老地溝煤礦采動斜坡危巖穩(wěn)定性及防治研究

姬曉東，鮑大忠

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553000）

1 概述

貴州省是我國南方煤炭儲量大省，素有南方“煤海”之稱[1-3]，其中貴州西部山區(qū)的含煤地層分布較廣。在這些高陡山區(qū)，地下采煤極易引起上部高陡斜坡發(fā)生變形，產(chǎn)生高位崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[4]。近幾年已發(fā)生如納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑村崩塌[5]、凱里龍場鎮(zhèn)崩塌[6]等多起大型高陡采動斜坡高位崩塌災(zāi)害，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對于地下采煤引起潛在高位崩滑災(zāi)害，具有哪些特征，成因機(jī)制如何，危害程度多大，備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

目前對于采煤引起的高位崩滑地質(zhì)災(zāi)害的研究多集中于現(xiàn)場調(diào)查發(fā)育特征及誘發(fā)因素等方面，更為準(zhǔn)確有效的查明潛在危巖體的穩(wěn)定性分析及運(yùn)動過程，對防治對策的實(shí)施尤為重要[7]。陳宙翔[8]等采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)研究了強(qiáng)震區(qū)公路高位危巖崩塌的形成機(jī)制并開展穩(wěn)定性評價。孫敬輝[9]采用數(shù)值模擬研究了重慶額子巖崩塌落石動力學(xué)特征，并基于模擬結(jié)果開展危險性分區(qū)。熊紹真[10]運(yùn)用離散元方法模擬了普灑崩塌的破壞過程并與崩塌實(shí)際過程進(jìn)行對比,證明了離散元方法研究崩塌過程的可靠性。

貴州老地溝煤礦便為典型的采礦引起的斜坡高位崩塌災(zāi)害。該斜坡危巖體現(xiàn)具長大裂縫與變形破壞，威脅坡下的主工業(yè)場區(qū)、煤礦瓦斯發(fā)電站、玉馬公路及39 戶212 人的生命財(cái)產(chǎn)安全，存在嚴(yán)重安全隱患。本文將以老地溝煤礦采動斜坡為例，結(jié)合無人機(jī)調(diào)查，獲取危巖發(fā)育特征，并采用三維數(shù)值模擬方法對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，最后提出防治對策，以期達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，對類似采動斜坡高位崩滑災(zāi)害的防治提供一定的參考價值。

2 地質(zhì)背景

老地溝煤礦位于六盤水市水城區(qū)西偏南部勺米鎮(zhèn)坡腳村。區(qū)域內(nèi)為切割劇烈的中山區(qū)，陡巖坡度在35°～85°之間，地勢北東高，南西低。區(qū)域出露地層有：二疊系峨嵋山玄武巖組（P2-3em）、龍?zhí)督M（P3l）、三疊系飛仙關(guān)組（T1f）、嘉陵江組（T1-2j）及第四系（Q）。總體地層走向NW，傾向NE。含煤地層受侵蝕切割，地形復(fù)雜，坡度稍緩，坡度在35°左右，煤層露頭一般標(biāo)高1300～1600m。區(qū)內(nèi)地勢北東高，南西低，最高點(diǎn)位于北東部斷崖山頂，高程2184.40m，最低點(diǎn)位于南東部，高程1321.4m，相對高差863.00m。研究區(qū)位于格目底向斜南翼東段。全區(qū)氣候溫和濕潤，雨量充沛。區(qū)域內(nèi)采空區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜，存在多期次開采歷史，留有較大規(guī)模的采空區(qū)，已造成上方山體裂隙及危巖體的加劇變形，部分危巖發(fā)生脫落，結(jié)構(gòu)完整性及穩(wěn)定性受到影響，嚴(yán)重威脅到所在地煤礦和村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3 斜坡及危巖體現(xiàn)狀

3.1 斜坡基本特征

研究斜坡位于煤礦工業(yè)廣場北東側(cè)，頂部高程2089m，陡緩交接處2020m，底部緩坡河流高程約1350m。斜坡頂部上部為緩坡平臺，上部陡峭，坡度近直立陡崖，坡向約223°，其下緊接約20m寬的平臺。斜坡中部發(fā)育多條狹窄溝谷，坡度約35°～50°。斜坡底部為緩坡。陡崖出露地層為嘉陵江組（T1-2j）中厚層泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，產(chǎn)狀41°∠22°。巖體發(fā)育有兩組節(jié)理面，產(chǎn)狀為73°∠82°和221°∠59°，風(fēng)化掉塊嚴(yán)重。斜坡中部出露巖體為飛仙關(guān)組（T1f）的細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。地層巖性為上硬下軟，斜坡結(jié)構(gòu)類型為存在軟弱基座的緩傾內(nèi)陡坡。

3.2 危巖體發(fā)育特征

危巖體在地形上處于山梁突出位置。后緣（頂部緩坡平臺）發(fā)育有兩條大的裂縫LF1和LF2。潛在崩塌體前端縱向長度約80m，橫向?qū)挾燃s60m，厚度約21m，危巖體的體積方量約10×104m3。潛在崩塌后端縱向長度約20m，橫向?qū)挾燃s20m，厚度約7m，危巖體的體積方量約0.28×104m3。

