重復采動對順層巖質斜坡變形破壞的數值模擬研究

唐建新，候陽陽，王育林，王艷磊，代張音，孔令銳，張擇靖

（1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044；3.重慶市地質礦產勘查開發局，重慶 401121；4.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025）

順層巖質斜坡在我國廣泛分布，是我國丘陵山區常見的一種地形地貌，在地下進行開采時其穩定性極易受到影響，從而衍生為山體滑坡、崩塌等地質災害[1-4]。因此采動順層巖質斜坡變形破壞研究對于礦山生產、地質災害防治、環境治理等有著十分重要的意義。

我國礦產資源豐富，同時由地下采礦誘發的滑坡等地質災害頻發，因此國內十分重視采動造成滑坡地質災害方面的研究。2000 年，胡海峰[5]在分析大量采動滑坡資料的基礎上，提出利用有限元數值分析方法研究采動對坡體的穩定性影響；2002 年鄧榮貴等[6]依據重慶順層巖質邊坡案例建立了順層邊坡巖體失穩破壞長度計算公式，探討其失穩的臨界長度；2004 年石必明、俞啟香等[7]基于巖石破裂損傷理論，結合RFPA 有限元數值模擬，動態模擬地下煤層的開挖過程，得到上覆巖體破裂的移動規律及應力和變形分布特征；2004 年白云峰等[8-10]通過實地調查，對順層滑坡的發育環境及分布特征進行統計分析，提出滑坡產生的基本條件是巖層中軟弱結構層與相鄰巖層發生錯動，并研究了降雨、坡體高度、臨空面等因素對滑坡的影響；2010 年郭春穎等[11]利用UDEC 軟件，建立急傾斜特厚煤層的數值模型，研究了其開采圍巖破壞規律和地表變形規律，得出地表呈深槽型地表塌陷坑；2012 年劉棟林等[12]采用UDEC 首次模擬分析了工作面上坡、下坡推進時斜坡產生裂縫的差異，提出上坡開采形成牽引型正裂縫；桂慶軍等[13-14]在2014、2015 年2 年間利用UDEC數值模擬了貴州山區某煤礦開采影響下，覆巖移動變化規律、裂隙發育情況；2017 年Li 等[15]采用UDEC建立陡坡巖體邊坡模型，提出了采礦活動和降雨作用下邊坡的變形特征和破壞機理。以上研究少見考慮地下煤層重復開采情況下對上覆順層巖質斜坡的影響，并且沒有針對我國西部丘陵山區順層巖質斜坡地質的研究。

為此，以川煤集團下屬某礦為研究區，首先進行現場調研與數據搜集，掌握該礦區基本地質條件和采動順層巖質滑坡情況，采用UDEC 數值模擬分析方法，研究重復開采對順層巖質斜坡的影響，從而豐富采動順層滑坡地質災害的預測預防的研究手段。

1 研究對象概況

順層巖質斜坡是指傾斜方向與層狀基巖的傾向接近或大體一致的巖質斜坡[16]。且巖體中軟弱結構面、軟弱結構層較為發育[17-18]，根據已有研究成果可知[19-22]，逆坡開采后坡體沿滑動面產生滑坡的危險性最大，因此，重點研究四川省某煤礦重復開采時所誘發的順層滑坡。

1）地質條件。煤礦處于達州市境內，礦區走向長10 km，傾向長度2.65 km，面積26.7 km2。本井田主要可采的外連煤層和內連煤層的平均厚度分別是1.45 m 和1.56 m，平均傾角25°，2 個煤層的間距為0.12～10.32 m，平均8.12 m。 研究區為一走向由北向東的長條形山區，山脊一般高程為730 m，山頂較平坦，地貌與構造吻合，背斜軸部一帶為山脊，兩翼為與地層傾向相同的斜坡地，坡度東緩西陡。屬二級中度切割的崗嶺狀低山類型。地表山體多為巖質坡體，表土層薄，陡坡普遍分布。

2）開采沉陷情況。該礦區地表處于低山起伏頻繁的山區，在多工作面頻繁交替開采和多煤層重復采動影響下，地面沉陷加劇，導致地面塌陷、地裂縫、建筑物變形、崩塌和滑坡等破壞現象，地表變形破壞圖如圖1。

