緩傾煤層采空區滑坡形成機制數值模擬研究

趙建軍,肖建國,向喜瓊,黃潤秋,王玉川,史文兵,

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都 610059;2.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室,貴州貴陽 550003)

緩傾煤層采空區滑坡形成機制數值模擬研究

趙建軍1,肖建國1,向喜瓊2,黃潤秋1,王玉川1,史文兵1,2

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都 610059;2.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室,貴州貴陽 550003)

以貴州都勻馬達嶺滑坡為例,采用離散元方法,研究了緩傾煤層采空區滑坡的變形發展過程,提出了該類礦區滑坡防治建議。研究結果表明:采空區頂板塌陷導致上覆巖層彎曲－沉陷,地表產生沉降變形,同時采空區邊界部位產生傾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空區上部巖體沉陷變形導致坡腳部位巖層往坡外剪切滑移;中部滑面沿變形后傾向坡外的層面和陡傾節理組合形成階梯狀滑面?；滦纬蓹C制可概括為由采空區頂板變形引發的階梯狀蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。緩傾煤層采空區滑坡的防治應從防止采空區頂板塌陷入手,通過回填矸石或加強頂板的永久支護來防治采空區上覆坡體的變形。

采空區;采礦滑坡;離散元模擬;形成機制

地下礦產的開采可能誘發崩塌、滑坡、泥石流和生態環境惡化等次生地質災害,造成重大人員傷亡和經濟損失。例如,1903年加拿大Alberta省西南部發生的Frank滑坡形成3×107m3的滑坡體,導致76人死亡[1]。1966年,英國南威爾士Aberfan滑坡造成144人遇難。此外,德國Balkema礦區、澳大利亞Porgera礦山、湖北宜昌鹽池河磷礦區、陜西韓城象山滑坡等都與地下開采有關[2]。因此研究采空區滑坡機制對預測和防治類似滑坡具有極其重要的意義。

采空區滑坡研究目前多采用監測資料分析、數值模擬和物理模擬等方法[3－8]。Forrester等對Aberfan滑坡進行的地質條件、開采沉陷規律、地質結構和時間效應進行了分析[9]。Jones等采用物理模擬和數值模擬方法研究了南威爾士淺表層滑坡,表明開采導致頂板產生拉應力[10]。Benko采用有限差分和離散元方法,研究了不同開采深度、開采方式以及構造特征對邊坡變形破壞的影響[11]。國內湯伏全等通過對象山采動滑坡的研究,分析了采動引起的斜坡應力場的變化,總結出采動滑坡形成的有利地勢和巖性特征[12－13];潘宏宇等應用極限平衡理論和數值模擬分析柏林煤礦工業廣場南翼滑坡的穩定性,預測了開采引起地表移動變形[14－15];崔杰等通過物理模擬分析了地形地貌和巖土體特征對采動滑坡的影響[16];周宏偉等結合物理模擬研究了覆巖采動裂隙的分布和發育特征,并分析了裂隙長度與數量的分維與工作面推進長度之間的關系[17]。

貴州省馬達嶺滑坡屬典型的緩傾角煤層采空區變形誘發形成的巖質滑坡,目前滑坡東側仍存在大規模變形體,存在失穩的可能。筆者以貴州省馬達嶺滑坡為例,在地質調查的基礎上,通過離散元模擬研究了緩傾角采空區上覆巖體變形特征及其對滑坡的影響,在已有研究成果[18]基礎上進一步加深了對該類滑坡形成機制的認識,研究結果對于預測變形體破壞模式、指導該類礦區地質災害防治具有重要意義。

1 滑坡工程地質條件

馬達嶺滑坡位于貴州省都勻市江州鎮,發生于2006－05－18T04:00?；聟^地形東南低西北低,滑坡位于SW—SN向山脊的南東側?；虑捌马敻叱虨? 550 m,坡腳高程為1 390 m,高差達160 m,滑坡剪出口高程為1 400 m?；掳l生后,滑體劇烈撞擊并鏟刮下游左岸小山坡,偏轉近90°后,高速運動的碎屑流沿溝谷向下游運動,形成了長約1.5 km的碎屑流堆積,淹沒農田13 334 m2以及干壩寨子門前的水溝,所幸無人員傷亡,如圖1,2所示。

