工作面布置方式對溝谷區采動斜坡變形破壞特征的影響研究

路 琦，呂義清，劉志輝

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西太原 030024；2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西太原 030024）

隨著西部煤炭資源的開采，我國西部黃土溝谷區受到采動影響，滑坡，崩塌、地表沉降等地質災害時有發生。對于不同開采方式下，采動斜坡的變形發展規律、破壞特征及穩定性預測分析，相關學者采用數值模擬結合理論分析的手段進行了研究[1-4]。對于溝谷區地質環境條件和地下開采、降雨、地震等影響斜坡穩定性的因素，有關學者也進行了大量的研究工作[5-6]。此外，針對溝谷區地下煤層開采時地表移動變形[7-8]，斜坡裂縫化規律[9]，開采沉陷與地表損害[10]也有較多的研究。現有研究中，采動斜坡下工作面的開采位置大多已經固定，且多垂直于溝谷走向[11]，對于平行于溝谷走向，不同的工作面開采位置對溝谷兩側斜坡的破壞研究較少。為此，以泰安礦區白家溝區域工程地質條件為基礎，建立三維數值模型，研究開采不同位置工作面時，溝谷區地表位移規律，兩側斜坡變形破壞特征和破壞機理，為類似的溝谷區采動斜坡地質災害防治提供參考。

1 研究區概況

礦區位于我國西部黃土高原一帶，井田地處呂梁隆起北部，黃河東岸。區內地表起伏較大，由土質疏松的黃土覆蓋，受風雨侵蝕，形成溝壑縱橫，支離破碎的地貌形態。白家溝位于礦區東北側，地表大范圍被黃土、紅土所覆蓋，地面植被稀少，溝谷下方主要開采8#煤層，工作面開采方向與溝谷走向平行，采高5 m，回采工作面頂板采用全部垮落法管理。

溝谷為南北走向，東側谷坡高80 m，坡體下陡上緩，平均坡度為25°，坡體后緣發育有多條裂縫，長度15～30 m，平行排列，走向和地下工作面開采方向一致，呈階梯狀下錯，最大下錯高度0.41 m。西側谷坡高70 m，平均坡度36°，在坡體下部調查發現數條拉張裂縫，朝著溝谷方向下錯，下錯高度0.2～0.3 m，坡底存在松散堆積物。

2 數值模擬

2.1 數值模型

據白家溝區域的地形地質圖，使用MIDAS GTX NX 數值模擬軟件建立三維數值模型，紅色x 軸、綠色y 軸和藍色z 軸分別代表正東、正北和豎直方向。模型水平方向尺寸為600 m×810 m，豎直方向平均厚度為150 m。幾何模型建立好后進行網格劃分，三維模型共建立節點86 573 個，劃分單元101 670個。模型設置邊界約束條件，頂部為自由面，四周和底部設置為固定約束。模型根據巖層從上到下分為8 層，分為黃土、紅土、砂泥巖、砂巖、泥巖、中砂巖、8#煤層和泥巖，巖層及其物理力學參數見表1。

表1 巖層及其物理力學參數Table 1 Rock strata and their physical and mechanical parameters

根據不同的工作面布置方式建立3 個三維模型，模型大小，地層劃分，邊界條件，靜力荷載等條件全部相同，只改變工作面位置。3 個模型工作面都平行于白家溝溝谷走向，不同的是模型1 位于斜坡后方，模型2 位于斜坡下方，模型3 位于溝谷下方。開采的煤層為8#煤層，工作面呈矩形，寬度為100 m，推進長度為400 m，從南向北分10 次開挖，每次開采40 m。研究區地質模型如圖1。

圖1 研究區地質模型Fig.1 Geological model of the study area

2.2 溝谷區采動斜坡位移規律

工作面開采后，各模型地表總位移云圖如圖2。

由圖2 可知，地表總位移全部呈以采空區為中心的近橢圓形，采空區影響范圍分為2 部分：正上方地表和周圍斜坡。正上方地表總位移等值線密集，以豎直位移為主，采空區中心處地表沉陷位移最大；四周斜坡總位移等值線疏松，以水平位移為主，表示四周斜坡受采空區影響，向采空區中心處傾斜移動。

