井工开采条件下斜坡变形分带特征分析

吕义清,刘鸿福

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

井工开采条件下斜坡变形分带特征分析

吕义清,刘鸿福

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

选择具有山区井工开采条件下代表性的斜坡-太原市古交风峁顶斜坡为典型实例，根据斜坡在井工开采下变形特征，和斜坡所处地质环境条件，并结合斜坡变形监测实测资料，进行了坡体不同部位下沉变形分析，得出了山区井工开采条件下斜坡变形破坏具有分带性的特征是：坡脚的水平-隆起变形带、坡腰的水平位移-下沉变形强烈带及坡顶的水平位移-下沉变形减弱带，可为类似地质环境条件及采矿条件下地下开挖引发斜坡变形研究提供参考。

井工开采;斜坡;变形分带

井工开采斜坡坡稳定性问题在山区矿山开采活动情况下广泛存在。在斜坡下方进行井工开采，必然会导致斜坡岩体内部应力重新分布，引起岩体移动[1-2]。井采采空区上方会出现冒落带、裂隙带、弯曲带，使斜坡原岩岩体结构发生破坏，岩体物理力学特性发生改变，从而对斜坡的稳定性产生不利影响[3-4]。在某些特定条件下甚至会导致斜坡失稳，给斜坡周边人民生命财产造成威胁和危害，甚至会造成巨大经济损失[5]。

井工开采斜坡变形破坏现象以往多侧重于近水平地面沉降和移动研究，只是在近年来才逐渐被认识和研究，特别是对斜坡岩体的自然变形与采空区塌陷诱发地面变形的发育特征相关性，以及两者者之间的互馈机制则一直是涉及较少的难点问题之一[6-10]。因此，揭示斜坡下井工开采对斜坡稳定性影响的内在规律是一个非常重要和急待解决的问题。本文以以具有代表性的山西中部山区风峁顶斜坡为研究区，对在井工开采条件下斜坡变形破坏机理进行研究，风峁顶斜坡地层结构是由典型的煤系地层和上覆黄土层组成，坡体下主要开采2+3号煤层，受采矿活动影响，坡体不同部位发生了不同形态的变形。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌条件

斜坡西北紧临狮子河床,地势陡峻,最高处风峁顶标高为1 145 m,西部汾河滩标高仅1 030 m,最大相对高差约115 m,地形坡度基岩区最大坡角为48°,黄土区最大坡角为60°,平均坡角为35°,北东和南西两侧为冲蚀沟谷所分隔。经长期风化剥蚀,地形较为复杂,沟谷多呈“V”字形,成为典型的侵蚀地貌单元。

1.2 地层岩性条件

1.2.1二叠系(P)

1)下统山西组(P1s)

底部为中细粒砂状结构的北岔沟砂岩,其上部主要为砂质泥岩、粉砂岩、砂岩和煤层组成。含煤4～5层,其中2+3号、4号煤层区域稳定可采,为本区主要含煤地层之一。

2) 下统下石盒子组(P1x)

底部为砂质泥岩和粉砂岩为主,夹砂岩互层状的骆驼脖砂岩,上部为以粉砂岩和砂质泥岩为主,夹砂岩和灰色泥岩。

3)上统上石盒子组(P2s)

底部为厚层状中粗粒砂岩(K6),下部含有砾石。其上主要为细砂岩、粉砂岩或砂质泥岩互层,夹有泥岩层。

1.2.2第三系(N)

上新统保德组(N2):分布于山梁与山坡之上。其下部为胶结疏松的砂砾石层,含2～3层钙质结核,上部为棕红色粘土,含粉砂、细砂。砂砾石成分以石灰岩、变质岩为主。该组地层不整合覆盖于下伏基岩上。

1.2.3第四系(Q)

多分布在山顶、沟谷、河床及山前冲积、洪积扇等处。

1)中更新统(Q2)

分布在山梁、山坡之上。以淡红色、红色粘土及砂质粘土为主,中下部夹钙质结核3～5层。不整合覆盖于下伏基岩上。

2)上更新统(Q3)