圖1 馬達嶺滑坡全貌Fig.1 Photo of madaling landslide

圖2 馬達嶺滑坡工程地質平面Fig.2 Engineering geological plan of the Madaling landslide

研究區大地構造位置位于揚子準地臺次級構造單元黔南臺陷、貴定南北向構造變形區之南東部,地層總體為一單斜構造。在構造演化過程中經歷了多次地殼運動和構造活動,使區內構造復雜多樣,并且具有多期性、疊加性[19]。巖體受構造影響較破碎,完整性較差。貴州屬于中亞熱帶季風氣候,年降雨量基本一致,每年4—9月是雨季,年平均降雨量均在1 100 mm以上,最多可達1 431.1 mm[20]。

斜坡上覆第四紀碎石土,下部基巖裸露,巖性復雜,呈軟硬相間,主要為祥擺組(C1x)中厚層狀砂巖與炭質頁巖(或煤系地層)互層,巖層產狀為292°∠10°。如圖2所示,滑體平面形態呈長條形,長257 m,最寬115 m。滑坡后壁由走向為NNE和NWW的兩條陡壁組成,可見長度分別為250 m和76 m,陡壁高150 m?；轮骰较?72°,平面面積3 hm2,滑面深度40～60 m,體積約1.90×106m3。

滑坡區采煤歷史可追溯到20世紀50年代,大規模采煤自20世紀70年代開始,至2003年煤礦關閉,采煤歷時50 a。可采煤層主要有2層:煤層A7高程1 360 m,厚度1 m;A9位于高程1 400 m,厚度1.83 m,形成了大面積采空區,如圖2所示。開采方法為走向長臂式采煤法,方向為沿煤層走向由坡內向坡外,采空區長度為200 m左右[21]。

2 滑坡結構特征

根據現場調查,建立了如圖3所示的馬達嶺滑坡前地質模型。自然斜坡坡向112°,地形上陡下緩,煤層發育部位一般發育較大緩坡或平臺,高度200 m左右。馬達嶺斜坡是由硬巖(石英砂巖)、軟巖(炭質頁巖和煤層)組成的軟硬互層結構反傾斜坡。軟巖風化強烈,巖體破碎呈碎裂結構;硬巖中節理發育,總體上呈次塊狀結構。根據巖性組合特征,將斜坡可劃分為2個部分(圖3):I區位于斜坡上部,為厚層硬巖夾薄層軟巖,巖性以硬巖為主;II區位于下部,為薄層軟硬巖互層,巖體較破碎。受巖體結構特征控制,上部硬巖發育部位形成坡度30°～40°的陡坡,下部軟巖發育部位形成坡度15°的平緩地形。

圖3 滑前斜坡工程地質剖面(A—A′剖面)Fig.3 Engineering geological profile before sliding(A—A′section)

巖體主要發育兩組節理,產狀分別為125°∠82°(節理1)和210°∠85°(節理2),節理面較平直,間距20～50 cm不等,這兩組節理將石英砂巖切割形成形態較為規則塊狀體。由結構面赤平投影圖(圖4)可知,天然條件下結構面組合有利于斜坡穩定,但該兩組節理可分別形成巖體變形破壞的側邊界和后緣邊界。

3 采空區變形離散元模擬

由于采煤方法為走向長壁式采煤法,沿走向方向和傾向方向形成采空區邊界,為了研究滑坡邊界與采空區之間的關系,分別沿滑坡主滑方向(A—A′)和巖層走向(B—B′)、傾向(C—C′)方向建立3個二維地質模型,采用二維離散元軟件(UDEC)[22]模擬采空區巖體變形破壞特征,為滑坡的變形破壞機制分析提供依據。

3.1 幾何模型的建立

為簡化計算,根據實際地質結構模型,按照1∶10的比例建立了計算模型,模型中厚層狀砂巖層厚15 m,薄層狀巖層厚3 m,節理間距取4 m。采空區以下巖層對坡體變形無影響,不考慮節理。根據現場調查,滑坡前的大規模變形主要發生在2003年停采后,因此數值模擬中考慮將A7和A9煤層一次性挖除。A—A′模型總長406 m,高168 m;B—B′模型總長492 m,高232 m; C—C′模型總長405 m,高170 m。

3.2 材料物理力學參數

材料選取為彈塑性力學模型,強度準則為Mohr－Coulomb準則。巖體及結構面物理力學參數來源于室內試驗[23]、工程地質類比[24－26]。巖體體積模量K和剪切模量G由式(1)[27]計算取得,數值模擬所得物理力學參數見表1,2。