圖2 各模型地表總位移云圖Fig.2 Total surface displacement nephogram of each model

為了監測地表變形，在模型地表布置監測點，工作面開采后，由地表總位移可知，位于模型中部的采空區上方地表變形最為嚴重。選取模型中部y=400 m 的典型溝谷剖面，研究溝谷兩側采動斜坡的地表變化規律。

分析地表下沉規律，y=400 m 剖面地表位移下沉量如圖3。

圖3 y=400 m 剖面地表位移下沉量Fig.3 Surface displacement subsidence of profile y=400 m

由圖3 可知，3 個模型中部剖面地表豎向位移曲線變化趨勢基本一致，呈“倒峰型”，曲線兩側位移變化較緩，在采空區邊緣處出現拐點，變化隨之變陡，在采空區中心處位移達到頂峰。采空區位置從溝谷中間到斜坡下部再到斜坡后部的過程中，下沉曲線峰值逐漸減小，表明隨著采空區距離地表的深度增加，地表下沉值呈減小趨勢。

研究地表位移特征，各模型y=400 m 剖面位移云圖如圖4。

由圖4 可知，溝谷區地下工作面開采后，斜坡的水平方向位移主要受采空區影響，豎直方向位移主要受采空區和重力作用共同影響。其中，當工作面位于斜坡后方時，水平方向上，采空區兩端上方巖土體產生指向采空區中心處的位移，位移范圍和大小基本一致。豎直方向上，受采空區和重力作用的影響，采空區上方巖土體向下彎曲沉降，此時，采空區上方中心處沉降最大，為-0.69 m，距采空區中心越遠則沉降越小，不均勻沉降在地表形成地面塌陷和塌陷裂縫，坡體位移大致呈對稱分布；當工作面位于斜坡下方時，在水平方向上，東側斜坡坡腳處產生向坡體內部的位移，最大值為0.18 m，坡頂處產生指向臨空面方向的位移，最大值為-0.19 m，和坡腳處相比，數值更大且地表移動范圍更廣。在豎直方向上，東側斜坡上部不均勻沉降最大，坡體產生后緣裂縫且裂縫順坡向發育，這說明溝谷東側由于存在斜坡臨空面，使得坡體位移呈非對稱分布狀態，整體表現為東側上部坡體沿臨空面向下位移。當工作面位于溝谷中間時，溝谷兩側坡腳在水平方向上向臨空面移動，在豎直方向上形成不均勻沉降并產生順坡向的裂縫，在采空區和重力作用共同影響下，整體表現為溝谷兩側坡腳沿臨空面向下移動，坡體位移大致呈對稱分布。

圖4 各模型y=400 m 剖面位移云圖Fig.4 Profile displacement cloud images of each model y=400 m

2.3 溝谷區采動斜坡破壞特征

當斜坡內部最大剪應力超過其抗剪強度時，坡體會發生破壞，因此，可以把斜坡坡體內部剪應變增量大小作為潛在滑移面判斷的依據，剪應變增量較大的位置，坡體發生滑移破壞的可能性就大，反之，剪應變增量較小的位置，則不會發生變形破壞。各模型y=400 m 剖面的剪應變增量云圖如圖5。

圖5 各模型y=400 m 剖面的剪應變增量云圖Fig.5 Shear strain increment nephogram of the y=400 m profile of each model

由圖5 可知，3 幅云圖的共同點在于采空區邊界區域剪應變增量都較大，表明上覆巖體在工作面開采后均沿采空區邊界剪切下錯。不同之處在于，當工作面布置位置不同時，采空區上部剪應變增量區域不同，對溝谷區兩側斜坡的影響也不同。

當采空區位于斜坡后部時，在采空區上方出現剪應變增量集中，但由于周圍巖層邊界的限制，不容易發生剪切滑動，所以不會影響到斜坡；當工作面位于斜坡下方時，東側斜坡上部出現貫通良好的剪切帶，斜坡容易沿此剪切帶發生滑動破壞；當工作面布置在溝谷下方時，溝谷兩側斜坡坡腳處出現剪應變增量集中，表明坡腳區域容易發生剪切破壞。由此可知，溝谷區斜坡受工作面布置位置影響，當位于斜坡下方時，東側斜坡上部先發生滑動，繼而帶動整個斜坡滑動破壞，而位于溝谷中間時，兩側斜坡是下部先發生滑動，導致上部斜坡受到牽引發生滑動破壞。

