采動和降雨影響下含深大裂隙巖溶山體破壞機制

摘要：為闡明采動和降雨入滲條件下含深大裂隙巖溶山體變形和破壞規律，以貴州省納雍縣普灑滑坡為例，通過塊體離散元數值分析，探討煤層開挖擾動和降雨入滲作用下含深大裂隙巖溶山體失穩破壞機制。結果表明，隨著 M10和 M14煤層開采，山體上覆巖層向采空區方向下移，新生裂隙向坡表發育。工作面上覆巖層裂隙帶高度隨采空區范圍的增大而增加，M10和 M14開采結束后，裂隙帶分別發育至30倍和40倍采高，坡頂深大巖溶裂隙向坡下擴展。降雨入滲后，上覆巖層裂隙帶與深大巖溶裂隙貫通，在孔隙水壓力作用下深大巖溶裂隙向坡表擴展形成貫通滑動面，巖溶坡體發生崩滑破壞。研究發現，地下采動是普灑老鷹巖山體變形破壞的控制因素，后續降雨是山體失穩的主要誘發因素。

關鍵詞：巖溶斜坡；裂隙；地下開采；降雨；離散元

中圖分類號：P954文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2023）06-001-13

Failure mechanism of karst mountain with deep and large fissures under the influence of mining and rainfall

LIU Xinrong1a， 1b， 1c ， RANQiao1a， 1b ， XIONGFei1a， 1b ， LI Bin2 ， YANGZhongping1a， 1b， 1c

（1a . School of Civil Engineering;1b . State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics andControl;1c . National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R . China;2. Institute of Geomechanics， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Toclarifythedeformationandfailurelawof karst mountain withdeepandlargefissures under the action of mining and rainfall， by taking the Pusa landslide in Nayong County of Guizhou Province as an example， the instability and failure mechanisms of karst mountain with deep and large fissures under the action of mining and rainfall were discussed through block discrete element numerical analysis . The results show that the overlying strata of the mountain moved down to the mined-out area with the mining of coal seams M10 and M14， and new fraclures developed to the slope surface . Simultaneously， the height of thethe fracture zone of the overlying strata in working face increased with the increase of the goafrange . The fracture zone developed to 30 and 40 times the mining height after mining M10 and M14， respectively， and the deep karstfissure expanded to the lower slope .After rainfall and infiltration， the fracture zone of the overlyingstrata was connected with deep and large karst fissures . The deep and large karst fissures expanded to the slope surface to form a potential sliding surface under the action of pore water pressure， leading to the collapse and slide of the karst slope . Through comparative study， miningisthecontrolfactorof thedeformationanddestructionof theLaoyingyanMountain，andsubsequent rainfall is the main inducing factor of slope instability.

Keywords： karst slopes; deep and large fissures; underground mining; rainfall; UDEC

中國西南巖溶山區受長期構造運動和地下水侵蝕作用，巖溶作用強烈。受特殊的沉積環境和地質作用控制，山體上部普遍為陡峭硬質灰巖，下部為較緩軟弱巖層，如頁巖和泥巖等，形成上陡下緩的“靴”形地貌[1]。同時，這些區域采礦活動頻繁，對山體擾動強烈，造成大量崩滑災害[2-3]。由于山體應力分異和巖溶水的作用，山體通常發育深大裂隙，這些深大裂隙控制著山體的穩定性[4]。加上西南地區降雨強度大，持續時間長，作用在深大裂隙內的水壓力極易觸發受擾動巖溶山體的崩滑災害[5]。因此，研究采動和降雨影響下含深大裂隙巖溶山體的穩定性尤為重要。

巖溶崩滑災害的發生受多種作用影響，主要包括自然因素和人類工程活動。巖溶山體內部裂隙發育，地下水的溶蝕作用強烈，形成大量巖溶裂隙和管道，地下水入滲后進一步擴展成深大巖溶裂隙[6]。深大裂隙底部易形成高應力集中區，導致裂隙擴展，影響巖溶山體的變形及破壞模式[7-8]。對于有后緣深大裂隙的邊坡，裂縫充水高度越大，發生失穩可能性越大[9]。降雨入滲為巖溶山體的水力活動提供條件，水的力學作用使巖體質量和滑面滑動力增大[10]；水的潤滑、軟化和溶蝕以及水-巖相互作用導致裂隙發育和巖體強度降低，易引發重大滑坡災害[11-12]。同時，降雨入滲使坡體含水量自上而下逐漸變化，坡體與后緣形成較大水頭差，造成坡體承受向外的滲流力，從而形成滑坡[13-15]。

