡裂縫成因探討范文

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《工程地質學報》2016年第5期

摘要：

西南山區采動斜坡多具有高陡臨空地形、“上硬下軟”坡體結構、巖層平緩、陡傾節理面發育、開采活動強烈等特點，往往發育與采空區邊界對應的寬大裂縫，未見明顯的移動盆地，形成機制復雜。本文以貴州都勻市接娘坪變形體為例，通過數值模擬分析了采動斜坡裂縫成因機制。研究結果表明，受坡體內煤層采空及高陡臨空地形影響，斜坡覆巖沿陡傾節理開裂并一直向上延伸到地表，隨著重復采動的進行，裂縫開裂程度增大，有向臨空面傾倒破壞的趨勢，斜坡未形成明顯的沉陷盆地。斜坡裂縫形成演化過程包括開采擾動－坡頂拉裂－裂縫加劇等3個階段，斜坡在多煤層重復采動條件下裂縫變形經歷4個階段，即初始變形階段、緩慢變形階段、急劇變形階段、穩定變形階段。

關鍵詞：

平緩斜坡；重復采動；采動裂縫；成因機制

0引言

西南山區地下礦產如煤礦、磷礦等非常豐富，常常需要在斜坡內進行地下開采活動。西南山區采動斜坡多呈現以下特點(李騰飛等，2012):高陡臨空地形，“上硬下軟”坡體結構，巖層傾角多為小于10°，坡體中陡傾節理面發育;坡體下部開采活動強烈。山區地下開采往往使得坡表形成多條寬大的邊界裂縫，在外在因素如降雨的作用下，斜坡就會失穩破壞，甚至會形成泥石流。因地下開采誘發斜坡變形開裂甚至失穩的實例也日益增多，國內的鹽池河崩塌、雞冠嶺崩塌、雞尾山滑坡等都是采動斜坡失穩災害的典型實例(孫玉科等，1983a，1983b;黃潤秋，2007;許強等，2009)。研究地下開采誘發斜坡變形裂縫的成因機制問題顯得非常重要。為此，學者們在研究山區地下開采誘發斜坡變形裂縫形成機制問題上做了有益的探索。孫玉科等(1983a，1983b)在詳細分析礦山地質環境條件基礎上，結合有限元數值模擬和低摩擦實驗，發現鹽池河崩塌首先沿巖層傾向滑動然后倒塌，因而提出鹽池河山體變形裂縫形成機制為滑移－傾倒;陳明東等(1991)認為三峽鏈子崖危巖體變形失穩機制非常特殊，即以西端為支點，危巖體沿層面發生視傾向的旋轉滑動，提出鏈子崖危巖體變形開裂形成機制為旋轉滑移－拉裂，炭質頁巖層和煤層是危巖體滑坡的主控面;劉傳正等(1995)，劉傳正(2010)通過多年研究認為，鏈子崖危巖體發展取決于3個因素，一是貫通性良好的豎直節理或斷層，二是地形上高陡臨空，三是煤層大面積采空，提出用“轉動－傾覆破壞”機制解釋鏈子崖危巖體裂縫群分布特征，豎直方向上“懸板作用”是發生轉動－傾覆破壞的根本原因，同時認為斜坡內部大面積采空是雞尾山山體大規模開裂的原因。20世紀80年代至21世紀初學者們在礦山開采誘發斜坡變形失穩機制方面的研究有力地推導了人們對于這一特殊地質災害體的認識。2009年6月5日重慶雞尾山發生山體崩塌，其獨特的災害形成機理引起了學者和科研人員的研究興趣和探索。許強等(2009)認為雞尾山山體裂縫形成機制為拉裂－蠕滑，提出了斜坡變形失穩的“關鍵塊體”觀點。劉傳正(2010)認為地形上高陡，斜坡內部大面積采空是雞尾山大規模拉裂的主要原因，山體在視滑力作用下，克服滑面摩擦力和前緣抗剪力，先滑后崩。李騰飛等(2012)認為雞尾山斜坡在采礦因素影響下發生指向采空區的整體性移動變形，變形失穩機制為“先崩－后滑－剪斷破壞”。學者們對于雞尾山斜坡變形失穩研究為認識山區開采變形裂縫形成機制提供了新角度。與山區開采裂縫不同，平原地區往往會形成移動盆地，裂縫的形成、發展及分布規律均有所不同，姚娟等(2009)通過實地監測數據研究發現，煤礦開采后地表出現大量動態裂縫，主要分布在采空區邊界和工作面推進位置上方，裂縫由小到大逐漸增加，而后逐漸穩定到一定范圍。王來貴等(2010)采用拉張破裂有限元程序模擬了平原地區不同開采深度及范圍時采動裂縫演化過程，證實了前人的研究成果。與平原地區相比，山區采動斜坡未出現明顯的移動盆地，往往發育與采空區邊界對應的寬大裂縫，特殊的地質環境條件導致其形成機制復雜，已有的研究非常有助于人們認識山區斜坡裂縫成因機制，對于山區礦山崩滑地質災害預測預警和控制工作開展有著重要意義。但對于巖體結構和重復采動影響斜坡變形破壞機制方面研究還需進一步深入，對于重復采動條件下山區斜坡變形裂縫形成過程和階段的認識還需進一步探討。本文以貴州都勻市接娘坪變形體為例，在現場工程地質調查基礎上，分析了斜坡裂縫發育特征，利用數值模擬方法探討了重復采動和巖體結構對于斜坡變形裂縫形成的影響，研究了斜坡寬大裂縫成因機制，為山區平緩采動斜坡變形研究和評價提供借鑒。