分布在山梁、沟谷两侧。为浅黄色粉砂土和亚粘土组成,底部含有豆状、卵状钙质结核,土层疏松,孔隙度大,垂直节理发育。不整合覆盖于下伏基岩或离石黄土上。

3)全新统(Q4)

多分布在河谷及大的沟谷中。主要为砾石、卵石及砂、土等沉积物混合堆积组成的近代冲积物、洪积物和坡积物组成。碎屑多为石灰岩、变质岩、砂岩等岩石风化、破碎形成,分选差,磨圆差。

1.3 地质构造条件

据地表调查和相关地质资料分析,区内发育有三条正断层 (F17，F19和F20),走向与狮子河近似平行,向南东倾斜,倾角较大,断距5～40 m,组合成阶步状。

F17正断层:走向北东30°,倾向南东,倾角65°,断层下盘为二叠系下统下石盒子组上部砂岩层,上盘为二叠系上统上石盒子组中下部紫红色砂质泥岩,推测断距约40 m。

F19正断层:位于F17正断层西侧约130m处。断层走向北东25°,倾向南东,倾角65°,断距约6 m。延伸长度约900 m。

F20正断层:位于F17正断层西侧约20m处。断层走向北西31°,倾向南东,倾角60°,断层落差约20 m。延伸长度约350 m。

1.4 采煤活动

研究区内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。太原组含煤6层,即8号、8下号、9号、10号、12号。山西组含煤6层,即02号、03号、1号、2+3号、4号、6号、7号、7下号。

研究区煤矿开采2+3号煤层,采煤方法为走向长壁布置工作面,走向长为630 m,倾斜长120 m。全部垮落法,高档普采,垮落法管理顶板。采空区位于坡顶正下方,面积24 000 m2。

2 地下采煤后斜坡变形发育特征

风峁顶斜坡岩性由土质和基岩组成。斜坡长约140 m,宽约210 m,面积29 400 m2,体积588 000 m3,规模等级为中型。坡体主轴方向318°,平均坡度50°。该斜坡体前缘标高1 036 m,后缘标高1 146 m,平面上呈不规则的半圆形,剖面上近似凸型。据现场调查,坡体出现较大的变形,在山顶主要表现为下陷,在山腰主要表现为向外挤压错位,山脚公路旁侧形成压性地裂缝,裂缝狭窄,线性延伸,伴随有地面隆起变形和地面构筑物挤压碎裂现象。

2.1 山顶地带变形特征

山顶地带地裂缝共见有11条,延伸长度在15.7～139.20 m之间,裂缝宽度为1～15 cm,在风峁顶北侧见地裂缝深度约为30 m,规模大,极为发育,呈线性近似平行展布,下错5～40 cm。以张性裂缝为主,裂缝宽窄不一,相向而倾,高角度倾斜,形成地堑。依据倾斜差异分为两组,一组裂缝走向39～219°和58～238°,倾向309～328°,倾角约78～80°;另一组裂缝走向39～219°和58～238°,倾向130～150°,倾角约78～80°。

2.2 山坡地带变形特征

山坡地带地裂缝发育较差,以压性裂缝为主,与山顶处地裂缝相比规模较小。裂缝长7～24m,一般小于10 m,宽1～2cm,近直立延伸,陡峭地段岩层外倾,形成危岩体。铁路边发育多条挤压铁路方向的裂缝,裂缝长度分布不等,宽度约1～5 cm,有明显向外挤压错位现象。

2.3 山脚地带变形特征

山脚地带公路、涵洞、斜坡、明渠及公路下狮子河岸边堤坝地带共发育7条挤压裂缝,形成地面隆起,隆起高度约10 cm。裂缝长度分布不等,约为2.4～58.20 m,一般长约20 m,宽度约1～4 cm。

3 斜坡变形破坏监测

3.1 变形监测过程

针对本斜坡的地质条件及变形特征,共布设三纵一横总共4条测线(图1),其中A002-015，B002-015，C002-014三条测线的布设均垂直于坡体的走向,该方向被认为斜坡的主滑方向,同时在斜坡的底端的陡坎附近布设了AC01-AC03及BC01-BC03,这六个监测点与A002、B002及C002组成一条测线监测陡坎附近、斜坡前缘的变形特征。对坡体关键部位的47个关键点的地表变形位移进行了为期1个水文年的监测。