中國西南巖溶山區蘊藏著豐富的煤炭資源，近些年開采活動越發頻繁。地下開采引起巖層移動和斷裂，在地下形成較大的采空區，極易誘發山體滑坡，例如，重慶武隆雞冠嶺滑坡[16]、云南鄭雄滑坡[17]、貴州水城滑坡[18]和馬達嶺滑坡[19]。采動滑坡受多種因素影響，如降雨、地下采空、地震等[20]，采動后形成沉陷區，附近巖體發生明顯變形，導致山體穩定性下降[21-23]。西南巖溶山區采動滑坡中，地下開采引起坡體上部陡傾巖體層間錯動、礦層巖體發生傾倒破壞、礦層下部巖體發生剪切破壞，導致山體傾倒-滑剪的失穩模式[24-26]。

前人對采動作用后，巖溶坡體失穩破壞機制進行了詳細研究，取得較多成果，但對于深大巖溶裂隙對采動山體穩定性的影響研究較少，考慮降雨作用后情況更為復雜，仍需進一步研究。以貴州省納雍縣普灑滑坡為研究對象，在現場調查的基礎上，通過數值計算模擬高陡巖溶山體地下開采和降雨入滲過程，闡明含深大巖溶裂隙山體的破壞機制。

1 滑坡基本概況

1.1 地質環境條件

貴州省納雍縣普灑“8·28”崩滑區屬于構造剝蝕地貌，總體走向為西南，最高海拔2147 m ，最低海拔1842 m ，地形坡度10°～25°，部分地段坡度達到55°～70°。崩塌區裸露巖層主要包括三疊系下統夜郎組（ T1y），上部主要為中厚層狀灰巖，下部為砂質泥巖；二疊系上統長興一大隆組（ P3 c+d），上部主要為泥質灰巖，下部為灰色中厚層狀、薄層狀灰巖；二疊系上統龍潭組（ P3 l），即地層，位于峨嵋山玄武巖組假整合面之上，主要由泥巖、粉砂質泥巖及煤層組成；地面被第四系土層覆蓋。調查區內煤層和地層產狀一致，均為單斜，傾向為138°～1878°，傾角為78°～108°。受巖性組成影響，區內多形成“上硬下軟、上陡下緩”的高陡斜坡。斷裂構造較發育，主要不利斷層有 F1、F2、F3，如圖1所示。

1.2 水文氣象條件

納雍縣地處亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充沛，年平均降雨量1200～1300 mm 。6月份降雨量到達峰值，為 223 mm ； 12月份最少，為 22 mm ；5月—9月降雨集中，占全年總降水量的70%以上。由圖2可知，納雍縣張家灣2017年1月—5月降雨量較少，6 月和7月降雨集中，氣候具有“久晴久雨”的特點。調查區地下水主要由大氣降水提供，通過巖體微裂縫和巖溶管道滲透到地下，主要包括碳酸巖溶水、基巖裂隙水和松散巖石孔隙水。在降雨入滲下巖體裂隙形成靜水壓力，對山體內砂巖和泥灰巖起軟化作用;納雍地區位于云貴高原東部，陽光充足，巖體被長期曝曬，加劇巖體的碎裂程度[1]。

1.3 巖溶及裂隙發育特征

普灑山體上部為可溶性灰巖，下部弱透水泥巖形成相對隔水層，有利于地下水的匯集[6]。在強降雨過程中，雨水不能及時滲透到泥巖以下，導致穩定水位線以上形成大面積飽和區[10]。普灑地區6月—7月降雨量最為豐富，在強降雨作用下，一方面，導致地下水劇烈運動，集中在巖性敏感地帶時產生地面塌陷坑，長度達到5.2 m ，如圖3（a）所示；另一方面，地下水沿著可溶巖層面流動，裂隙壁不斷被溶蝕和沖蝕，在裂隙內不斷聚集形成巨大的瞬時水壓，裂隙進一步擴展，逐漸在山體上部形成深大巖溶裂隙，如圖3（b）所示。