1地質環境背景

接娘坪變形體位于貴州黔西南州都勻市毛尖鎮富溪村，該變形體為橫向斜坡，東側、南側、南西側三面臨空，巖層近南北傾向，呈上硬下軟結構。從60年代開始，先后由都勻縣煤礦、青山煤礦等在該區域進行規模開采，開采歷史長，由于多年開采形成了大面積采空區，斜坡變形開裂嚴重，山體坡頂形成多處裂縫。研究區位于黔南臺陷貴定南北向構造變形區富溪斷層上盤，處于貴定向斜和都勻向斜之間，以SN向擠壓構造為主(王玉川等，2013)。斜坡下部出露地層為泥盆系上統及石炭系下統的中至厚層灰巖;上部為石炭系下統祥擺組(C1x)砂巖、炭質頁巖、頁巖、煤系巖層。斜坡內可采煤層有3層(從上到下編號依次為A4，A9，A7)，A7和A9為可規模開采的煤層，煤層厚1.7～3.5m，A4為民采煤層，煤層較薄，為0.9～1.3m。第四系由殘坡積物、崩落物堆積及沖積物組成，主要分布在斜坡頂部，厚0.5～1.5m;地層總體為一單斜構造，傾向為315°～345°，傾角8°～10°。斜坡內水文地質條件簡單，賦存基巖裂隙水，降雨是變形體主要的充水因素。接娘坪變形體變形劇烈，形成了4條寬大主裂縫及次級裂縫(圖1)。“接娘坪”變形體總體呈NNW向展布，南北向最大長度230m，東西向最大長度300m，變形體投影平面面積達4.5×104m2，邊界范圍清晰，變形體的后緣以坡頂主裂縫LF4為界，前緣則以主裂縫LF2、LF3為界，右側緣則以主裂縫LF1為界(圖2)。變形體下方有3層采空區，其中一層為民采采空區。根據現場地質調查，接娘坪變形體4條主裂縫(LF1、LF2、LF3、LF4)已完全連通，它們是接娘坪變形體系中的控制性裂縫，延伸長度在幾十至幾百米不等，張開寬度在幾十厘米至數米之間，裂縫LF4最寬達9.5m;除了這4條主裂縫外，還有9條規模較小的次級裂縫及若干條分支裂縫，這些裂縫延伸長度在十幾米至幾十米之間，張開寬度在數厘米至數米之間。斜坡內發育3組優勢結構面:①陡傾結構面，N55°～75°E/NW∠81°～86°，平直微粗糙，間距2～3m，裂隙張開2～6cm，未見充填;②陡傾結構面，N27°W～N20°E/NE～SE∠81°～86°，平直微粗糙，間距2～3m，裂隙張開2～5cm;③陡傾結構面，S62°～77°E/NE∠82°～87°，平直微粗糙，間距2～3m，裂隙閉合，鈣質膠結，干燥。通過走向玫瑰花圖可以看出裂縫沿N27°W～N15°W及N89°W～N67°W最為發育(圖3)。裂縫優勢走向與斜坡內發育的優勢結構面走向基本一致。

