采空區位置對高陡硬質巖斜坡變形影響研究

吉 嵐，趙建軍，萬 勛，李清淼，巫恩歌

(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)

貴州省位于中國西南地區，云貴高原東部，整體走勢西高東低，屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛，區域內構造發育，切割強烈，綜合作用下貴州省發育有較多高陡硬質巖斜坡。造成斜坡失穩的因素有很多，其中，斜坡下伏煤層開挖，對坡體穩定性影響極大[1]。下伏采空的緩傾斜坡，由于地下開采因素不同和斜坡自身地質結構的差異，多存在地表塌陷、拉裂、滑坡等工程地質問題，常常會誘發大規模的地質災害[2]。

目前關于地下開采引起斜坡變形的研究已有很多，但大多是針對采動斜坡變形破壞機制及穩定性的研究[3-6]。對于緩傾層狀結構斜坡，在地下開采作用下，變形破壞機制可概括為“采空區頂板巖層塌落-采空區上部巖層彎曲拉裂-裂縫貫通，坡腳發生剪切破壞”3個階段[6-12]。

已有的研究資料表明，影響采動斜坡變形破壞的因素有很多，但是已有的研究多數是根據現場地質條件，將地下開采作為單一影響因素簡化分析，重點強調斜坡本身構造、巖性等自身因素[13]，如張志飛等[14]基于顆粒流程序，考慮結構面參數，對反傾層狀巖質邊坡破壞機制進行模擬，提出巖層層面剪切強度是影響斜坡變形的重要因素。然而，不同的地下開采因素如開采方式、開采強度等，對采動斜坡變形破壞影響程度差別極大。Tao等[15]以長山壕礦區為例，利用Flac3D分析4種開采深度高程下每個邊坡的穩定性，為露天礦邊坡安全開采深度提供指導意見。Wang等[16]從開采方向和開采高度2個角度對采動斜坡變形破壞和穩定性驚醒分析評價，提出合理的開采高度和有效的支護措施。Yu等[17]提出重復采動對采動斜坡影響極大，采用離散元數值模擬對貴州發耳煤礦高陡邊坡變形特征進行研究，闡明了不同開采層數對高陡邊坡變形破壞的影響機理。Zhang等[18]采用數值模擬分析軟件結合使“礦業變量的影響下邊坡滑動面相似模擬試驗床”，設置5種采深厚比，提出隨著采深厚比例減少，邊坡的穩定性逐漸降低。

以上已有少量關于地下開采因素對采動斜坡變形破壞影響的研究，但是從采空區位置角度研究其對邊坡變形影響的研究尚少。采空區位置的不同，其變形程度也不同。為了避免地下開采引起高陡硬質巖斜坡變形破壞，提出合理的開采界限對高陡硬質巖斜坡的穩定十分重要。鑒于此，本文以永晟煤礦為例，采用顆粒流軟件，選取7種采空區位置，即采空區右側邊界到坡肩的水平距離D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m(“-”僅表示采空區右側邊界位于坡肩內側，即向坡體內。文中所出現的情況皆如此)，分析不同位置下覆巖位移情況和裂隙發育情況，提出永晟煤礦后續開采的合理開采界限，并為此類高陡硬質巖斜坡下的開采區間提供參考依據。

1 研究背景

1.1 高陡硬質巖斜坡

貴州省地質構造復雜，廣泛地分布著巖質斜坡，坡體地形“上陡下緩”，巖層“上硬下軟”，是典型的高陡硬質巖斜坡。地下開采引起高陡硬質巖斜坡發生變形破壞，本文分析了3個高陡硬質巖采動斜坡坡體結構和采空區特征，見表 1。分析表明采空區位置的不同，斜坡發生變形破壞的程度也不同。永晟煤礦斜坡目前尚未發生大規模崩塌，其坡體結構較為完整，后續將繼續對永晟煤礦進行開采，故本文選取永晟煤礦為研究對象。