圖1 地表變形破壞圖Fig.1 Surface deformation and failure map

2 數值模型

通用離散元程序UDEC6.0[23-24]是由Itasca 公司推出的離散元軟件之一，是一款基于離散單元法處理不連續介質的程序。該方法基于“拉格朗日”算法，用于模擬二維條件下非連續介質（巖體節理裂隙等）承受靜載或動載作用下的力學行為[25]。

根據礦山實際地質條件，建立的數值模型如圖2。為更好地分析研究重復采動影響下斜坡的裂隙發育等變形破壞規律，選擇voronoi 隨機節理生成器對坡體部分進行節理劃分，同時，為提升計算效率，坡體外的部分均采用傳統的jset 節理組生成器生成巖體節理。模型總塊體數為7 026 個，總單元數為22 260 個，總節點數為33 098 個。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

模型水平長700 m，左側邊界高625 m，右側邊界高245 m。斜坡體厚度48 m，軟弱結構面斜長400 m，巖層傾角為25°，外連煤層距軟弱結構層法向距離為183.2 m，2 個煤層間距8 m。模型邊界條件為：左右兩側固定水平位移，底部固定水平和垂直位移，，模型頂部為自由邊界。由于斜坡部分不便于施加初始地應力，采取初始平衡自重應力作為初始應力，對地應力進行簡化處理。

數值模型測線布置如圖3。坡體內部布置了4條位移觀測線，依次相距10.5 m。布置2 條應力觀測線，每條間隔19.5 m。在軟弱結構層內布置1 條觀測線。

圖3 數值模型測線布置Fig.3 Lines layout of numerical model

巖石物理力學參數見表1，在數值建模中，煤巖體破壞準則采用莫爾-庫倫模型，節理材料模型采用節理面接觸庫倫滑移節理模型，模型巖層節理面物理力學參數見表2。

表1 巖石物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

在進行開挖時，先采外連煤層，后采內連煤層；同一煤層進行上行開采，開采至左邊界100 m 處。為準確模擬重復采動對地表斜坡造成的影響，確定每開挖15 m 進行1 次循環計算，每次開挖計算至覆巖充分下沉后再進行下一步的開挖計算。

3 模擬計算結果

3.1 數值模擬移動規律

3.1.1 豎直y 方向下沉移動規律

開采完成后，單層開采y 方向位移云圖及各位移測線下沉量如圖4，重復開采y 方向位移云圖及各位移測線下沉量如圖5。

圖4 單層開采y 方向位移云圖及各位移測線下沉量Fig.4 Y-direction displacement nephogram of single layer mining and subsidence of each line

圖5 重復開采y 方向位移云圖及各位移測線下沉量Fig.5 Y-direction displacement nephogram of repeated mining and subsidence of each moving survey line

由圖4 可知，對于單層開采，4 條坡體觀測線下沉量變化趨勢和軟弱結構層下沉趨勢基本一致，各測線x 坐標在160 m 至360 m 范圍內呈波動下降趨勢，偶有位移突變現象，表明260 m 至310 m 范圍內出現滑移現象，在突變點附近產生了裂縫，對于同一橫坐標位置的測線，其下沉量隨測線埋深減少依次遞減，表明巖層在受采動影響后的變形為非連續性變形，在由下而上的變形傳遞過程中，隨埋深的減小而不斷折減的趨勢。同時，隨著測線埋深的減少，下沉曲線的拐點也依次往右平移。各測線的最大下沉量均未超過軟弱結構層最大下沉量，但從y 方向位移云圖中可以明顯看出，受采動影響，斜坡坡腳附近出現小范圍滑移現象，下沉值略大于采高，斜坡穩定性降低。

由圖5 可知，對于重復開采，觀測線的變化趨勢仍與軟弱結構層保持一致，同樣為不連續性波動下降，但與單層開采不同的是，4 條測線的下沉量更加接近，曲線拐點基本重合，形態更加相似，隨著測線埋深減少，相同位置下沉量逐漸衰減，但衰減量較單層開采后更小。此外，各位移測線x 坐標在280 m 之后的下沉量均超過同一位置的軟弱結構層下沉量，其中測線4 的最大下沉量為2.97 m，接近開采厚度，是單層開采時最大下沉量的2.5 倍，表明重復開采后，斜坡x 坐標在280 m 至360 m 范圍內出現斷裂和滑移現象，其穩定性繼續降低。