2斜坡裂縫成因分析

接娘坪變形體是在特殊的地質環境條件下形成的，接娘坪斜坡為單面山，斜坡上陡下緩，變形體發育坡段為陡－緩－陡相間，斜坡“上硬段”石英砂巖存在多層頁巖、煤層夾層，“下軟段”炭質頁巖存在與煤層互層，特殊的坡體結構對上覆脆性巖體的變形和穩定不利(圖4)。接娘坪斜坡幾乎三面臨空(東側、南側、西北側臨空)，這為“上硬下軟”型陡坡變形裂縫的發生、發展提供了空間。臨空面的形成會使得巖體產生向外的卸荷回彈變形，卸荷回彈時會產生殘余拉應力，導致原有裂隙進一步變形擴展。由于長期開采，斜坡內形成了大范圍的采空區，對接娘坪變形裂縫的形成起了決定性作用。斜坡內煤層地下采掘采用的是走向長壁法，隨著開采的進行，采空區頂板上方會出現壓應力集中，兩側煤壁上方及以外區域的主應力出現差異，這種應力的調整和重分布會引起采空區覆巖張拉破壞、離層，甚至會發生冒落(徐永圻，1999;Bradyetal．，2006)進而沿結構面和裂隙發生剪切和滑移。隨著作業面不斷推進，采空區不斷增大，拉裂不斷擴大。按巖層移動變形性質，山區斜坡地下采動巖層內部可分為4個變形區(圖5)，上覆巖體頂板以上會出現拉伸區，兩側會出現拉伸和壓縮區(湯伏全，1989)。地表變形裂縫的形成及急速發展均出現在地下采煤活動之后，而且裂縫的走向與采空區邊界也是有密切的對應關系。斜坡特殊的坡體結構、臨空面條件及長期地下采煤活動，使得坡體中拉張變形裂縫發育并沿陡傾結構面急速發展、貫通，將坡體切割成大型塊體。

3數值模擬分析

為分析斜坡采動后應力特征情況，采用FLAC3D軟件計算了A—A'剖面斜坡重復采動后的應力情況。模型邊界采用速度約束條件，坡表為自由。計算采用摩爾－庫侖彈塑性屈服準則，初始地應力僅考慮重力，模型共有砂巖、頁巖及煤巖3種巖性，模型計算參數(表1)。開采后坡頂區域出現貫通的拉應力區，在坡表前緣和后緣出現了較大的拉應力，影響深度達到A4民采煤層，最大值約為1.0MPa。考慮到巖體風化及節理裂隙發育，巖體已經被拉裂，中部拉應力較小，最大值約為0.5MPa，坡表拉應力呈現“兩端大，中間小”的特征，這與斜坡走向剖面上兩端有較大裂縫，中間未見明顯裂縫情況較為符合(圖6)。開采后，上下煤層之間的區域出現貫通性塑性區，破壞形式以剪切破壞為主。位于采空區頂板及坡面區域巖體受剪切－張拉復合作用，主要以張拉破壞為主，伴有剪切破壞。而斜坡后緣坡頂區域變形破壞則以張拉破壞為主(圖7)。為進一步分析巖體結構及重復采動對斜坡裂縫形成的影響，采用3DEC軟件建立了斜坡典型剖面的離散元模型。模型節理間距取8～24m，其中硬巖節理間距取18～24m，軟巖節理間距取8～12m，節理按優勢結構面②進行模擬，模型計算參數(表1)。假定斜坡巖土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則，計算模型底部邊界固定，即節點3個坐標軸方向的速度為零;模型左右下部邊界水平方向固定，上部及斜坡坡表邊界為自由邊界。研究區內A4、A9、A73層煤層開采可分為3個時期，其開采工況設計如下:A7煤層分為三步開挖，即A7-01和A7-02、A7-03;A9煤層分為三步開挖，即A9-01和A9-02、A9-03;A4民采煤層分為一步開挖，即A4-01;開采順序為:A7-01→A9-01→A7-02→A9-02→A7-03→A9-03→A4-01(圖8)。斜坡開采初期，煤層頂板開始出現拉裂和離層現象，之后頂板彎曲下沉，沿節理面也產生拉裂，地表此時均未受到明顯影響(圖9a)。開采中期，采空區頂板均發生嚴重冒落，影響范圍已經延伸地表，采空區覆巖變形呈中心對稱形式，兩側向采空區中心傾向變形(圖9b)。開采結束后，A4煤層采空區覆巖變形開裂嚴重，其右側發育有延伸到地表的裂縫，該裂縫呈現上寬下窄“V”字型，與實際坡頂接娘坪變形最大的裂縫LF4對應(圖9c)。接娘坪斜坡第四系覆蓋層薄，基巖裸露，陡傾節理發育，臨空條件有利，斜坡變形裂縫演化規律與平原地區有很大不同，并未出現明顯的移動盆地和邊界角。開采后，采空區邊界沿陡傾節理面向坡表延伸開裂，隨著采動的持續進行，邊界處向采空區與臨空面方向的傾倒拉裂縫不斷擴大，形成了接娘坪變形體寬大的邊界裂縫。離散元數值模擬計算時，坡表設置了11個個監測點，分別為B01～B11，通過監測點X及Y方向位移與開挖時步的關系曲線圖可知(圖10，圖11)，坡表水平及下沉移動總體也可以劃分4個階段，即初始變形階段、緩慢變形階段、急劇變形階段、穩定變形階段。開采初期，斜坡坡表位移較小;開采中期，變形急劇增大，以下沉位移為主;開采后期，各監測點位移呈穩定收斂趨勢，表明此時斜坡變形已趨于穩定，裂縫緩慢擴展。