3.2 变形监测结果分析

针对斜坡下沉量监测数据的处理,通过对各点累计量的处理,得到如图2的下沉等值线,从图中可以看出,在斜坡上每条线的10号点附近的下沉量可以代表本滑动断面的最大下沉量,从10号点向坡底以及坡顶延伸变形量逐渐减小,在坡底最终出现了鼓胀的现象。

图1 斜坡变形监测工程平面布置图

图2 下沉等值线图

通过对斜坡水平位移和垂直位移监测结果的分析,将风峁顶不稳定斜坡从山顶到山脚沿采空区延伸方向分为三个带(图3)。

a带(水平变形-隆起带):即挤压带。该带主要变形特征表现为斜坡变形以水平位移为主,同时表现为在铁路、公路及河床地带的地面隆起。

b带(水平位移-下沉强烈带):即拉伸带。该带主要变形特征表现为斜坡变形水平位移和下沉变形强烈。

c带(水平位移-下沉减弱带):即沉陷带。该带主要变形特征表现为斜坡变形水平位移和下沉变形减弱,表现出采煤沉陷的变形特征。

4 结论

1) 以具有典型代表性实例风峁顶斜为研究对象,地形上属于不均衡地貌,软硬结构面以及上覆土层与岩层之间接触面为不稳定斜坡变形提供了先决条件;其下部为矿山采空区,由于采空区空间范围大,支撑点少,使煤层上覆岩层架空,破坏了原有的应力平衡状态,采空区顶板岩层在自身重力和其上覆岩(土)体的压力作用下,向下弯曲并滑移变形。当顶板岩层内部形成的拉张应力超过该岩层的抗拉强度极限时,直接顶板发生冒落,上覆岩层弯曲、移动、破裂,随着采空范围扩大,导致地表变形。

2) 根据山体变形分析研究,斜坡在地下采动引起的斜坡变形机理,不同于地势平坦地区地下采空区上覆岩体的移动,也有别于一般山坡的变形与破坏。得出井工开采条件下斜坡变形破坏可分为三个带,即位于坡脚的水平变形-隆起带、位于坡腰的水平位移-下沉强烈带及位于坡顶的水平位移-下沉减弱带。

图3 滑移变形分带示意图

[1]李文秀.复杂地形地下采矿自然坡稳定性研究[J]. 湖南冶金，1996(3):15-18.

[2]崔杰,王兰生,王卫,等. 采空区斜坡变形破裂演化机制研究[J].采矿与安全工程学报.2008,25(4):409-414.

[3]隋旺华.开采沉陷土体变形工程地质研究[M].北京:中国矿业大学出版社,1999:21-35.

[4]Yin Yueping, Sun Ping,Zhang Ming ,et al. Mechanism on apparent dip sliding of oblique inclined bedding rockslide at Jiweishan,Chongqing, China. Landslides, published online: 12 August 2010.

(编辑：张爱绒)

AnalysisonSlopeDeformationZoningundertheConditionofUndergroundMining

LYUYiqing,LIUHongfu

(CollegeofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

As a typical example, Fengmaoding slope located in Gujiao, Taiyuan,was selected to analyze the deformation under the condition of underground mining, in mountain area. According to the slope deformation characteristics, its geological environment, and real monitoring data of slope deformation, the deformation of different parts of the slope was analyzed，and a conclusion was drawn that the deformation of the slope was characterized by its zoning, i.e., horizontal upheaval band at toe of slope, intense horizontal displacement and subsidence band in the middle of the slope, and weak horizontal displacement and subsidence band on the top of the slope.This study provides references for the research of deformation caused by underground excavation slope.

underground mining;slope; deformation zoning

2013-08-10

国家青年自然科学基金资助项目(41103052)

吕义清(1970-),男,山西河曲人,博士，讲师,主要从事环境与灾害地质教学与科研工作,(Tel)13934664320

1007-9432(2013)02-0270-04

TD167

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