危巖前端的右側(cè)邊界（左右以面向崩塌運(yùn)動方向判斷），后端的右側(cè)邊界尚未形成。坡表存在由上部向下推擠形成的壓碎破壞，形成局部崩塌。部分形成表觀裂縫，尚未貫通。危巖前端的已存在由破壞巖體形成的陡崖和底部剪出滑面，揭示破壞形式為后緣的拉裂—底部的陡傾角剪出破壞。中上部巖體為鑲嵌—塊裂結(jié)構(gòu)，后緣拉裂面已貫通。下部巖體為壓碎帶，巖體破碎，但尚未形成貫通性的破壞面，為鎖固段。

危巖前端的左側(cè)邊界揭示巖體厚度有一定變化，頂部巖體厚約15m，底部厚度約29m。中上部邊界貫通性較好，主要表現(xiàn)為傾倒形成的雁列式拉張裂縫，中下部尚未形成貫通性破壞面，為巖體的鎖固段。危巖體出現(xiàn)局部崩塌掉塊現(xiàn)象，崩塌掉塊巖體堆積于危巖帶下部平臺及落石槽中。見圖1。

圖1 斜坡及高位危巖全貌圖

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

危巖體上部的GNSS監(jiān)測儀器結(jié)果顯示，自9月以來，已發(fā)生明顯的下降和橫向位移，且隨時間而不斷加速位移。累積下降位移量達(dá)到1272.10mm，累積橫向位移量達(dá)到427.60mm。記錄到12月初，位移曲線的變化趨勢仍在繼續(xù)。見圖2。

圖2 坡表位移監(jiān)測曲線

4 穩(wěn)定性分析

危巖前端的中上部裂縫基本形成且貫通，右側(cè)出現(xiàn)下錯現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較差，危險性高；左側(cè)至右側(cè)的剪切滑動面尚未貫通，存在鎖固段，目前仍處于累進(jìn)性變形階段，尚未達(dá)到整體破壞的條件。巖體右側(cè)裂縫貫通性好且底部巖體壓碎已出現(xiàn)局部破壞，左側(cè)主要為中上部的傾倒拉張破裂而底部巖體仍處于壓碎累進(jìn)變形，右側(cè)穩(wěn)定性相對左側(cè)穩(wěn)定性差，且右側(cè)巖體破碎松動，已出現(xiàn)局部掉塊崩塌。危巖后端穩(wěn)定性受前端影響較大，前緣具有壓腳鎖固作用，當(dāng)前端失穩(wěn)或被全部清除后，后端的穩(wěn)定性將受到較大影響，若前端失穩(wěn)，將形成新的陡崖及新的潛在崩滑體。

4.1 危巖體穩(wěn)定性

由于采礦因素的影響還沒有成熟的定量計(jì)算方法，研究根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZT0219-2006），采用折線型傳遞系數(shù)法計(jì)算危巖體的穩(wěn)定性。計(jì)算考慮天然、暴雨工況。暴雨?duì)顟B(tài)只考慮水對巖體參數(shù)的弱化和裂隙水壓力，暴雨?duì)顟B(tài)下裂隙充水高度取1/3h（根據(jù)裂隙發(fā)育情況和匯水情況而定）。底部滑面段巖體強(qiáng)度參數(shù)按結(jié)構(gòu)面連通率80%進(jìn)行取值，計(jì)算參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)面根據(jù)巖性特征和野外調(diào)查結(jié)果，抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值參考《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T-50266-99），天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合一般，暴雨?duì)顟B(tài)下結(jié)合程度為結(jié)合差。本次計(jì)算根據(jù)危巖體形態(tài)特征和物質(zhì)組成，選擇I-I′剖面、II-II′剖面和III-III′剖面作為計(jì)算剖面（圖3），潛在滑面主要依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、裂隙發(fā)育情況綜合確定。

表1 巖體參數(shù)取值表

圖3 穩(wěn)定性計(jì)算選取剖面線

計(jì)算結(jié)果（表2）得出，天然工況下危巖體整體處于極限平衡狀態(tài)，暴雨工況下極容易失穩(wěn)，容易發(fā)生滑移式破壞，其中危巖前端已出現(xiàn)局部破壞。若考慮采礦引起的拉應(yīng)力集中，危巖體在天然工況下整體穩(wěn)定性差，可能使危巖體產(chǎn)生由陡傾坡外兩組結(jié)構(gòu)面控制的傾倒拉裂—滑移式崩塌破壞。

表2 穩(wěn)定性結(jié)果

4.2 危巖體崩塌運(yùn)動模擬

為了研究危巖體破壞運(yùn)動對下方梭沙村、工業(yè)廣場、瓦斯發(fā)電站及其附近居民點(diǎn)的影響，采用PFC模擬方法研究了危巖體及局部破壞的部分落石運(yùn)動路徑。考慮2 種工況：①危巖前端整體滑移式破壞，體積10×104m3物質(zhì)的運(yùn)動。②危巖前端整體滑移式破壞，并帶動下部平臺堆積體，體積13×104m3物質(zhì)的運(yùn)動。