表1 斜坡特征分析

1.2 永晟煤礦工程概況

永晟煤礦位于金沙縣化覺鎮紅旗村巖口組，地理坐標為106°24′59″E，27°12′26″N。地形呈北高南低，最大高差704.6 m，形成典型的上硬下軟，上陡下緩的陡崖地形。自然坡向95°，坡度近90°，呈長條帶狀分布，長約500 m、高差約200 m，體積約5萬m3。自2014年以來，由于采礦活動，造成坡表形成了較多地裂縫和塌陷坑，導致陡崖帶發生過小規模的崩塌，在坡腳已有崩塌堆積體。受強降雨、地震荷載以及進一步采礦活動的影響，上部危巖帶可能發生產生大規模崩塌，潛在崩塌方向90°～110°，并威脅其下方的52戶居民，見圖 1。

注:a—永晟煤礦東井崩塌全貌；b—坡表變形跡象；c—危巖帶全貌；d—裂縫；e—塌陷坑。

研究區有部分基巖出露，見圖2、3。山體上部三疊系下統夜郎組、二疊系上統長興為灰巖，結構致密，地層產狀為230°∠6°；山體下部的二疊系上統龍潭組為煤層、泥巖、泥質粉砂巖，強度較低，具有上硬下軟的特征。巖體內主要發育2組節理，產狀分別為170°∠87°(J1)和120°∠85°(J2)，這2組節理將巖體切割成形態較為規則的塊體。研究區可采煤層主要有2層：煤層M8位于龍潭組中上部，厚約2.65 m；煤層M12位于下部，厚約1.9 m。目前主要在煤層M8作業，形成沿傾向總長度為400 m左右的采動面。

注：1—第四系崩坡積物；2—三疊系下統夜郎組沙堡灣段；3—三疊系下統夜郎組玉龍山段；4—二疊系上統長興組；5—二疊系上統龍潭組；6—地層界線；7—斷層及編號；8—裂縫；9—塌陷坑；10—滑坡及編號；11—房屋；12—2016年以后采空區；13—2015年以前采空區；14—剖面線及編號。

注：1—第四系崩坡積物；2—三疊系下統夜郎組沙堡灣段；3—三疊系下統夜郎組玉龍山段；4—二疊系上統長興組；5—二疊系上統龍潭組；6—泥質粉砂巖；7—泥巖；8—灰巖；9—煤層及編號；10—碎石土；11—巖層界線；12—裂縫；13—采空區；14—產狀。

2 數值模擬分析

礦山地質災害的研究手段主要有物理模擬和數值模擬，物理模擬雖然可以觀察受開采影響的邊坡變形破壞的全過程，但僅限于探索復雜開采條件下高陡邊坡的變形。這種復雜的條件很難建模，單一的模型工作量大，難以實現對多因素條件的系統研究。而簡單建模的數值模擬可以實現復雜工程地質開采條件下邊坡的建模和分析，在探索不同地質開采條件下邊坡的變形破壞機理時效果較好[17]。采礦誘發的覆巖崩落沉陷以及坡體的局部崩塌和整體失穩現象位移量都是巨大的，離散元方法在模擬單元間大變形上具有顯著的優勢。

2.1 顆粒流軟件(Partical Flow Code)

顆粒流(PFC2D)是一種通過細觀顆粒的運動特征來反映巖體宏觀變形破壞特征的離散元軟件。以牛頓第二定律及力與位移為基本理論，利用剛性圓形模擬巖土體顆粒以及顆粒之間的運動和相互作用[19]。

模型中顆粒間的細觀接觸模型決定了材料的宏觀本構特性，顆粒的細觀接觸本構特性有3種，即接觸-剛度模型、滑移-分離模型和黏結模型。前兩種則是同于非黏結情況，對于黏結情況，根據接觸的本構關系可分為一般的接觸黏結模型和平行黏結模型。前者用于無膠結的材料，如砂、土等，后者則用于用于膠結的材料，如混泥土、巖石。

為尋求安全、可靠、施工方便的放水涵管處理方法，磐安縣經過多次考察、研討，最終確定在條件允許的山塘采用非開挖技術，對存在安全隱患的涵管進行報廢處理，重新在左右壩頭山體合適位置采用非開挖技術新建涵管。磐安縣2012年綜合整治山塘20座，其中采用倒虹吸建涵管3座，壩頭明挖設置埋入式涵管2座，老涵管套管灌漿處理2座，采用非開挖技術處理涵管13座，占到了山塘整治總數的65%。