根據地質資料[27]，2006年“老鷹巖”山體開始發生變形;2009年在崩塌區后緣存在1條走向為 N30?～35?E 的長大裂隙，將崩塌體與后緣母巖隔開。裂隙槽內巖體破碎，主要為表層巖體風化產物，槽壁灰巖溶蝕強烈，巖溶裂縫的寬度隨著時間逐漸增長。2014年時，長大裂隙擴展到180 m，寬34 m，同時，在崩塌源區出現多條裂縫；其中 ，幾條裂縫出現在崩塌區后緣邊界，直到崩塌發生，裂縫逐年擴展。經現場調研發現，崩塌區后緣存在拉陷槽，如圖4（a）所示，槽內巖體破碎，呈米黃色，有大量溶蝕裂隙。拉陷槽后部有大量地裂縫，如圖4（b）、（c）所示，長度約30 m ，可見深度0.5～1.2 m ，裂隙寬度0.2～0.8 m 。

1.4 煤礦開采概況

坡腳下的采煤活動是對普灑滑坡影響較大的人類活動。該煤礦從2007年開始開采，已連續開采10余年，長期的煤炭開采活動對老鷹巖以下的地層結構產生了巨大的改造作用，導致地應力重分布，對崩塌滑坡災害產生重要影響。該區可采煤層主要為 M6、M10、M14、M16、M18和 M20，如圖5所示，總厚度8.06 m 。2010年前，主要開采 F4斷層上方 M16煤，到2009年，老鷹巖頂部出現拉張裂縫；2011年后，主要開采 M10和 M14煤層，坡頂上的裂縫繼續擴大，形成沉降槽，偶爾在坡面上發生小規模崩塌。

2 數值模型的建立

2.1 模型基本參數

以普灑崩塌山體為基本原型，依據滑坡剖面圖，建立 UDEC 二維數值計算模型。如圖5所示，模型長841 m ，高378 m ，節理產狀為310°∠7°。通過崩塌前、后地質調查資料對比分析，發現山體節理和深大巖溶裂隙發育強烈，巖層向節理間距為6 m ，正交次級節理間距為12 m 。根據現場調研和地質資料分析[1 ，6]，得出崩塌區后緣深大裂隙分布范圍，在坡頂設置4條深大巖溶裂隙，裂隙深50～80 m ，寬1.5～2 m ，傾角70°。巖體和煤層采用摩爾-庫倫彈塑性模型，節理采用摩爾-庫倫平面接觸滑移模型。基于文獻分析類比[4 ，6]，巖體、煤層和節理的物理力學參數取值如表1所示。模型左右邊界和下邊界設為法向約束邊界，上邊界為自由邊界，重力場設為初始應力場，取 g=9.80 m2/s。

2.2 煤層開采模擬

基于實際煤層開采條件，數值模擬取 M10、M14煤層進行開挖。首先，計算至山體初始平衡；然后，開采煤層，每個煤層設置10個開采步，每步開采10 m ，每個計算步長為105步。順坡開采 M10煤層，當模型在應力平衡后再開采 M14煤層，直至山體再一次平衡，兩層采空區總采高3.5 m 。監測點設在模型坡體表面和 M10煤層面以上，位置如圖6所示。

2.3 降雨入滲工況

根據調查資料[28]，2013年以來，調查區山體位移逐漸變大，2017年8月發生坍塌。6月和7月份為降雨集中月，降雨量達到峰值，分別為161.8 mm 、228.7 mm （見圖3）。考慮到降雨入滲對深大裂隙的充水作用，結合現有文獻和研究區降雨條件，計算時，把降雨等效為深大裂隙內靜水壓力，充水高度為裂隙深度[29-30]。在 UDEC 滲流過程中，裂隙中的流體壓力決定滲流場的變化，滲流場的變化反過來控制應力場的變化，滲流-應力耦合計算采用 Steady-State Flow 算法[31]。泥巖層和模型左邊界設定為不透水邊界。為簡化問題，節理滲透系數統一取1×108（MPa·s）-1，初始開度取0.005 m ，殘余開度取0.003 m[31-32]。降雨過程設置10個計算步，每個計算步長為105步。

