重復采動下陡巖變形破壞特征分析

唐建新，李 偉，張擇靖，杜維毅，鄭英建

（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.川煤集團 敘永一礦煤業有限公司，四川 瀘州 646400）

國內外學者采用現場實測[1-2]、理論分析[3-4]、數值模擬[5-6]和相似材料模擬試驗[7-8]等方法對礦山開采沉陷進行了大量研究并取得了豐碩成果，但針對山區地表的開采沉陷研究還不夠，特別是對地下采煤誘發山區地質災害的機理研究不足。因山區與平原的地貌特征相差太大，很多在平原地區得到的開采沉陷理論將不適用于山區[9-11]。數值模擬與現場勘測相比，可進行多種開采方案的對比研究且具有一定的預測性，能節約大量的人力物力，更可以全面直觀的反應地表的破壞情況[12-14]。孫敬輝等[15]、宋波[16]、宋子賀等[17]采用了Rockfall 軟件模擬出崩塌危巖的運動軌跡，并根據模擬結果提出相應的防治措施；Jia 等[18]通過理論力學與數值模擬方法確定了某金屬礦塌陷區域，并提出了加固方案；梁少崗等[19]用現場實測和概率積分法，分析了韓城礦區山區地表移動規律；Wang 等[20]利用現場調查、現場監測和實驗室測試分析了三峽庫區建川洞危險巖體的變形和故障模式；Marschalko M 等[21]在研究山區沉陷的過程中，通過觀察觀測點的變化情況來得到山區地表的移動變形情況；藍航等[21]采用FLAC3D數值模擬軟件對山區含水風積沙地表采動沉陷規律預計進行了研究，得到了該地區的采動沉陷規律；杜強等[23]綜合利用AutoCAD、surfer、rhino3D、ANSYS、FLAC3D進行山區煤礦開采模型模擬，提高了模擬結果的可信度；崔劍鋒[24]采用數值分析，揭示了地下開采會使得地表斜坡原有的裂縫擴大發展和坡體失穩破壞的過程及機理。以上研究不足的是大多基于單次采動造成的影響，而對礦山地質災害演化過程中的微地貌特征、巖體結構、地面潛在致災地質體的變形破壞與井下采掘空間發展的時空關系少有研究。基于此，針對含軟弱夾層的順層陡巖受地下重復采煤的影響，采用離散元數值軟件UDEC 模擬陡巖下方緩斜近距離薄煤層群區段上行開采，分析陡巖的應力變化、采動裂隙擴展、陡巖基底巖層和坡頂面的位移變化、陡巖的破壞形式及可能產生的失穩模式。

1 地質及工程背景概述

在西南山區較為常見的陡巖多為石灰巖山體夾薄層泥巖[25]，根據西南礦區常見的地層分布以及地貌特征，模擬的地質條件為陡巖內巖層臨空外傾、傾角25°，陡巖坡面直立與巖層走向相同，陡巖坡高89 m、坡頂面基巖裸露，坡肩往內17 m 左右位置，有1條深度約15 m 的裂縫。距坡頂面20 m 處和陡巖基底處分別有厚度為1 m 和2 m 的泥巖，其余坡體為灰巖。陡巖下方有3 層可采煤層，從上到下分別為上煤層、中煤層和下煤層，相鄰煤層平均層間距均為5 m，層間巖層為砂質泥巖，各煤層平均厚度均為1 m。從上煤層到陡巖基底的垂直距離為150 m，到陡巖坡頂垂直距離為239 m。煤（巖）層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram

采礦方法為走向長壁采煤法，全部垮落法處理采空區。不同煤層采用下行式開采，即同一采區首先開采上煤層，然后開采中煤層，最后開采下煤層；為解決水害，同一煤層采用上行開采，上下開采邊界距離模型左右兩側100 m。下開采邊界在陡巖外距坡面水平距離255 m，上開采邊界在陡巖內距坡面水平距離145 m。陡巖傾斜剖面圖如圖2。

圖2 陡巖傾斜剖面圖Fig.2 Inclined section of steep rock

2 順層巖質陡巖變形破壞數值模擬結果

2.1 模型建立

本研究采用Itasca 公司推出的離散元軟件UDEC6.0 進行數值模擬，根據礦井的實際條件建成水平全長600 m，最大高度為500 m，最小高度為155 m，陡巖高為89 m 的模型。為了消除模型邊界對開挖的影響在模型左右邊界各留100 m 邊界煤柱。模型的左右兩側設置位移邊界條件，限制水平位移；底部為固定邊界，模型的上部為地表自由面。