3.1.2 水平x 方向移動規律

單層開采和重復開采完成后，x 軸方向坡體測線位移量如圖6。

對于單層開采，圖6（a）中各測線水平位移x 坐標在0～160 m 范圍內移動變形十分緩慢，斜坡受開挖影響較小；從160 m 開始，各測線的水平位移開始明顯增加且呈波動上升趨勢；在斜坡位置210 m附近，水平位移產生了突變，說明在這個位置產生了裂縫；x 坐標在200～360 m 范圍內各測線的水平位移差距較x 坐標在0～200 m 范圍內更明顯，變化幅度更大，突變點明顯增多，表明該范圍內的坡體受開挖影響較大，產生多處斜坡裂縫。對于同一橫坐標位置的測線，其水平位移隨測線深度減少依次變大，坡表的水平位移較坡體內部更明顯，與y 方向下沉量變化規律完全相反。

圖6 x 方向各位移測線水平位移量Fig.6 Horizontal displacement of each line in x direction

對于重復開采，圖6（b）中4 條坡體測線的水平位移量都是先增后減，水平位移曲線在坡體中部220 m 附近均產生明顯突變；從240 m 左右后開始波動下降，原因在于重復采動加劇了坡體沿軟弱結構層的下沉回轉，導致下沉量增加，水平位移減少，但整體水平位移量較單層開采仍呈增加趨勢。通過對測線1 觀察，發現在該突變點處，單層開采的水平位移為0.21 m，而重復開采后的水平位移達到0.85 m，約為單層開采的4 倍，由此看出重復采動會導致斜坡在水平方向的移動變形顯著增大。

3.2 數值模擬應力分析

煤層采動前，地表斜坡處于應力平衡狀態，當煤層開采后，上覆巖層受采空區影響應力場不斷調整，直至達到新的平衡，在平衡的不斷調整過程中會產生巖體的破壞、變形、離層等現象，對于地表斜坡而言可能會出現失穩滑坡，以此來達到新的平衡。斜坡各監測線應力變化如圖7，圖中：WLF 為外連煤層開采過程中產生的裂縫；NLF 為內連煤層開采過程中產生的裂縫。

圖7 斜坡各監測線應力變化Fig.7 Stress variation of slope monitoring lines

單層開采結束后，斜坡各監測線及軟弱結構層的應力變化情況如圖7（a）。對比不同埋深測線可以看出，對于同一鉛錘位置測點，當埋深的增加時，應力也相應地增加了。斜坡x 坐標在0～160 m 范圍內受采動影響較小，應力呈小幅度波動變化；在160～360 m 范圍內，煤層采空后造成上覆巖層的下沉移動，巖體會向采空區方向發生卸荷變形，導致壓應力增大；由于在270～360 m 范圍內為斜坡坡面，斜坡的高度不斷減小，因此壓應力也相應減小，坡腳附近的壓應力趨于0。在裂縫產生附近，應力往往出現大幅度波動現象，以裂縫WLF-5 為例，在該裂縫左側的巖體受采空區影響產生回轉下沉，軟弱結構層附近的測點壓力劇增，從0.5 MPa 增長為3.15 MPa，而在該裂縫右側的巖體與左側巖體產生分離，因此附近測點的壓力驟減為0.88 MPa。單層采動共產生5 條明顯裂縫，圖7 中的應力變化趨勢與裂縫的發育情況基本對應。

重復開采結束后，斜坡各監測線的應力變化情況如圖7（b）。由于重復采動導致斜坡發育新的裂縫和裂縫群，因此各測線的應力曲線波動范圍較單層開采時增加，應力波動點增多。通過對比各測線在單層開采和重復開采情況下的應力曲線可知，雖然部分裂縫的閉合會導致重復采動下的個別測點應力低于單層采動的情況，但整體對比曲線發現重復采動會引起坡體垂直應力增加，最大應力也呈增長趨勢，以軟弱結構層的應力變化為例，最大應力由3.15 MPa 增長為3.47 MPa，重復采動會導致軟弱結構層更容易發生破壞，坡體穩定性進一步降低。