3 結果分析與討論

3.1 坡體變形

采動和降雨作用下坡體變形云圖，如圖7所示，箭頭表示位移方向。M10煤層開采后（見圖7（a）），上覆巖體產生指向采空區方向的位移，頂板巖層失去支撐出現冒落，頂板最大位移為2.43 m 。煤層頂板的變形傳遞到上覆巖層，山體出現整體沉陷。頂部裂隙槽切割的巖橋向坡體后側傾倒，深大裂隙2上部逐漸閉合。M14煤層開采后（見圖7（b）），頂板巖層冒落面積擴大，巖層卸荷帶整體下移，上覆巖層繼續下沉，煤層頂板的最大位移增加至3.71 m 。坡頂出現明顯下沉，巖橋進一步向坡體后側傾倒，坡頂巖體沿深大裂隙2向下滑移，坡體中部巖體傾斜向臨空面移動。考慮降雨條件下山體變形響應（見圖7（c）），坡頂巖體進一步下沉，巖橋繼續向山體后側傾倒，山體上部巖體位移顯著增大，深大裂隙1頂部位移達4.00 m 。坡體向臨空面移動趨勢增大，中部巖體受坡頂下沉影響繼續向外擠出。

在坡體變形響應中，采動和降雨對上部巖體位移的影響是一個不斷調整的過程。當開采到 M10煤層時，坡體發生整體下沉，被裂隙槽切割的巖橋向坡體后緣傾倒，深大裂隙2上部閉合。裂隙底部產生向右下方擴展的裂隙，擴展的裂隙阻斷了采動位移影響區向坡體后緣的傳遞。開采到 M14時，坡頂巖體沿深大裂隙2下滑，坡體中部坡頂巖體下沉受到推擠作用，該部分巖體有被臨空擠出的趨勢。采動位移區擴展至深大裂隙3底部，裂隙底部產生向右下方擴展的裂隙，坡體后緣逐漸形成了類懸臂梁結構。降雨結束后，受到裂隙水壓推力和滲流影響，坡體中部巖體無法承受來自坡頂巖體的推力，被臨空擠出，沿深大裂隙2向下滑移，坡體發生失穩。綜上所述，采動和降雨作用下坡體的變形過程可概括為：坡體沉陷變形—巖橋向坡內傾倒—上部巖體沿主裂隙滑移—中部巖體擠出。

坡表監測點的水平位移、豎向位移如圖8所示。由圖8（a）可知，在采動和降雨后，坡頂測點1水平位移始終為正值且呈現增大趨勢，表明上部巖體向坡體內側傾倒。坡中監測點2和坡腳監測點3在開采和降雨后向著臨空面方向移動，說明坡體中部巖體不斷被臨空擠出。在山體變形過程中，坡腳監測點3水平位移始終大于坡中監測點2，表明坡腳巖體擠出最明顯。坡表監測點豎向位移如圖8（b）所示，監測點1和2豎向位移在采動和降雨過程中變化過程相似，始終保持下沉趨勢。測點1下沉量遠大于測點2，說明越靠近坡頂下沉越嚴重。坡腳監測點3垂直位移變化趨勢與測點1和2相差較大，M10開采后測點3保持下沉趨勢，說明山體出現整體沉陷；開采 M14和降雨后測點3無明顯下沉，這是由于 M14開采后坡腳巖體被臨空擠出，變形趨勢主要為水平位移。

結合圖8各測點的水平位移和垂直位移可知，開采和降雨結束時，坡頂測點1的垂直位移最大達到1.15 m ，水平位移向正向增加，達到0.43 m ，說明坡體上部在發生沉降變形的同時向坡體內測傾倒；坡腳測點3產生的水平位移值達到0.72 m ，而垂直位移值最大僅為0.13 m ，表明坡體下部主要為水平位移，被臨空擠出。在整個坡表變形過程中，坡表上部受采動和降雨影響下沉和內傾明顯，坡表中下部向臨空面擠出。

