地下采煤引起的黄土裂隙化物理模型试验研究

魏岩朔， 张常亮， 成玉祥， 周潇朗， 王振宇

(长安大学地质工程与测绘学院地质工程系, 西安 710054)

黄土高原是中国最大的煤炭能源基地,近年来由于煤矿开采引起黄土滑坡的报道频频出现,且均造成了严重的破坏。2004年4月4日凌晨1：20,彬县城关镇下沟村发生三次大面积山体滑坡,3 400 m3的黄土涌入水帘小河,将河流截断,数百名群众紧急撤离。2005年甘肃华亭砚峡村受采空区塌陷影响诱发了大型滑坡,体积达到395×104m3,致使砚峡村部分房屋出现裂缝及倒塌,学校、医院、信用社等公用设施遭到不同程度的破坏,430人被迫搬迁,直接经济损失达到了2 870 万元[1]。地下采煤引发的黄土滑坡灾害已经成为煤矿开采区除地面塌陷灾害外最严重的地质灾害形式。根据张银洲等[2]的研究,当开采煤层的采深采厚比为30～100时,地表就会产生较为强烈变形,形成地表沉陷和地表移动。而地表位移量的大小一方面取决于煤层地质条件和采深采厚比,另一方面取决于地下采空区与地表观测点的空间关系[3-4],一般来说,采空区中心部位主要产生均匀沉陷,采空区外围则以倾向沉陷中心的不均匀沉陷为主。黄土地区的煤炭资源丰富,分布面积广泛,煤层埋深较浅,可开采厚度大,因此开采以后形成的采空区面积大,高度较大,不可避免地会产生地面塌陷。分析中国煤田分布可知,在黄土残源,黄土梁峁地区分布有大片的煤田,如陕西的黄陵矿区、彬长矿区,甘肃的陇东矿区等。这些地区的地下采空区一方面引起的近地表岩土体位移会导致坡体裂隙化,并随着开采空间和时间的延伸将越来越多,从而导致斜坡倾倒变形；另一方面,由于地下采煤引发黄土斜坡裂隙化,使得坡体强度降低,且为地表水渗入坡体创造便利条件,进而更易诱发滑坡灾害[5—8]。由此可见,地下采煤引起的黄土滑坡已成为黄土矿区一种不可回避的地质灾害类型,将严重影响地表人民生命财产安全和地下采矿安全,因此专门开展采煤引发的黄土裂隙化研究迫在眉睫。

黄土地区采矿区黄土裂缝分布广泛,不但与采空区相对应,其裂缝分布也具有一定的规律性,同时还具有持续性与突发性特点。中外学者对采空区破坏规律的研究已有大量报道。余学义等[9]、李小磊等[10],通过对大量的实际资料统计分析得出开采地表变形特征、地表最大下沉点移动轨迹及变形曲线,初步确定采动区破坏方式及特征。郭广礼等[11]通过岩石碎胀与压实试验和相似材料模拟试验,研究了采空区破裂岩体碎胀与压密特征,提出了长壁采空区破裂岩体碎胀系数分布规律。康建荣[12]、汤伏全等[13]利用实际资料与滑坡理论相结合,分析得到地表产生采动裂缝的形成过程机制、采动引起的斜坡应力场变化、分析巨厚层煤层综合开采引起的地表裂缝分布及特征。张艳娜等[14]针对陕西生态脆弱矿区的特点,阐明生态脆弱矿区由于地下采煤引起的地表裂缝及地表变形的现状和影响因素。Poulos等[15]、Sladen等[16]和Sasitharan等[17]国外学者开展了大量的室内试验,深入分析了静态液化条件以及对滑坡的意义。汤伏全等[18]、何万龙等[19]通过大量实际资料,利用数值模拟软件建立了典型地貌影响开采的滑移变形模型,揭示了采动黄土层变形的特殊机理。梁明等[20]、胡海峰等[21-22]采用有限元的计算思路,对采动斜坡的应力状态及斜坡的失稳机制进行研究,建立了采动坡体稳定性评价方法。廖孟珂等[23]对动态开采采空区进行有限元数值模拟,得出垮落据及岩层沉降的特点。

从中外研究现状可以看出,煤矿区黄土裂隙化的研究目前集中在采动浅地表移动数据观测与预测和采沉陷学为基础的黄土裂隙发育两个方面[24-25],针对采煤引发黄土斜坡裂隙化的规律研究较少,并且先前的研究手段主要是通过理论研究与实际观测资料结合,定性分析采动对黄土斜坡的影响；针对典型案例运用有限元等数值模拟方法虽然揭示了黄土层收采动影响的变形机理,但结果不够直观且条件较为局限。物理模型试验不但可以弥补这种缺点,直观地反映试验现象及规律,还可以对比验证数值模拟的结论。

因此通过展开地下采煤引发黄土斜坡裂隙化的物理模型试验,以彬长矿区采煤区为背景,对彬长矿区采煤区真实斜坡的尺寸、材料进行比例调整,对黄土斜坡裂隙化发展规律以及坡体内部应力分布进行研究,以丰富黄土滑坡成因理论研究成果,为黄土地区煤矿地质灾害防控提供一定理论指导。