3 溝谷區采動斜坡變形破壞機理

通過數值模擬，在研究溝谷區采動斜坡位移規律和破壞特征之后，得出不同工作面位置下，溝谷區采動斜坡不同的變形破壞機理。斜坡變形破壞特征如圖6。

由圖6 可知，

圖6 斜坡變形破壞特征Fig.6 Characteristics of slope deformation and failure

1）當工作面位于斜坡后方時，在斜坡后方的工作面開采后，采空區上部巖土體失去支撐而向下彎曲沉陷，由于不均勻沉降而形成塌陷坑，兩側的巖土體向采空區中心處傾倒，在兩側形成拉張裂縫。東側斜坡后緣發育的裂縫延伸方向和斜坡坡向相反，表明東側斜坡受到向采空區方向的拉應力，沒有向臨空面滑動的趨勢，西側斜坡距離采空區較遠，基本不受影響，溝谷兩側斜坡狀態穩定，采動斜坡變形特征如圖6（a）。

2）在工作面位于斜坡下方時，在斜坡下方的工作面開采后，采空區上部覆巖垮落導致上部巖土體彎曲下沉，產生塌陷裂縫，斜坡右側受到指向采空區的拉伸應力，斜坡后緣發育拉張裂縫，裂縫逐漸沿內部延伸，斜坡上部沿裂隙帶向下滑動，使得坡腳處受到擠壓而產生剪切裂縫，隨著工作面的開采，前緣后緣裂縫逐漸貫通，貫通后滑動面如圖6（b）中紅線所示，斜坡失穩坡體沿裂隙帶整體下滑，破壞模式為推移式滑坡。

3）當工作面位于溝谷中間時，在溝谷中間的工作面開采后，溝谷上方巖土體會垮落彎曲，兩側斜坡會受到指向采空區的拉伸應力，斜坡表面因拉伸應力不同而產生不均勻沉降，在坡腳處發育有拉張裂縫，隨著工作面的開采，裂縫沿坡體內部軟弱面發展直至貫通，貫通后滑動面如圖6（c）中紅線所示，坡腳失穩下滑，上部巖土體失去支撐而向下變形滑動，直至斜坡整體失穩，破壞模式為牽引式滑坡。

根據現場觀測，溝谷兩側斜坡裂縫發育情況和坡體位移破壞特征與上述模擬結果基本一致，但相較于牽引式滑坡，推移式滑坡處裂縫發育更深，滑坡失穩范圍更大。需要注意的是，降雨也是影響滑坡失穩的因素。當工作面位于斜坡下方時，斜坡后緣先發育的拉張裂縫有利于雨水入滲，從而降低巖土體的粘聚力和內摩擦角，削弱了斜坡的抗剪強度并增大了下滑力，加劇了坡體的下滑；而工作面位于溝谷中間時，斜坡坡腳先發育裂縫，有利于地下水的排出，降雨對于牽引式滑坡的影響相對較小。

4 結 語

1）溝谷區不同位置工作面開采后，地表下沉區域都呈以采空區為中心的近橢圓形，中心處下沉最大，且地表下沉值和采空區與地表的距離有關，隨著距離的增加地表下沉值隨之減小。

2）工作面布置位置會影響溝谷區采動斜坡破壞類型和穩定性。在溝谷區，工作面布置在一側斜坡后方時，溝谷兩側斜坡所受影響較小，斜坡穩定性較好；布置在一側斜坡下方時，工作面上方斜坡從坡頂處開始破壞，繼而推動斜坡產生整體破壞，破壞類型為推移式滑坡，而溝谷另一側的斜坡基本不受影響，保持穩定狀態；布置在溝谷中間時，兩側斜坡從坡腳處開始破壞，繼而引起上部坡體失去支撐而滑動破壞，破壞類型為牽引式滑坡。此外，受降雨影響，推移式滑坡破壞程度往往比牽引式滑坡更嚴重。

3）為防止溝谷區斜坡破壞，保護礦區人員的生命財產安全，建議礦區人員于斜坡地表設置監測點，監測地表沉降情況，并根據不同的工作面布置位置推測采動斜坡的破壞類型，并采取對應的工程措施進行防治。