覆巖監測點位移如圖9所示。由圖9（a）可知，監測點4水平位移為正值，隨著采動和降雨逐漸增大，與測點1水平位移變化相似，這是由于測點4位于坡頂，在坡體變形過程中向內側傾倒。監測點5～7在采動和降雨過程中由于受上部巖體擠壓作用向臨空面移動，水平位移為負值，并呈現不斷增大趨勢。測點8位于煤層頂板，由于煤層開采后頂板向采空區冒落，位移出現2次突變。但水平位移總體較小。覆巖檢測點豎向位移如圖9（b）所示，監測點4～7在開采和降雨過程中變化趨勢相近，其中，測點7豎向位移最大，說明越靠近采空區豎向位移越大。測點8在坡體變形中豎向位移遠大于其他測點，這是由于測點8位于煤層頂板，受采空區擾動影響最大，2次突變代表2次由于煤層開采引起的冒落帶位移。

對比分析覆巖測點水平位移和豎向位移變化圖可知，覆巖變形主要表現為山體整體下沉，其中，頂板測點8豎向位移最大為3.50 m ，降雨對坡體變形影響主要表現為山體上部巖體臨空擠出。

3.2 坡體裂隙演化分析

圖10為 M10、M14煤層開采及降雨作用下坡體裂隙發育圖，藍色線段代表開裂的節理。由圖10（a）可知， M10煤層開采結束后，上覆巖層出現離層現象，采動裂隙向上發育，并擴展至坡腳高度，深大裂隙1、2向坡體右下方擴展。 M14煤層開采結束后（見圖10（b）），上覆巖層進一步下沉，采動裂隙擴展至坡體中部，接近深大裂隙2底部。深大裂隙3和4開始在底部發生擴展，深大巖溶裂隙1和2進一步擴展， 4條深大巖溶裂隙發育區域擴大。由圖10（c）可知，考慮降雨作用下，采動裂隙帶擴展范圍進一步增大，與深大裂隙1和2底部貫通，深大裂隙3和4繼續向底部擴展。在深大裂隙水壓推力和坡頂重力作用下，坡體中下部巖體受到擠推，產生潛在滑面，滑面向著深大裂隙1底部擴展。

結合3個階段的裂隙擴展圖分析，M10和 M14開采后深大裂隙底部和上覆巖層裂隙發育，使坡體上部裂隙開度增大，處于不穩定的狀態。降雨后，在裂隙水壓和坡頂巖體擠壓作用下，坡體中部裂隙貫通，形成向臨空面發展的裂隙面，坡體發生破壞。

統計不同工況下，上覆巖層裂隙帶高度，繪制裂隙帶高度演化圖，如圖11所示。由圖可知，隨著計算步長增加，裂隙帶發育高度不斷增大。M10煤層開采后，裂隙帶高度迅速增加，達到了104 m ，相當于30倍采高。M14煤層開采后，裂隙帶高度增加至40倍采高。因為 M14煤層開采后形成新的采空區，當煤層頂板破碎坍塌充填采空區時，上覆巖層裂隙繼續向上擴展。降雨后，坡體中部軟弱巖層受到裂隙水壓力的推力和上部巖體擠壓影響，采動裂隙與深大裂隙1和2貫通，裂隙高度增加至150 m 。

3.3 坡體滲流分析

降雨后坡體滲流速度矢量圖，如圖12（a）所示，箭頭表示水的流動方向，顏色表示水流速度。由圖可知，坡體產生向坡下和兩側發展的滲流速率。隔水層上方中心位置流速最小，沿坡外、坡內和上方，流速增大。優勢流主要在深大裂隙附近和坡中擴展開裂的節理中，坡體其他部位節理內滲流速度變化較均勻。其中，潛在滑面的水流速度較大，說明潛在滑面節理開裂嚴重，此處水壓力可促進坡體失穩破壞。

