山体赋存煤层群开采边坡失稳规律研究

徐 春，鲁 岩，2，武 飞

（1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州221116；3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京100000）

煤层开采引起边坡失稳导致采动滑坡的研究，是一门多学科交叉综合型课题。国内外许多作者将非线性理论引入滑动过程中的演化规律分析，建立起了基于分形、协同、突变等相关理论模型对滑坡进行预测分析[1-3]。地下煤层回采诱发边坡失稳滑动方面的专门研究还不多。国内学者何万龙等[4-5]提出基于随机介质理论的山区采动地表影响函数叠加法研究采动引起的滑坡问题。田家琦[6]等提出基于叠加原理的应力应变函数法及传统的极限平衡法对坡体滑动进行研究。地下煤层开采，覆岩失去了原始煤层的支撑而出现出现垮落、弯曲、变形破坏，地表产生明显的开采裂缝破坏了边坡的完整性，在一系列复杂因素的综合作用下诱发了滑坡[7-9]。梁明等[10-11]从开采沉陷与滑坡机理等方面综合分析，对煤层开采导致上部坡体失稳诱发滑坡灾害进行了研究。陶志刚等[13]结合地质、采矿等学科对罗山矿区滑坡进行远程监测和现场试验，分析矿区滑坡的发生机理。

目前，研究煤层开采导致边坡失稳机理分析方面，还存有一定的局限性。采动影响引起边坡失稳致灾机理的研究不够深入，对地下煤层开采引起山体变形破坏，边坡失稳的复杂动态系统中的元素互相影响、协同作用分析不足。

1 工程地质条件

1）地表地形。矿区属于典型山体赋存煤层群地质条件，煤层数多，煤层薄、地表坡度较大，局部地段还有滑坡体存在。采区地表主要为松散覆盖，具有松散破碎、空隙度大、稳定性差、易塌垮等特点。

2）边坡形态及煤层赋存条件。矿区实际边坡高114 m，坡角40°。煤矿含煤层数较多，以1#、3#、5-2#煤层进行分析，1#煤层平均厚度2.6 m，下距3#煤层12.67 m。3#煤层平均厚度1.7 m，下距5-2#煤层9.2 m。5-2#煤层平均厚度2.1 m，各煤层平均倾角10°。

2 相似模拟实验

边坡模型参数及开采方案如下：模型长度为130 cm，宽度10 cm，几何相似比为1：200，密度相似比为1：1.67，力学相似比为1：334。模型采用下行俯斜开采，回采顺序为1#、3#、5-2#煤层。

1）边坡的移动破坏规律。在回采过程中，边坡的移动破坏出现明显的区域性，坡顶部活动十分剧烈。1#煤层回采边坡局部活动量最大值为6 m,3#煤层开采活动的最大值为了7 m，5-2#煤层开采活动最大值为9 m，边坡上的活动是累加的，但相对于第1 层煤开采，其增量是减小的。1#煤层回采时边坡第1 次失稳产生剧烈活动。随着埋深的增大、煤层厚度减小、开采逐渐深入等影响，3#、5-2#煤层的开采对边坡的稳定性的影响降低，未引起剧烈二次滑动。

2）坡面移动。煤层群采动过程中，边坡失稳滑动是一个迅速变化的过程, 坡面上出现迅速的移动破坏。在1#煤层回采过程中坡面上的活动出现了显著的突变现象，与实验中失稳滑动现象相吻合。当煤层继续向下回采时，坡面上的活动量表现出较为稳定的变化。可见下部煤层的开采对坡体的影响是相对较小。3#、5-2#煤层回采过程中，坡面上的活动表现出均匀增长，并没有出现剧烈的突变现象。

由相似模拟可知，山体赋存条件下开采，边坡容易引起高程高的坡顶局部失稳滑动。实验中边坡发生失稳破坏的时刻，坡面上的活动有显著的突变现象。相似模拟实验能显著的观察到边坡顶部的失稳破坏现象，失稳破坏具有迅速、区域分布等特点。