工況1中，落石主要沿二級平臺下三處泥石流溝開始向下運(yùn)動（圖4中黑色箭頭方向）。西邊滑動最大距離為660m，無威脅對象；東至勺米鎮(zhèn)中學(xué)處泥石流沖溝，滑動距離為1134m；南部滑落至工業(yè)廣場及其西部居民房屋處，最大滑動距離為1001m。崩塌體落石直接穿過的建筑物及公路范圍，主要為工業(yè)廣場及其左邊溝谷區(qū)的居民房屋。

圖4 PFC數(shù)值模擬結(jié)果

工況2中，落石主要沿二級平臺下四條泥石流溝開始向下運(yùn)動（圖4中黑色箭頭方向）。西邊滑動最大距離為832m，無威脅對象；東至勺米鎮(zhèn)中學(xué)右部泥石流沖溝，滑動距離為1094m；南部滑落至工業(yè)廣場及其西部居民房屋處，最大滑動距離為1000m。崩塌體落石直接穿過的建筑物及公路范圍，直接威脅區(qū)域?yàn)楣I(yè)廣場、瓦斯發(fā)電站。少量崩塌落石滑落區(qū)域及泥石流范圍，在其運(yùn)動路徑上存在建筑物或防護(hù)措施的攔截，并未受到落石撞擊的直接威脅，但仍在影響范圍內(nèi)。

5 防治對策思考

為了應(yīng)對危巖體崩塌可能形成的嚴(yán)重災(zāi)害，根據(jù)其發(fā)育特征，按照防治原則，提出“削方減載+被動防護(hù)”的防治對策。在崩塌危險源區(qū)，對危巖體削方減載，提高危巖體穩(wěn)定性系數(shù)；在落石運(yùn)動堆積區(qū)，分級被動攔防，降低或消除落石危害。

削除危巖體1/2高度，削方高度為40m。采用四級放坡設(shè)置，最低點(diǎn)馬道高程2076m，高程每增加10m設(shè)置一個馬道，位于變形體內(nèi)的馬道寬度設(shè)置為10m，位于變形體外的馬道寬度設(shè)置為3m，坡高比1∶0.75，馬道高程、邊坡輪廓保持不變，兩側(cè)以水平方向45°角向陡崖邊緣修整，削方體水平投影面積3574m2，削方方量約為7×104m3。削方減載后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為：I-I′剖面天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為2.13、暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.71；II-II′剖面天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.50、暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.15；III-III′剖面天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.47、暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.13。經(jīng)過削方減載后，危巖穩(wěn)定性明顯提高。

設(shè)計(jì)防治對策布置思路為：在危巖體頂部及下方設(shè)置位移及裂縫監(jiān)測點(diǎn)，在斜坡下方溝道內(nèi)設(shè)置混凝土攔石墻和落石槽，在斜坡頂部后方平臺上設(shè)置土石臨時轉(zhuǎn)運(yùn)場。此外，在削方期間對坡下部分居民點(diǎn)、老地溝煤礦工業(yè)場地，梭沙村泥石流溝底進(jìn)行臨時避讓。

6 結(jié)論

老地溝煤礦上部危巖體為具有軟弱基座的緩傾內(nèi)陡斜坡。危巖體后緣裂縫開裂變形嚴(yán)重且有下錯現(xiàn)象，穩(wěn)定性差。下部尚存在未剪斷的鎖固段。處于累進(jìn)性變形階段。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果說明右側(cè)穩(wěn)定性比左側(cè)穩(wěn)定性差。天然工況下危巖體整體處于極限平衡狀態(tài)，暴雨工況下極容易失穩(wěn)，容易發(fā)生破壞。若考慮采礦引起的拉應(yīng)力集中，危巖體在天然工況下整體穩(wěn)定性差，可能使危巖體產(chǎn)生由陡傾坡外兩組結(jié)構(gòu)面控制的傾倒拉裂—滑移式崩塌破壞。

危巖體破壞后的運(yùn)動模擬結(jié)果顯示，10×104m3時落石可能會直接穿過工業(yè)廣場及其左邊溝谷區(qū)的居民房屋；13×104m3時落石可能會穿過工業(yè)廣場、瓦斯發(fā)電站，并且少量落石將滑落至泥石流溝道范圍，因在其運(yùn)動路徑上存在建筑物或防護(hù)措施攔截，并未受到落石撞擊的直接威脅，但仍在影響范圍內(nèi)。防治對策思路主要為削方減載+被動防護(hù)，削方后的危巖體能處于穩(wěn)定狀態(tài)。在斜坡下方溝道內(nèi)設(shè)置混凝土攔石墻和落石槽，增設(shè)土石臨時轉(zhuǎn)運(yùn)場。注意在削方期間對可能受影響的部分居民點(diǎn)、老地溝煤礦工業(yè)場地、梭沙村泥石流溝底進(jìn)行臨時避讓。此外，仍需加強(qiáng)對危巖體的監(jiān)測。