軟弱結構層測線應力如圖8。

圖8 軟弱結構層測線應力Fig.8 Survey line stress of weak structural layer

3.3 采動斜坡裂縫發育規律

單層開采推進時不同階段坡體裂縫發育圖如圖9，重復開采推進時不同階段坡體裂縫發育圖圖10。

圖9 單層開采推進時不同階段坡體裂縫發育圖Fig.9 Development map of slope cracks in different stages of single layer mining

圖10 重復開采推進時不同階段坡體裂縫發育圖Fig.10 Fracture development map of slope at different stages during repeated mining

3.3.1 單層開采斜坡裂縫發育過程

根據對圖9 數值模擬各階段裂縫發育情況的分析，發現逆坡單層開采時斜坡裂縫隨工作面推進的發育過程主要有以下特點：

1）坡面中下部產生較多臨時性斜坡裂縫，裂縫具有動態發育特征，其發育過程為“產生-擴展-縮小閉合”。

2）坡面中上部及坡體部分產生永久性損傷裂縫，受開采擾動的影響，斜坡裂縫的寬度不斷增大并沿縱深方向擴展至軟弱結構層，當開采沉陷穩定后，裂縫發育也趨于穩定，整體發育過程為“產生-擴展延伸-穩定”。

3）斜坡裂縫主要發育為縱深裂縫，層間裂縫在開采過程中先產生后又閉合且發育規模較小。

4）軟弱結構層下沉曲線的位移突變點會隨著推進距離的增加往左邊界方向移動，突變點附近通常伴隨斜坡裂縫的產生擴展。

3.3.2 重復采動斜坡裂縫發育過程

近距離煤層重復采動會導致上覆順層巖質斜坡發育出新的裂縫，同時，在單層采動中先產生后又閉合的臨時性斜坡裂縫也會在重復采動影響下發生活化。根據對圖10 數值模擬各階段裂縫發育情況的分析，發現重復采動時斜坡裂縫隨工作面推進的發育過程主要有以下特點：

1）相比于單層采動，重復采動會產生更多的層間裂縫，同時會發育新裂縫及細小開口的裂縫群，導致坡體穩定性進一步降低。

2）重復采動會導致單層采動時已產生的斜坡裂縫發育過程改變，部分臨時性裂縫轉變為永久性裂縫，由單層采動時的“變形積累-產生-擴展-閉合”動態發育過程轉變為重復采動時的“變形積累-發育擴展-發育穩定”動態發育過程。

3）在重復采動影響下，斜坡裂縫的發育寬度和深度呈非線性增加趨勢，發育寬度和深度并非同步增長，在重復采動中期深度增長較明顯，而采動后期寬度增長更為明顯。

4 結 論

1）采動影響的下沉量隨埋深減少依次遞減，巖層在受采動影響后的變形為非連續性變形。與單層開采相比，重復開采引起的各結構面下沉量更加接近，曲線拐點基本重合，形態更加相似，隨著測線埋深減少，同一位置上的下沉量逐步減少，但衰減量較單層開采后更小。對于重復開采，坡體測線的水平位移量均呈現先增大后減小的趨勢，重復采動加劇了坡體沿軟弱結構層的下沉回轉，導致下沉量增加，水平位移減少，但整體水平位移量較單層開采仍呈增加趨勢，重復采動會導致斜坡在水平方向的移動變形顯著增大。

2）重復采動導致斜坡發育新的裂縫和裂縫群，因此各測線的應力曲線波動范圍較單層開采時增加。整體對比曲線發現重復采動會引起坡體垂直應力增加，最大應力也呈增長趨勢重復采動會導致軟弱結構層更容易發生破壞。

3）重復采動與單層采動相比會產生更多的層間裂縫，發育新裂縫及細小開口的裂縫群，部分臨時性裂縫轉變為永久性裂縫，單層采動時的“變形積累-裂縫產生-擴展-閉合”動態發育過程轉變為重復采動時的“變形積累-裂縫發育擴展-發育穩定”動態發育過程。