式中,K為體積模量,MPa;G為剪切模量,MPa;E為彈性模量,MPa;ν為泊松比。

表1 馬達嶺各類巖體物理力學參數Table 1 Physical mechanical parameters of the rock mass

表2 結構面物理力學參數Table 2 Physical mechanical parameters of the discontinuities

3.3 離散元結果分析

模擬結果表明,采煤破壞了原有的應力平衡狀態,采空區頂板巖體失去支撐而使其自身重力發生轉移,各質點在回彈應力的作用下,引起圍巖內應力的重分布和應力集中[28],從而導致巖體向采空區變形,模型中表現為沿節理產生不同類型的裂隙。根據裂隙發育特點,可以將變形區劃分為3種,如圖5所示:塌陷區(黃色A區)、彎曲－沉陷區(青色B區)和拉裂－傾倒區(紅色C區)。

圖5 采空區斜坡變形分區示意Fig.5 Zoning map of slope deformation above goaves

塌陷區位于采空區上部30～40 m,由中厚層軟硬巖互層組成。巖體產生向采空區內的崩塌。硬巖產生下寬上窄的裂隙。這種破壞可以簡化為兩端固定的板梁模型[29],可由板梁的變形破壞特點判斷此處巖層的破壞行為。頂板底部產生拉應力,巖層變形加劇,拉應力增高,超過巖體抗拉強度,產生由下向上發展的拉裂縫,導致頂板塌陷。一定時間后,采空區塌落的破碎巖石將采空區完全填滿,可支撐上覆巖體阻止其進一步變形。彎曲－沉陷區位于斜坡中上部。隨著A區變形發展,斜坡中上部巖層向下彎曲導致地表產生明顯沉陷。巖體中的變形表現為層間虛脫產生離層裂縫[30],硬巖中陡傾角裂隙張開,這種變形導致硬巖中裂隙張開,軟巖破碎。拉裂－傾倒區位于采空區邊界部位,幾何形態具有下窄上寬的特點。由于A,B區巖層產生向采空區的崩塌和彎曲變形,導致C區產生拉應力集中,硬巖塊體向采空區傾倒并產生向坡外的位移,這種變形導致采空區邊界一定范圍內產生傾倒式拉裂(圖5(a)和圖6),在地表形成具有一定寬度的拉裂縫。

可見,煤層開采后,采空區頂板產生顯著變形,導致巖體破碎,裂隙普遍張開;沿走向和傾向方向兩個采空區邊界上部一定范圍內,出現大量傾倒式拉裂,在地表將表現為深大拉裂縫,為滑坡的形成創造了邊界條件;采空區上覆巖層內側的巖層彎曲變形導致巖層傾向坡外,為滑面的形成提供了條件。

圖6 斜坡位移矢量Fig.6 Displacement vector after mining

4 滑坡形成機制分析

圖6顯示,采空區邊界一定范圍內產生向采空區方向的傾倒變形,中部以豎直向下的沉陷變形為主,這兩種變形導致采空區外側坡體沿煤層產生向坡外的位移。這種變形的發展具有時效性特點,隨著采空區頂板塌陷的發展,變形體后緣沿深大裂縫下錯,中部沿彎曲后傾向坡外的層面與陡傾節理組合形成階梯狀滑動面,推動前緣碎裂巖體產生剪切變形,最終形成貫通的滑動面,在斜坡外側煤層部位形成剪出口。因此緩傾煤層采空區上覆山體滑坡形成機制可以概括為:由采空區頂板變形引發的階梯狀蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。據以上分析,馬達嶺斜坡的變形破壞可以概括為4個過程:

(1)采空區頂板塌陷,后緣拉裂(圖7(a))。自然斜坡為上硬下軟的軟硬互層結構緩傾逆向邊坡,巖體中發育兩組可形成變形破壞邊界的節理。當采空區形成后,頂板失去支撐,在自身重力和上覆巖層重力作用下,產生冒落、沉陷變形。導致硬巖中節理張開,軟巖破碎,并在采空區邊界部位產生深大拉裂縫。

(2)階梯狀蠕滑拉裂—剪切變形發展。隨著變形的發展,斜坡內側采空區上部巖層彎曲傾向坡外(圖7(b))。斜坡的整體變形從后緣拉裂部位啟動;中部沿緩傾外的層面和陡傾裂隙組合形成階梯狀滑面,并逐漸向下發展。這種變形導致前緣采空區和殘留煤層受到推擠作用,產生剪切變形。

圖7 采空區條件下滑坡的形成過程示意(A—A′剖面)Fig.7 Preparation process of landslide under the effect of goaf(A—A′section)