在地下開采作用下，巖體內部顆粒產生運動，為了較好地模擬顆粒間的相對位移和抗拉、抗剪、抗彎等力學特性，本文采用平行黏結模型模擬顆粒間接觸關系。

2.2 模型建立及方案

根據實際坡表地形、坡體結構以及采動面的分布構建二維工程地質概化模型，模型長1 300 m，高542 m，見圖 4。以斜坡的地形界線和巖層分界線作為剛性墻體模擬邊界條件，以“膨脹法”生成52 643個運算顆粒單元，顆粒最小半徑0.02 m，最大半徑0.06 m。給所有顆粒設置重力加速度進行重力作用下的初始平衡，形成初始地應力。平衡后，刪除模型邊界之外多余的顆粒，并對顆粒按照實際地層進行分組。從上到下地層依次為夜郎組組灰巖、長興組灰巖、龍潭組泥質粉砂巖、泥巖，在亞層劃分上灰巖采用15 m/層，泥質粉砂巖10 m/層，泥巖為5 m/層。設置除層面外的兩組優勢節理，產狀為170°∠87°和120°∠85°，考慮到坡體內部節理的分布和延展不確定性，本研究中采用隨機節理填充(圖5)。

注：1—三疊系下統夜郎組；2—二疊系上統長興組；3—二疊系上統龍潭組；4—煤層；5—地層分界線；6—巖層分界線；7—亞層分界線；8—監測點及編號；9—采空區及編號。

圖5 數值模擬計算模型

本文僅研究在單層采動情況下，采空區右側邊界與坡肩距離對高陡硬質巖斜坡變形的影響，故重點分析采空區形成后坡體的變形。依據開采資料，永晟煤礦采用傾向長壁式開采形成了沿傾向延伸400余米的采空頂板，為2014、2017年2次開采形成，每次開采沿傾向長200 m，采厚3 m。因預留煤柱尺寸較小，在數值模擬中將其忽略。依次設置采空區右側邊界距坡肩的水平距離D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m，共模擬7種工況。各開采方案總采寬均為400 m，共設置14個采空區序號(圖 4)，各采空區寬度均為50 m，各開采方案和采空區序號之間的對應關系見表 2，同時，在坡表設置間距為100 m的15個監測點以反映坡表的沉陷特征。

表2 開采方案與采空序號對應關系

2.3 細觀參數標定

對于巖土體顆粒，其宏觀力學行為取決于顆粒細觀力學特性，目前并沒有成熟的理論方法將宏觀參數直接轉化為細觀參數[20]，通常數值模擬試驗結果獲得的細觀參數與室內巖石力學實驗獲得的宏觀力學參數相比較，經過反復調試，使其一致。

李新坡等[21]和Zhao等[22]采用單軸壓縮試驗進行參數標定，得到細觀參數。本文通過從現場選取灰巖和泥質粉砂巖試件，進行室內單軸壓縮試驗，得到應力-應變曲線，因為PFC2D中的單軸壓縮試驗無法模擬巖石的受力路徑，巖體的微裂隙壓密階段無法表現出來，故通過對比應力-應變曲線的斜率和峰值進行細觀參數標定，即對比巖石的彈性模量和單軸抗壓強度。經過反復調整，得出一條斜率和峰值與室內試驗應力-應變曲線基本一致的曲線，見圖 6，以此作為本次數值模擬試驗的細觀參數，見表3。

a)灰巖

b)泥質粉砂巖

表3 PFC模型細觀參數取值

3 數值模擬結果分析

3.1 位移分析

3.1.1水平位移分析

山區采礦會引起采空區覆巖崩落沉降，由于崩落巖體的碎脹性，采空區兩側邊界巖體將受到橫向推擠力作用，發生側向變形[23]。采空區兩側圍壓越低，側向變形現象越明顯[24]。由圖 7可知，位移監測點M1—M6所示覆巖水平位移值較小，因為采空區邊界上方坡表地形一致，兩側產生了相對較高的圍壓，抑制了覆巖的側向變形。當D<-50 m時，M2—M6位于采空區正上方，位移曲線呈現不規則“鋸齒狀”，這是因為層面間黏結強度較低，在水平方向上運動阻力較小，為覆巖的側向變形提供了合適的路徑。