計算采用的模型為摩爾-庫倫塑性模型，節理面接觸庫倫滑移模型。根據前人的研究成果巖層物理力學參數取值以及各巖層的節理物理力學參數見表1 和表2[26]。

表1 巖層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

表2 巖層節理物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of rock joints

由圖2 可知，在上層煤上方150 m 處的基底巖層布置1 條測線，同時在陡巖表面布置6 個測點以分析陡巖的穩定性。

2.2 基底巖層位移與應力模擬結果

2.2.1 基底巖層應力

煤層開采后，基底巖層下沉值直接影響陡巖的穩定性，因此，基底巖層的應力與位移對陡巖的穩定性分析具有重要意義。基底巖層在煤層開采過程中受到的垂直應力如圖3。由圖3 可知，開采不同煤層過程中，基底巖層的垂直應力的整體分布趨勢相似，呈波狀起伏變化且各曲線的應力值相差不大。模型左邊界受邊界影響垂直應力最大隨后開始逐漸減小，在100 m 和200 m 附近垂直應力達到最大值，在高陡邊坡的坡腳以外垂直應力急劇減小。

圖3 基底巖層垂直應力曲線Fig.3 vertical stress curves of basement strata

基底巖層的剪應力變化如圖4。各個煤層開采后，基底巖層的剪應力曲線變化趨勢相同且相差不大，在0～75 m 的范圍內，在坐標軸正負之間波動較小，在75 m 以外剪應力波動較大，在150 m 和200 m 附近剪應力最大但方向相反，在陡巖坡腳以外剪應力迅速減小。

圖4 基底巖層剪應力曲線Fig.4 Shear stress curves of basement rock stratum

2.2.2 基底巖層位移

基底巖層的下沉量曲線如圖5。由圖5 可知，在開采不同煤層時，基底巖層的下沉量曲線均呈現一致的走勢，即由平緩到下沉最后再趨于平緩的過程，巖層層面整體呈現出“平穩—下沉—平穩”的反“S”形變化。在基底0～50 m 的范圍內，坡體上部距離工作面較遠，受采動的影響比較小，基底巖層的下沉量較小。在50 m 的位置處，下沉量曲線開始呈現出非線性增加，基底受到了地下采動的影響產生變形，并且在240 m 坡腳處下沉值達到最大后趨于穩定，在達到穩定狀態的下沉值分別是0.8、2.1、3.2 m。煤層的傾角為25°，3 個煤層在法線方向的總厚度為3 m，在垂直方向的總厚度為3.3 m。在陡巖坡腳處基底巖層除產生垂直位移外還有向外的水平位移，因此使得該處的垂直位移增大，導致了各煤層開采后，最終下沉值接近甚至超過累計采高，煤層的重復采動會加劇地表的下沉量。

圖5 基底巖層下沉曲線Fig.5 Subsidence curves of numerical simulation basement strata

基底巖層的水平位移曲線如圖6。開采不同煤層過程中，基底巖層的水平位移曲線均出現“增大—減小—平緩”的整體趨勢，并且變化的范圍一致。在50 m 處，中層煤與下層煤開采后水平位移開始急劇增大，在100 m 附近，開采各煤層的水平位移達到最大值，隨后開始減小，在200 m 處水平位移最小，之后位移逐漸回升，在240 m 陡巖坡腳以外趨于穩定。基底巖層水平位移值的增大與煤層累計采高的增大呈現正相關關系。

圖6 數值模擬基底巖層水平位移曲線Fig.6 Horizontal displacement curves of numerical simulation basement strata

2.3 陡巖變形破壞過程

2.3.1 裂縫發展及陡巖穩定性

UDEC 可以模擬出裂縫的發展情況，上層煤開采后模型的破壞圖如圖7。當上層煤開采完成后，原陡巖坡肩附近深度為15 m 的卸荷和風化裂縫因采動影響繼續往下延伸與下方軟弱夾層貫通，在坡肩形成危巖體。后期地表水沿裂縫進入到軟弱夾層，在水的作用下軟弱夾層軟化且抗剪強度降低，危巖體沿軟弱夾層下滑，當危巖體重心超出陡巖臨空支承面時，危巖發生翻轉墜落，產生危巖崩塌。