4斜坡裂縫形成機制

結合接娘坪變形體裂縫成因與數值模擬分析，認為平緩采動斜坡裂縫形成可分為以下3個階段:

(1)開采擾動階段。由于煤層地下開采，擾動了采空區上覆巖體，采空區覆巖在采動應力場和自重應力場共同作用下產生變形，頂板處形成彎曲下沉裂縫、覆巖出現離層等現象，邊界處出現“V”型拉裂縫(圖12a)。

(2)坡頂拉裂階段。煤層開采一段時間后，采空區頂板的原有支撐逐漸受到破壞或者撤除，采空區頂板冒落和彎曲下沉，采空區覆巖自下而上形成冒落區與裂縫區，并迅速沿陡傾結構面向上延伸，隨著變形的繼續發展，在采空區邊界對應的坡頂形成較大裂縫(圖12b)。

(3)變形加劇階段。煤層停采一段時間后繼續在其他區域進行開采，同時民采煤層強度也開始加強，采空區頂板的冒落區和裂縫區繼續擴大，采空之間的保留煤柱不能承受應力集中而被壓碎，民采活動距離坡頂較近，這些因素加劇了覆巖向采空區方向移動，原有的坡頂裂縫增大。受臨空面和采空區的影響，山體右側的坡頂開始出現朝向右側臨空面的裂縫(圖12c)，停采后斜坡趨于穩定，裂縫擴展趨于停止，斜坡GPS自動化監測表明，斜坡目前變形趨于穩定(史文兵等，2014)。

5結論

(1)接娘坪變形體屬于在平緩斜坡內由于地下采煤誘發的一種災害體，其具有西南山區采動斜坡相似特點:高陡臨空地形，“上硬下軟”坡體結構，巖層傾角多為小于10°，坡體中陡傾節理面發育，坡體下部開采活動強烈。

(2)接娘坪變形體裂縫數量多，延伸方向大多沿已有優勢結構面展布，裂縫分布大致在采空區上方或采空區邊界對應部位。特殊的坡體結構、臨空面條件及長期地下采煤活動，使得坡體中拉張變形裂縫發育并沿陡傾結構面急速發展、貫通，將坡體切割成大型塊體。

(3)數值模擬研究表明，“上硬下軟”型緩傾層狀斜坡，受坡體內采空及高陡臨空地形影響，斜坡覆巖沿節理開裂并一直向上延伸到地表，隨著重復采動的進行，裂縫開裂程度增強，有向臨空面傾倒破壞的趨勢。與平原地區采動裂縫相比，山區采動斜坡沒有明顯的沉陷盆地，采空區邊界處的寬大裂縫形成與地表第四系覆蓋層薄、基巖陡傾節理發育、有利的臨空面、重復采動等有關。

(4)斜坡裂縫形成演化過程包括開采擾動－坡頂拉裂－裂縫加劇3個階段，在多煤層重復采動條件下斜坡裂縫變形經歷4個階段，即初始變形階段、緩慢變形階段、急劇變形階段、穩定變形階段。上述觀點是基于以接娘坪變形體為背景的概化模型得出的，供學術研究參考。

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作者:史文兵 黃潤秋 趙建軍 巨能攀 向喜瓊 單位:地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 貴州大學資源與環境工程學院 貴州大學貴州省喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室