(3)中部階梯狀滑面鎖固段剪斷,滑面貫通(圖7(c))。馬達嶺滑坡區降雨充沛[19],雨水由裂縫滲入坡體,可弱化軟巖的工程地質特性,同時硬巖裂隙中地下水運移產生的靜水壓力和動水壓力,進一步促進了滑面的發展。這種情況下,中部階梯狀滑面局部鎖固段剪斷,與前緣剪切滑動面貫通,形成貫通的滑面。

(4)滑坡發生(圖7(d))。2006年5月在持續降雨條件下,滑面貫通后產生高速滑動,由于剪出口以下存在陡坎,滑坡產生了較高的勢能,滑體高速運動形成碎屑泥石流。

5 結 論

(1)馬達嶺滑坡是典型緩傾內煤層采空后采空區變形發展形成的具有時效變形特點的滑坡。斜坡中下部為中薄層軟硬巖互層組成,上部為厚層硬巖夾薄層軟巖組成,硬巖中發育陡傾坡外節理。

(2)緩傾煤層采空區變形根據其裂隙發育特點可以分為3個區:采空區頂板以上一定高度范圍內的塌陷區,采空區頂板中上部的彎曲－沉陷區,采空區邊界以上的傾倒－拉裂區。變形的發展由采空區頂板巖體塌陷引發,向上部及兩側發展,導致影響區范圍內巖體破碎,裂隙張開,并在采空區邊界以上形成貫通至地表的傾倒式深大拉裂縫。

(3)緩傾角煤層采空區滑坡邊界受采空區邊界控制,其變形具有時效性特點,塌陷—沉陷—傾倒—拉裂的發展造成滑坡后緣裂縫逐漸加寬下錯,中部形成階梯狀滑面,推擠前緣坡體產生剪切變形,最終形成貫通的滑動面。

(4)緩傾內軟硬互層結構特征、陡峻的地形和結構面發育特征是滑坡產生的內在條件,采礦及其后期降雨是滑坡發生的誘發因素。滑坡的形成機制可概括為由采空區頂板變形引發的階梯狀蠕滑—拉裂—剪切滑移。

(5)對緩傾煤層,長臂式采煤法形成大面積采空區,其邊界部位可形成深大拉裂縫,對斜坡穩定性不利。減少這種滑坡發生的關鍵是控制采空區頂板塌陷的發展,可采用煤矸石回填采空區,還應盡量避免采用長壁式采煤法,同時加強采空區頂板的永久支護。

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Failure mechanism numerical simulation of mining landslide with gentle bedding coal strata

ZHAO Jian-jun1,XIAO Jian-guo1,XIANG Xi-qiong2,HUANG Run-qiu1,WANG Yu-chuan1,SHI Wen-bing1,2

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Key Laboratory of Karst Environment and Geohazard Prevention,Ministry of Education,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Taking Madaling landslide in Duyun,Guizhou Province as a case,the deformation-destroy process of landslide with gently inclined coal goaves was studied by the discrete element method.And the prevention and controlling recommendations of this kind of landslides were proposed according to the results.The simulation results indicate that, the collapse of goaf roof leads to overlying strata bending-subsidence,which induced subsidence of the slope surface, and the toppling of the rock mass induces deep surface cracks above the borders of goaves,and the collapse and subsidence of the overlying rock strata causes shearing deformation at the toe of the slope,and the stepped slip surface in the middle part of the slope formes by combination of bedding planes dipping outward and steep joints.As a result,the failure mechanism of mining landslide with gentle bedding strata can be summarized as stepped creeping-crack-shear sliding caused by goaf roof deformation.Therefore,in order to control mining landslide with gentle bedding strata,preventing goaf roof from collapsing should be taken into consideration.Backfilling waste rocks or supporting of the roof should be carried out to prevent the deformation of slope body above the goaf.

goaf;mining landslide;discrete element simulation;formation mechanism

TD824.7

A

0253－9993(2014)03－0424－06

趙建軍,肖建國,向喜瓊,等.緩傾煤層采空區滑坡形成機制數值模擬研究[J].煤炭學報,2014,39(3):424－429.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0365

Zhao Jianjun,Xiao Jianguo,Xiang Xiqiong,et al.Failure mechanism numerical simulation of mining landslide with gentle bedding coal strata[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):424－429.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0365

2013－03－25 責任編輯:韓晉平

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2013CB733202);國家自然科學基金資助項目(41102190);地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室自主課題資助項目(SKLGP2013Z005)

趙建軍(1980—),男,山東臨朐人,副教授,博士。E－mail:zhaojianjun07@cdut.cn