圖12（b）為降雨后坡體節理孔隙水壓力云圖，由圖可知，隔水層上方中心位置水壓力較大，最大孔隙水壓力為0.96 MPa ，沿坡外、坡內以及向上，水壓力減小。深大裂隙2處水壓較小，這是由于降雨結束后，該裂隙已完全閉合，滲流作用較弱。

3.4 降雨作用對深大裂隙山體穩定性分析

圖13為未采動下降雨對山體變形的影響。由圖可知，裂隙充水后，在深大裂隙水壓的推力作用下，坡表位移方向指向臨空面，坡頂變形至上而下減小，裂隙槽附近巖體破碎。由于降雨引起的山體向內側傾倒位移最大為0.21 m ，向臨空面擠出最大位移為0.20 m ，與圖8降雨后的坡體監測點位移圖相比，位移變化量相近，坡頂最大位移值降低。原因是采動作用后，上覆巖層出現大范圍的變形和裂隙擴展，山體整體較為破碎，水壓對節理的滲流作用效果明顯；未采動山體巖體較完整，整體穩定性較好，降雨作用主要是降低坡頂巖體完整性，使坡中巖體向臨空面擠出。采動對坡體變形破壞起控制作用，后續降雨是坡體失穩的主要誘發因素。

3.5 采動和降雨影響下含深大裂隙巖溶山體破壞機制分析

普灑滑坡災害的主要形成原因是人類開采活動和降雨入滲作用，山體在崩塌前經歷了一個漫長的變形過程，在前期地下水的溶蝕作用下，山頂形成了4條深大巖溶裂隙，其中，深大裂隙2為主裂隙，對山體破壞變形起控制作用。將山體失穩過程分為2個階段，采動過程和降雨過程，如圖14所示。

1）采動過程

隨著 M10和 M14煤層開采結束，煤層頂板破碎塌陷并壓實采空區，上覆巖層出現大量采動裂隙，并呈現向上擴展趨勢。坡頂巖橋向坡后傾倒，深大裂隙2上部閉合，各深大裂隙受采動沉陷影響向坡體右下方擴展。坡體上部出現明顯下沉，沿閉合的主裂隙向下滑移，坡體中部軟弱巖體受上部巖體推擠作用向臨空面擠出。

2）降雨過程

降雨后采動裂隙范圍進一步擴大，深大裂隙1和2與覆巖采動裂隙貫通。坡頂巖橋繼續向坡后傾倒，各深大裂隙底部裂隙繼續向右下方擴展。在裂隙水壓力和上部巖體擠壓作用下，坡頂巖體下滑程度加劇，坡中軟弱巖體進一步向臨空面擠出，出現大量破碎巖體，形成貫通的潛在滑動面，巖溶坡體發生崩塌破壞。

坡體變形失穩過程可概括為：坡體沉陷變形—坡頂向坡后傾倒—主裂隙閉合—上部巖體沿主裂隙滑移—坡體中部擠出—潛在滑面貫通—崩滑。

4 結論

通過數值模擬探討降雨作用下，含深大裂隙采動山體破壞機制，主要結論如下：

1）地下采動作用對巖溶山體的穩定性影響較大。巖溶山體在地下采動作用下煤層上覆巖層向采空區方向下移，新生裂隙使巖體強度降低。采動裂隙不斷向坡表發育，上覆巖層裂隙帶高度隨采空區范圍的增大而增加， M10和 M14開采后，裂隙帶分別發育至30倍和40倍采高。坡體抗滑力逐漸減小，山體穩定性不斷下降，并隨頂板巖層的冒落而顯著變化。

2）深大巖溶裂隙對巖溶山體變形破壞影響顯著，在采動作用下，坡頂深大巖溶裂隙向坡下和坡表擴展。隨著采空區的不斷增大，上覆巖層裂隙發育帶逐漸向上擴展并與深大巖溶裂隙貫通，坡體向外擠出變形趨勢顯著增大。

3）加入降雨作用后，坡體位移向臨空面不斷增加，斜坡中部繼續向外擠出，深大巖溶裂隙進一步擴展，在孔隙水壓力作用下深大巖溶裂隙向坡表擴展形成潛在滑動面，普灑老鷹巖發生失穩崩塌破壞。

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（編輯陳移峰）