圖7 上層煤開采后模型的破壞圖Fig.7 Failure diagram of model after upper coal mining

中層煤和下層煤開采后模型的最終破壞圖如圖8。由圖8 可知，當中層煤、下層煤都開采完成后，除原來的裂縫Ⅰ繼續往下延伸外，還平行的產生了裂縫Ⅱ、裂縫Ⅲ和裂縫Ⅳ，這幾條大的裂縫基本上達到或接近陡巖的基底巖層，形成了較大范圍的山體斷裂，后期在地震、暴雨等各種自然力的作用下有可能發生山體垮塌。

圖8 中層煤和下層煤開采后模型最終破壞圖Fig.8 Final failure diagram of model after mining of middle coal and lower coal

2.3.2 陡巖坡頂位移

通過分析坡頂各監測點的位移變化情況來確定陡巖的穩定性，坡頂各監測點CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 豎直位移時程曲線如圖9。上層煤開采過程中，開挖完區段1 和區段2 后，采空區與地表陡巖的坡腳相距較遠，陡巖上各點的豎直位移變化均很小；隨著工作面繼續推進，各點的豎直位移逐漸增大，當上層煤采完后，測點1 的下沉量為1.03 m，測點2 的下沉量為0.95 m，測點3 的下沉量為0.93 m，測點4 的下沉量為0.78 m，測點5 的豎直位移為0.57 m，測點6 的豎直位移為0.50 m；測點均出現下沉，測點1～測點4 的曲線下沉幅度較大，測點5、測點6 的下沉幅度較小。這是因為測點1～測點4 處于坡肩裂隙附近，受采動的影響，該裂隙進一步拉裂，導致裂隙附近的巖體出現明顯的下沉。

圖9 陡巖監測點y 方向位移時程曲線圖Fig.9 Displacement time history curves in y direction of steep rock monitoring point

在開采中層煤區段1～區段3 過程中，陡巖上各測點均按原下沉曲線斜率產生沉降，開采最后100 m 時，測點1～測點3 的下沉量劇增，測點4～測點6基本按原下沉曲線斜率產生沉降。中層煤開采完成后，測點1～測點6 的下沉量為1.9、1.7、1.6、1.3、0.8、0.7 m。對比上一階段發現，測點1 下沉量的增加最大，增加了0.9 m，增加值接近采高，陡巖臨空面附近的巖體受采動影響最大。

在開采下層煤區段1～區段3 過程中，陡巖上各測點均仍按原下沉曲線斜率產生沉降，開采下煤層區段4 時，由于重復開采，采空區范圍達到最大，這個階段陡巖上各測點的豎直位移有明顯的增大，特別是測點1 的下沉量明顯大于其他各點，說明裂縫外的危巖體有明顯的向外傾斜的現象。

陡巖監測點CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 水平方向位移時程曲線如圖10。陡巖坡頂各點的水平位移有2 個規律：①重復采動過程中，隨著采空區范圍的增加，坡頂各點的水平位移明顯增大；②以坡頂裂縫為界，在裂縫以外的測點1、測點2 的移動速度明顯高于其他各點。說明裂縫外坡肩處的巖體明顯的脫離了裂縫后方的母體。最終測點1、測點2 的水平位移分別為4.2 m 和3.89 m，已經大于煤層的累積開采厚度，測點3～測點6 的水平位移分別為1.71、1.49、1.29、0.93 m。說明危巖體已經形成并產生了明顯的向外的移動。

圖10 陡巖監測點x 方向位移時程曲線圖Fig.10 Time history curves of displacement in x direction of steep rock monitoring points

3 結 論

1）在重復采動過程中，開采不同煤層時，基底巖層的下沉曲線、水平位移曲線、垂直應力曲線以及剪應力曲線的變化趨勢基本相同；重復采動使得基底巖層在垂直和水平方向的位移增大。

2）上層煤開采后，坡肩處裂隙向下延伸貫穿軟弱夾層，在坡肩形成危巖體，這是危巖崩塌的前提條件。中、下層煤繼續開采后陡巖裂縫進一步向下延伸，當裂縫接近或達到基底巖層時形成山體斷裂，這是山體垮塌的前提條件。

3）隨著各煤層回采區段進入陡巖內部后，在基底巖層下沉和陂肩裂縫擴展的共同作用下，裂縫以外靠臨空面的測點的水平位移比裂縫以內的其他測點明顯增大，危巖體有向陡巖臨空面移動的趨勢。