隨著坡表地形逐漸變陡，坡肩巖體受沉降影響，在重力作用下，朝著阻力較小方向(坡內)發生水平運動[25]。當D= -50 m時，坡肩巖體達到最大水平位移，約為0.9 m?？缭狡录绾螅秆轮邢虏繋r體具有與坡頂相反的運動特征。由圖 8可知，隨著采空區右側邊界逐漸靠近陡崖，由于陡崖一面臨空，產生的圍巖約束力不足以抵消覆巖下沉引起的側向膨脹力，導致巖體向臨空面產生位移。

圖7 不同采空區位置下地表水平位移曲線

a)D=-150 m

c)D=-50 m

3.1.2豎向位移分析

坡表監測點豎向位移曲線近似“U”型，靠近采空區左側邊界的坡表監測點，豎向位移逐漸增大；跨越采空區左邊界后，坡表豎向位移陡增，并在采空區中心正上方達到最大豎向位移。由于采空區分兩次開采形成，故在位移曲線圖上至少可觀察到2次相等最大豎向位移。當D≤-50 m，采空區右側邊界周圍地表巖體具有與左邊界類似變形特征。當D>-50 m，采空區大部分位于陡崖內側，向邊界兩側產生較大膨脹力，擠壓右側邊界巖體，向坡表隆起，當D=50 m時，達到最大值約0.5 m。隨著D的繼續增大，這種“隆起”現象逐漸消失。

由圖 9可知，坡表產生最大沉降的位置始終位于采空區正上方。并且不同采空區位置開采下最大豎向位移值相差較小，約為3.50 m；僅當D>100 m，最大豎向位移值有所增大，約為3.66 m。

圖9 不同采空區位置下地表豎向位移曲線

雖然采空區坡表最大豎向位移出現位置和量值受采空區位置影響較小，但是采動覆巖影響范圍受采空區位置影響較大。當D>-50 m，“U”型范圍較D≤-50 m時擴大近一倍。由于陡崖的特殊性，坡頂會產生附加的沉陷效應，坡表產生明顯豎向位移區域變大，而這在平緩地形中通常不會出現[26-27]。

總體而言，坡表最大豎向位移受采空區位置影響較小，但坡表豎向位移變化范圍受采空區位置影響較大，當D>-50 m，坡表沉降范圍變大，“U”型范圍較前者擴大近一倍。

3.2 裂隙發育分析

采動破壞了巖體中原有的應力狀態，引起巖體內應力重分布，在采空區上方巖體中形成減壓區，產生較多垂直層面的拉張裂縫[28]。由于模型內煤層力學參數較低，隨著開采的進行煤層自身會產生較多微裂隙，但其對坡體變形破壞不產生影響，可忽略[29]。首次采空區形成后，上覆巖體在重力作用下向采空區方向彎曲，產生2條沿采空區邊界往坡表擴展的主裂隙，內部發育有較多次生裂隙，從采空區頂板至坡表呈現倒“Y”型，見圖 10。二次開采后，采空區上方覆巖內產生的拉張裂隙數量明顯少于首次開采，裂隙產生位置變得雜亂。當D=0 m時，坡腳首次出現裂隙，隨著D的增大，坡腳裂隙數量逐漸減少。當D≥100 m后，陡崖處巖體內逐漸出現裂隙。

a)D=-150 m

將采空區上方覆巖最外側裂隙與采空區邊界連線與水平線在礦柱一側夾角稱為裂縫角[30](圖 11)。以上山裂縫角γ和下山裂縫角β之和“γ+β”表示采空區上方巖體受擾動范圍，但此時不考慮覆巖厚度[22]。采空區左側邊界始終遠離陡崖，下山裂縫角變化較小，見圖 12。上山裂縫角隨著D的增大而呈現先減小后增大的變化趨勢。當D≥-50 m時，隨著D增大，右側邊界逐漸靠近陡崖臨空面，坡表地形變陡，上山裂縫角逐漸減小。當D=100 m時，上山裂縫角γ達到最小值80°，“γ+β”最小值為163°，在不考慮采空區上覆巖體厚度情況下，采空區上方受擾動巖體范圍最大。當D>-150 m，大范圍采空區埋深減小，上山裂縫角反而增大。