3 数值模拟

煤层回采过程中，边坡失稳迅速、模型损坏严重、监测点丢失、照片拍摄延迟等，同时模拟实验难以详细记录边坡失稳瞬间，山体的变形破坏情况。采用UDEC 离散元数值分析方法，基于边坡的原型建立数值分析模型，分析其在煤层重复开采条件下变形失稳破坏规律。

利用UDEC 模拟软件，根据地质条件建立模型，研究山体赋存煤层群开采边坡失稳破坏规律。模型的开采方案与相似模型一致，数值模拟模型如图1。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

煤层采动引起了失稳破坏，不同煤层回采状态的坡面移动规律曲线如图2。由图2（a）和图2（b）可知，随着1#煤层回采，坡面上以260 m 为分界分为明显的2 个阶段，大于260 m 以上的部分下沉及水平移动均出现了突变增大，最大下沉值从0.28 m 突变到2.15 m，最大水平移动值从0.1 m 突变到4.45 m。在1#煤层回采的过程中，水平移动出现减小的现象，坡体有沿着整个山体有倾向采空区移动现象。由图2（c）～图2（f），3#、5-2#煤层的采动过程中，坡面活动没有出现二次突变现象。

煤层回采后，山体变形破坏，利用测线上的数据，分析煤层开采过程中坡角的变化规律, 坡角变化规律如图3。

在地下煤层开采过程中坡面出现沉陷不均匀引起坡角变化，局部出现坡角增大、减小等现象。坡角最大增量达到了10°。

综合相似实验及数值模拟分析得到的边坡变形失稳的演化过程如图4。

4 机理分析

图2 不同煤层回采状态的坡面移动规律曲线Fig.2 Law of mining slope movement

图3 坡角变化规律Fig.3 Slope angle change rule

根据相似模拟及数值模拟分析结果，山体在煤层回采过程中出现变形、坡角增大等现象，边坡失稳机理分析如图5。山体下开采，边坡上不同区域内变形破坏不均匀，导致坡角变化，A 区内坡角减小，B 区内坡角增大。

根据相似实验与数值模拟研究结论，简化复杂的中间过程，抽象出边坡失稳时的形态，选取边坡顶部单元块体进行受力分析，采动边坡受力分析如图6。

单元块体在受到沿着斜面的剪切力与垂直于斜面的法向力的作用下保持平衡。块体没有失稳滑动前，此时抵抗外力作用的是抗剪切强度。当坡角α=0时，块体在沿着斜面方向不受力的作用，没有失稳危险。当坡角α 逐渐增大，块体尚未滑动前，块体受到剪切应力随着α 的增大而增大，满足正弦变化。块体受到的法向应力随着α 的增而减小，满足余弦变化，法向应力的变化直接影响到了块体抗剪强度。

由块体应力变化分析可知，坡角的增大导致块体法向力逐渐减小，降低了块体抗剪强度，块体抵抗剪应力的能力减弱。当坡角增大到一定的程度，块体受到的剪切力将大于块体的抗剪切强度，出现剪切破坏面进而衍生成为滑动面造成失稳。由此可知，抗剪切强度的降低是导致边坡失稳滑动的重要因素。

图4 边坡失稳演化过程Fig.4 The evolution of slope instability

图5 边坡失稳机理分析Fig.5 Mechanism analysis of slope instability

图6 采动边坡受力分析Fig.6 Stress analysis of mining-induced slope

5 结 语

1）山体赋存煤层群开采，由于岩层的非均匀及非连续性，山体变形破坏引起坡体产生大量裂缝扩展、弱面张开、滑面贯通等降低坡体的完整性与稳定性，面向临空面的边坡容易出现失稳破坏。

2）煤层采出后，上覆岩层失去原始煤层支撑出现垮落、破断、弯曲等复杂现象导致边坡坡角增大，剪切应力大于抗剪强度，出现剪切破坏失稳。坡角增大是边坡出现剪切失稳的重要因素。

3）山体赋存条件下开采引起山体边坡失稳具有局部性、离散性。根据山体边坡失稳规律、破坏形式等，可针对性的调整边坡采前处理措施，确保安全。