1 试验目的及原理

1.1 试验目的

利用物理模型试验箱模拟地下采煤引发黄土斜坡裂隙化的过程,记录裂隙位置、形态及斜坡体内部应力变化,分析讨论黄土斜坡裂隙化规律。

1.2 相似性原理及相似参数取值

根据相似理论,当相似关系满足式(1)时,模型与原型的几何方程、物理方程、平衡方程、相容方程及边界条件都将恒等。

(1)

式(1)中：C为相似比；γ为材料重度,l为几何尺寸；σ为应力,ε为应变；c为黏聚力；φ为摩擦角。几何相似比为CE=lP/lMP、M分别代表原型和模型。受力条件相似比为Cγ=γP/γM、Cf=CP/CM、Cσ=σP/σM、Cσ=σP/σM；摩擦相似比为Cφ=φP/φM。

在模型试验中要满足全部相似判据是非常困难的,考虑到试验条件及试验操作的可行性,本次试验选取主要相似判据:Cl=12,CE=1,其他相似条件适当考虑。

2 物理模型试验设计

2.1 试验系统

2.1.1 模型结构

试验采用长2.1 m、宽0.6 m、高1.5 m的钢框架模型箱体,构建长2 m、宽0.5 m、高1 m的土质斜坡(图1),箱体两侧安装防爆玻璃,以方便观察试验现象及结果。

图1 模型箱Fig.1 Model box

2.1.2 模型材料

试验以彬长矿区采煤区为背景,坡体材料为彬长矿区同层黄土的人工重塑黄土样,分层铺设夯实,设计重度约为18 kN/m3。填筑模型时单层铺设厚度约15 cm,然后夯实至10 cm,并取夯实土样对重度及含水率进行测定。实际夯实后坡体平均重度为18.6 kN/m3,含水率约为12.4%。

2.1.3 卸载系统

试验卸载系统由连板及4组千斤顶组成,通过控制千斤顶的卸载来模拟坡体塌陷过程。

2.1.4 量测系统

量测系统包括布里渊光频域光纤应变测量仪及位移网格标识。

2.2 卸载方案

试压采用液压千斤顶的卸载方式模拟采深采厚比为13.16的递进式冒顶塌陷。每个千斤顶单次卸载位移为7.6 cm(表1),每级卸载稳定后连续监测0.5 h再进行下一级卸载,直至最后一级卸载结束后连续观测1 h,卸载过程如图2所示。

表1 模型试验千斤顶卸载位移

图2 各级卸载示意图Fig.2 Schematic diagram of graded unloading

2.3 量测内容

2.3.1 应力监测

试验采用布里渊光频域光纤应变测量仪测量应变[26,27]:于坡体手工布设三根光纤,折叠布置四层,与模型填筑同步进行；每层间隔20 cm,最底层距黄土底面20 cm。光纤切割熔接及布置如图3所示。

图3 光纤处理及布置Fig.3 Processing and arrangement of optical fiber

2.3.2 位移监测

于模型箱钢化玻璃上绘制网格,并在坡体模型填筑过程中于网格交点处放置三角形截面粉笔,以监测不同卸载情况下模型的变形情况。图4所示为位移标志现场布置图及示意图。

图4 位移标志Fig.4 Displacement marking

3 试验结果分析

3.1 坡体宏观变形破坏特征

试验模型经过四级卸载产生4 条主要裂缝,3条微裂缝,各级卸载结果如图5、图6所示。

图5 各级卸载情况Fig.5 Results of unloading at all levels

图6 各级卸载结果示意图Fig.6 Schematic diagram of all levels unloading results

一级卸载过程中,坡脚最前端由于土体自重较小未达到其抗剪强度,从而主要受拉应力作用产生拉张裂缝导致其整体塌陷[图6(a)中块体a],在卸载完成后基本稳定,无其他裂缝产生。裂缝贯穿坡脚前端,裂缝方向近于垂直。

二级卸载过程中,2号千斤顶上部坡体块体[图6(b)中块体b]发生倾斜产生一条较宽裂缝,坡度变陡5°,坡面破碎,侧面位移标示线倾斜,与坡底呈5°夹角,在卸载完成后基本稳定无其他裂缝产生。随着卸载过程的推进,裂缝逐渐扩展但未贯穿坡体,裂缝最大宽度5.2 cm,总体约呈50°,倾向坡体,后部稳定坡体出现反倾的产状。

三级卸载过程中产生2条主要裂缝, 1号光纤被剪断,卸载完成后有一条微裂缝α产生。裂缝将斜坡模型分割为4个块体[图6(c)],块体c与块体d由于卸载的原因发生倾斜,侧面位移标识线向下倾斜4°,标识点向左下偏移。最左侧裂缝较上级卸载相比,宽度变小直至闭合；中间裂缝扩展方向近垂直,顶部裂缝宽度3.4 cm,扩展至坡底,将坡体贯穿；最右侧裂缝扩展方向同样近于垂直,裂缝宽度随扩展深度的增加而减小,坡顶裂缝宽度6.4 cm,扩展深度约93 cm,未将坡体贯穿。微裂缝α长度约为4 cm,方向由右下至左上。