圖11 裂縫角示意

圖12 不同采空區位置下裂隙擴散角

3.3 對陡崖部位巖體的時效變形影響分析

根據現場調查情況，在陡崖部位發育大規模危巖體，由于陡崖高差較大，選取陡崖中部監測點M9監測數據分析不同采空區位置開采對陡崖變形的影響。

在不同開采情況下，陡崖處巖體變形具有時效性。從6.1×104時步發生首次位移。首次開采穩定后，在21×104時步，發生第二次位移。由圖 13、 14可知，位移曲線圖受2次采動影響，呈2種變化趨勢。首次開采后，當D≤100 m，陡崖中部巖體首先向坡內產生水平移動，隨后向臨空面運動，最終巖體達到穩定時向坡內發生了較小水平位移。豎向位移隨著D的增大逐漸增大，但首次開采后巖體最終沉降值較小，不足1 m。

當開采進行到第21×104時步，首次開采已經達到穩定狀態，隨著第二次開采進行，當D≤-50 m時，巖體運動趨勢與首次開采近似，發生較小豎向沉降和向坡內發生較小水平位移。隨著D的增大，豎向位移逐漸增大，但最終位移較小，不足1 m；當D≥-50 m，水平位移向臨空面方向迅速增大，最終水平位移量與采空區位置有關，距離采空區中心越遠，水平位移量越大[29]。豎向沉降值和沉降速率陡增，并且隨著D的增大，沉降值逐漸增大，當D=100 m時，沉降達到最大值，約為3.66 m。但隨著D的繼續增大，沉降值反而略有減小。

圖13 不同采空區位置陡崖中部巖體水平位移

圖14 不同采空區位置陡崖中部巖體豎向位移

4 結論

總結了德興煤礦崩塌、馬鬃嶺崩塌、永晟煤礦東井崩塌3個采動斜坡坡體結構和采空區特征，以永晟煤礦為研究對象，采用二維顆粒流軟件模擬2次開采形成采空區，研究了7種采空區位置對高陡硬質巖斜坡的變形影響，得出以下結論。

a)采空區覆巖隨著D的逐漸增大面向臨空面產生的橫向變形越明顯，坡表沉降曲線近似“U”型，“U”型范圍先保持不變后擴大。D≤-50 m時，主要變形為坡肩巖體向坡內產生水平位移，隨著D的增大而增大，當D=-50 m時，達到最大水平位移0.8 m，且該情況下“U”型范圍幾乎一致；D>-50 m時，陡崖部位巖體產生的水平位移隨著D的增大逐漸增大，主要為面向臨空面的橫向變形，此時，“U”型范圍較前者擴大近一倍。

b)上下山裂縫角之和表示采空區覆巖受擾動范圍，其主要取決于上山裂縫角大小，隨著D逐漸增大，采空區上覆巖體受擾動范圍逐漸增大。當D<-50 m時，上下山裂縫角之和幾乎相等；當D>-50 m時，隨著D的增大，下山裂縫角迅速減小，當D=100 m時，達到最小值，此時，采空區覆巖受擾動范圍最大。

c)陡崖部位巖體隨著第二次開采進行，巖體迅速發生變形，當D>-50 m時陡崖處巖體產生的變形遠遠大于D≤-50 m時產生的變形。當D≤-50 m時，陡崖處巖體水平位移均在0.1 m以內，豎向沉降值均不足1 m，巖體變形較??；當D>-50 m時，隨著第二次開采進行，變形速率和最大位移量陡增，當D=100 m時，陡崖部位巖體達到最大下沉量3.66 m。

綜上，永晟煤礦類的后續開采中，為了防止斜坡失穩破壞，應該滿足D<-50 m。同時，為此類高陡硬質巖斜坡的地下開采區間提供了參考依據。