河谷區采空誘發緩傾巖質斜坡變形破壞模式研究

梁風 彭雄武 史文兵 盧家琦 吳明艷

摘要：為研究采空區變形對河谷區巖質斜坡變形破壞過程的影響，以貴州省清鎮市小二巖斜坡為研究對象，運用底摩擦物理模型試驗，將物理模型分別設置為預制裂隙組和無預制裂隙組，研究采空區變形影響下巖質斜坡破壞過程，并探討該類斜坡的變形破壞模式。初步研究發現：① 兩組試驗共同點是由于采空區導致小二巖斜坡出現變形，小二巖斜坡為緩傾上硬下軟型結構，采空區上覆頂板在重力作用下發生彎曲變形導致采空沉陷。② 無預制裂隙組模型總的變形演化過程為采空沉陷-坡體中產生拉裂縫-裂隙拓展延伸至坡頂。③ 預制裂隙組模型總的變形演化過程為采空沉陷-卸荷裂隙貫通至坡腳-發生滑塌。④ 分析認為在對斜坡體預制卸荷裂隙后，卸荷裂隙對于斜坡的變形模式有較大影響，小二巖斜坡變形破壞的地質力學模式可分為表生改造和拉裂-滑塌（或拉裂-傾倒）2個階段。

關 鍵 詞：采空區;緩傾巖質斜坡;變形破壞;卸荷裂隙;底摩擦試驗

中圖法分類號：U418.55;P642.22

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0126-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.020

0 引 言

地下開采導致大量的采空區出現，極易在重力的作用下發生變形，進而導致地面沉陷、崩塌、滑坡等地質災害發生[1-4]，影響工程建設，危害人民生命財產安全。針對此類災害，眾多學者進行了大量的研究，得到了很多重要成果。代張音等[5]研究了不同開采地下順序（順坡開采、逆坡開采）、煤柱留設（上下邊界礦柱、區段或水平礦柱）情況下采空區不同空間分布及其誘發上覆巖層變形破裂的響應特征，認為彎曲-斷裂和滑移-拉裂是該類地下采空條件下含軟弱夾層緩傾順層斜坡主要的變形破壞方式。陳明是等[6]通過研究鏈子崖裂縫與節理、斷層的特點，從構造學的角度分析了該區域節理裂隙的排列組合特征，認為斜坡重力卸荷拉張是由于采空區變形導致巖體向臨空面偏轉造成力矩的變化引起的。Gao等[7]用極限分析法和變分極限平衡法研究了因為開挖導致含有拉裂縫斜坡的穩定性，認為裂紋的形成機理應考慮為內部耗散。史文兵等[8-9]通過現場調查和物探得到了采空區分布情況及斜坡裂縫體系發育規律，繼而通過離散元數值模擬、物理模擬等手段模擬了多煤層重復采動條件下覆巖移動變形過程，分析了臨空面、重復采動影響下高陡緩傾斜坡變形的規律和機理，通過研究建立了失穩識別特征。黃達等[10]考慮了基座的風化效應，通過數值建模再現了危巖體的失穩過程，將危巖變形失穩過程分為穩定、累積損傷、座落及折斷4個階段。趙建軍等[11]通過框架模型試驗研究了馬達嶺斜坡的變形破壞過程，指出由于下部軟巖變形導致上部硬巖形成拉應力區，得出了頂板破壞-坡頂后緣拉裂-裂隙貫通-發生滑動的斜坡變形破壞機制。黃敏等[12]通過AutoCAD和DIMINE軟件建立了三維地質模型，重現了塑性區的發展過程，認為開采后邊坡主要是受拉破壞，從而誘發了滑坡。這些研究成果探討了該類地質災害的成因機制，并且對變形階段有了準確的劃分，對于采空區誘發斜坡變形破壞研究具有重要意義。

小二巖斜坡位于鴨池河區域，該區域有一百多年的采煤歷史，在斜坡上形成了大量危巖體，危巖體的形成影響因素較多，除采空區因素導致坡體變形的原因外，經野外勘查結合研究推測，河谷下切卸荷過程中形成了陡崖頂部的初始裂隙，這些裂隙逐漸拓展，加深了斜坡的不穩定性。目前，礦區所在斜坡坡頂已經產生了多條長且較深的卸荷裂隙，在外力的作用下很有可能發生崩塌等地質災害，威脅礦區居民點。綜合考慮河谷初始裂隙以及地下開采的影響，開展采空區變形誘發的斜坡變形影響因素、失穩過程的研究，可為該區域礦山的下一步開發與規劃提供科學理論依據，減緩此類災害的發生。