随着四级卸载过程的递进,坡体产生2条右下-左上方向的微裂缝β、γ[图6(d)],其中裂缝β长度为3.7 cm,裂缝γ长度为4.1 cm。最左侧裂缝与上级卸载相比无较大变化；中间裂缝闭合,裂缝宽度变小；最右侧裂缝扩展至坡底将块体e与块体b、c、d分离,块体b、c、d呈塌落状。其中块体b和块体c的侧面位移标示线处于同一直线与坡体底面基本平行,且较基准线垂直向下位移7.5 cm左右,标识点与标示线位移一致；块体d上部侧面位移标识线向左下倾斜,下部标示线与坡体底面近于平行；块体e基本稳定。

3.2 坡体应变变化特征

随着卸载进程的行进,光纤变形及不同监测点的应变值随时间的变化规律如图7、图8所示。

图7 各级卸载过程中光纤形态示意图Fig.7 Schematic diagram of fiber morphology during loading at all levels

图8 监测点应变变化结果Fig.8 Variation of strain in monitoring points

在模型卸载前,各应变监测点应变值均处于稳定状态。

A点应变在一级卸载时无明显变化。随着二级卸载的进行,A点处产生裂缝,应变值由5.502 5×10-4突变到5.527 5×10-4,坡体应力应变重分布使A点应变略有降低并保持稳定。在三级卸载完成后A点应变监测信号丢失,根据光纤抗剪不抗拉的特性说明:二级卸载导致斜坡体在A点处产生的为拉张裂缝,而三级卸载产生的剪切裂缝将光纤剪断。

B、D、F三点应变值分别在二级、三级、四级卸载时略有升高,但变化增量很小,总体保持不变。土体斜坡由于采空从而导致裂缝发育,斜坡应力应变重分布,但重分布的影响范围有限,且向坡内方向影响逐渐越小

G点应变值在三级卸载时由5.487 2×10-4突变至5.524 3×10-4而C点应变值在三级卸载时丢失监测信号,这表明三级卸载使坡体上部拉应力集中从而导致裂缝开启,当张拉裂缝发育到一定程度时,被切割块体逐渐独立,块体自重大于土体抗剪强度,坡体被剪切贯穿。

由于1号、2号光纤分别被二级三级卸载剪断,故E、H两监测点由三号光纤监测。从图8(d)中可以看出,E、H两监测点应变值在三级卸载过程中均发生突变,此时三级卸载导致坡体出现拉张裂缝。E点较H点的变化幅度小,该现象与裂缝宽度从上到下由宽变窄的实际情况吻合。这一现象的产生原因与黄土斜坡弯曲梁拉应力分布有关,越靠近弯曲上部,裂缝宽度越大,拉应力越大,拉应变也就越大。随四级卸载过程的进行,E、H两监测点信号丢失,最右侧裂缝下部由于剪切滑动从而贯穿坡体导致坡体被分割。

4 结论

(1)当黄土斜坡下煤层从坡脚向坡体开始采空塌陷时,由于坡脚处土体较少自重轻,而黄土抗剪强度较高,抗拉强度低,土体自重小于土的抗剪强度但大于抗拉强度,如果不考虑水的作用,该部分往往产生拉张裂缝而不是剪切裂缝。这些坡脚处拉张裂缝的产生和扩展时间与塌陷过程一致。随着采空塌陷过程的进行,采空区上覆黄土体积变大,自重增大,此时拉-剪应力共同作用,拉应力开启裂缝而剪应力切割裂缝。当上覆黄土自重大于土体抗剪强度时,坡体主要受剪应力影响产生剪切裂缝,此时仍会产生拉张裂缝,这些拉张裂缝方向与土体自身性质和塌陷区情况有关,主要为垂直方向和倾向坡面。坡体顶部拉张裂缝宽度较大,下部宽度较小。

(2)地下采煤引起的黄天斜坡裂隙化导致裂缝后部被切割块体临空面坡度变陡,同时由于大裂缝的切割以及微裂缝的左右导致黄土完整性变差,斜坡天然强度降低。

(3)主要剪切裂缝的产生、扩展时间与采空塌陷过程一致,其产状与塌陷情况吻合,例如本次实验模拟垂直塌陷情况,产生的主要剪切裂缝方向也近于垂直,其位置对应塌陷部分的边界上方。

(4)采煤引起的黄土斜坡裂隙化导致斜坡内应力重分布,重分布应力会产生微裂缝,这些微裂缝会在坡体内应力应变充分扩展稳定后产生,微裂缝的产生导致斜坡破碎,降低土体强度。

(5)剪切裂缝宽度较张拉裂缝小且整条裂缝宽度变化不大,裂缝扩展深度比张拉裂缝深,且裂缝表面较为光滑。

(7)采空塌陷导致斜坡变形出现裂缝,其裂缝处应力应变随裂缝的产生发生突变,随后略有下降,待其充分扩展后稳定。裂缝后缘稳定坡体内应力应变在一定范围有影响,这种影响向斜坡内部逐渐变小至天然状态。