1 研究區概況

研究區域屬侵蝕-溶蝕低中山河谷岸坡地貌，地勢總體南東高、北西低，地形上部為陡崖，下部為陡坡-緩坡。區域高程840.0 m（鴨池河岸）～1 309.5 m（研究區東側頂），相對高差469.5 m左右。小二巖斜坡危巖帶頂面海拔高程1 100 m，危巖帶分布寬度約600 m，陡崖距離鴨池河直線距離約1 km（見圖1）。斜坡巖層產狀為340°∠12°，坡體呈上硬下軟結構，區域內從老到新發育地層依次為二疊系上統龍潭組（P3l）、二疊系上統長興-大隆組（P3c+d）、三疊系下統夜郎組（T1y），硬巖以灰巖為主，軟巖以粉砂質泥巖為主。崩塌發育于二疊系上統長興-大隆組和三疊系下統夜郎組地層中，現階段開采煤層主要是位于龍潭組的M9煤層。由于歷史上河谷下切的侵蝕切割作用，在陡崖頂部產生了初始卸荷裂隙，這些裂隙由于地下開采等外力的作用，向下拓展，在陡崖上產生了多條深切裂縫。由于采空區變形導致斜坡曾經發生過兩次崩塌，其中2008年崩塌總方量約3 500 m3，2012年崩塌總方量約500 m3，崩塌方向均為325°。

區域采用走向長臂后退式開采法，在M9煤層因大量開采形成了9101，9102，9103，9105采空區以及物探推測采空區（見圖2～3），采空區高度為 0.5～4.4 m，平均厚3 m。其中物探推測采空區已經開采到斜坡陡崖正下方，目前認為此采空區的變形是導致斜坡變形破壞的重要原因。

小二巖斜坡位于鴨池河沿岸，研究區區域地層經受多次構造運動[13]，地形地貌有了極大的改變，河流對于河床的侵蝕切割作用，造成河床高程不斷下降，斜坡升高，形成了小二巖斜坡高陡的地貌特征。由于河谷下切侵蝕卸荷作用，在斜坡上部分位置產生卸荷裂隙，降低了斜坡的穩定性，這些卸荷裂隙在地下開采、雨水、放炮振動等外力作用下逐漸拓展，加劇了斜坡的的破壞。

2 底摩擦試驗模型設計

2.1 材料選擇以及模型設計

本次試驗主要目的是模擬小二巖斜坡變形破壞過程，對其破壞機理進行研究。小二巖斜坡高70 m，要讓模型盡可能大地放到模型框中，而模型框尺寸為80 cm×100 cm，考慮到小二巖的地下開采狀況以及邊界效應，將小二巖斜坡分為4層，其中砂粉砂質泥巖2層，煤層1層，灰巖可以看做為1層，建立概化模型（見圖4）。模型的設計高度為42 cm，最底部寬度為80 cm，因此小二巖斜坡幾何條件相似系數為500，內摩擦角相似比為1∶1。通過室內巖石力學試驗得到小二巖斜坡巖體物理力學參數（見表1）。通過多組試驗確定灰巖（硬巖）配比以及粉砂質泥巖（軟巖）配比（見表2）。考慮到采空區位于龍潭組地層中并且被采空，因此試驗中煤層采用粉砂質泥巖配比。

2.2 模型制作

將粉砂質泥巖相似材料和灰巖相似材料按照已經計算好的重量稱量好，使用直尺標記每一層模型對應的高度和寬度，從模型的最下層開始制作，再分別用1 361.5 g與652.4 g的夯實器夯實。粉砂質泥巖經調查屬于薄-中層狀巖體，對粉砂質泥巖每2 cm進行分層，在每層之間使用適當的云母粉進行分割，將煤層用墨水涂成黑色。將灰巖相似材料加入水后適當攪拌至可以塑型。預先在皮帶上涂抹少量潤滑油防止相似材料凝固在皮帶盤上，根據斜坡形狀鋪在試驗機上并用木板壓實，用刷子把模型表面掃干凈。模型粉砂質泥巖部分用保鮮膜包好防止含水率變化，模型常溫下硬化2 d。

3 模擬分析

該區域煤礦采用的開采方法是走向長臂后退式開采法，即沿煤層走向開采，從斜坡內部開采至開始掘進的位置，因此試驗先開采對斜坡坡頂有最大影響的物探探明采空區，采用一個采空區一次完成開挖方式進行模擬。考慮到河谷下切在斜坡中產生的初始裂隙，將設計模型試驗為兩組，一組在模型陡崖頂部預制一條裂隙（即考慮初始裂隙），另一組不做布置（不考慮初始裂隙），觀察對比兩組變形的區別。

（1）第1組試驗（不考慮預制裂隙，見圖5）。在未開挖前斜坡處于天然穩定狀態，層面處于壓密狀態，開始對物探探明采空區開挖，模擬采空沉陷形成以及斜坡破壞。在開挖完成后，重新開機并將速度調制1.00。觀看摩擦力觀測儀，待其數值穩定之后再調大傳送帶的轉速，防止模型底部與傳送帶之間有粘連，隨后將速度調制5.00。底摩擦試驗機轉動10 min后，運行觀察到試驗模型的采空區上覆頂板在重力的作用下，逐層向下沉降，采空區上覆頂板出現離層裂隙，發生采空沉陷;30 min時頂底板合槽，由于地下開采導致應力集中和重新調整，陡崖出現上下貫通的裂縫，裂縫寬0.1 cm，位于斜坡后緣（見圖6）。繼續開機轉動3 h后，斜坡無明顯變形，此時關機，第一組試驗結束。

（2）第2組試驗 （考慮預制裂隙，見圖7）。小二巖危巖體是由于河谷下切、地下開采等外力因素形成的，經野外調查，發現陡崖頂部存在河流侵蝕卸荷造成的卸荷裂隙，經無人機測得卸荷裂隙寬約10 m，本次試驗設計相似比為1∶500，因此在模型上預制裂隙的長度為2 cm。在未開挖時，斜坡處于穩定狀態，對物探探明采空區開挖完成后，重新開機并將速度調至1.00，5 min后將速度調到5.00。與第1組一樣，在采空區形成后，采空區上覆頂板逐漸彎曲沉降，斜坡上出現拉張裂隙，30 min后頂板向下閉合。開機35 min后，由于采空塌陷，被卸荷裂隙分割出來的巖體重心發生偏移，受力方向改變，導致卸荷裂隙向坡腳進一步發展，進而與層面相連，危巖體后緣邊界形成。隨著裂縫進一步發展，危巖體沿貫通的裂隙面向下運動，造成了危巖體整體的滑動（見圖8）。

4 斜坡失穩地質力學模式分析

（1）表生改造階段[14]。采空區的掏空使得采空區頂板應力發生變化，頂板失去支撐出現彎曲變形，逐漸向下沉降，形成垮落拱。隨著頂板冒落帶裂隙的不斷向上延展，垮落拱不斷增高，最終形成了垮落帶，在采空區與地表之間形成多條較長的張拉裂隙。

（2）拉裂-滑塌階段（或拉裂-傾倒階段）。在斜坡陡崖頂部無初始裂隙的位置，由于垮落帶的形成，以及灰巖下部粉砂質泥巖內部應力的變化以及位移的產生，導致灰巖自身發生破壞，由下而上產生貫通的裂隙。雖然沒有發生整體的失穩現象，但由于裂隙的貫通，斜坡危巖體很可能由于繼續向坡體內開采、放炮振動等外力的作用，向臨空方向發生傾倒，推測發生拉裂-傾倒型崩塌。

在斜坡陡崖頂部有初始裂隙的位置，前半部分的變形與無初始裂隙的一樣，不同的是由于預制了裂隙，變形的開展部位發生了變化。裂隙沿初始裂隙底部的位置一直發展到了坡腳，發展成為了可以使危巖體整體滑動的滑面。由于重力沿坡向產生分力，導致危巖體整體發生了滑動，最終斜坡發生了失穩破壞，發生拉裂-滑塌型崩塌。

5 結 論

（1）采空區變形是小二巖斜坡變形破壞的主要因素，采空區上覆頂板彎曲沉降，最終形成了垮落帶，導致陡崖上部由于應力調整產生拉張裂隙，其中存在初始裂隙的陡崖位置由于裂隙拓展形成滑面，最終發生崩塌。

（2）小二巖斜坡存在兩種裂隙：一種是卸荷裂隙+開采誘發，位于坡頂邊緣;一種是僅開采誘發，位于坡頂后緣。

（3）以小二巖斜坡為例，研究了緩傾“上硬下軟”型“地下采空”斜坡變形的地質力學模式，將該類斜坡的地質力學模式分為表生改造和拉裂-滑塌（或拉裂-傾倒）2個階段。

斜坡變形是由多個因素綜合導致的結果。本文通過底摩擦試驗模擬了采空區變形這一重要因素導致斜坡破壞的過程，但在實際中斜坡的變形破壞還要受到其他一些條件的影響，比如降雨入滲會產生動水壓力與靜水壓力，加劇坡體中裂縫的拓展，而地震（爆破）振動也會加劇卸荷裂隙的擴展，受限于試驗條件，這些因素并未加以研究。此外，試驗是針對斜坡的一個剖面進行的，如果使用三維模型進行研究，就可以更深入地模擬采空變形對于斜坡坡頂后緣的影響范圍，構建地下開采與斜坡穩定性之間的定量化關系，這些都有待于進一步研究。

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（編輯：劉 媛）