黄土沟壑区采动滑坡变形规律分析

穆 驰，余学义，张冬冬，毛旭魏

（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054）

我国黄土沟壑区主要分布在中西部，是处于平原地区和高原地区过渡带的一种特殊地质构造，黄土沟壑区覆盖层受雨水侵蚀会形成地势陡峭的沟道，这样工程类型的地质条件相当复杂[1]。在该区域的工程地质条件下进行采矿作业会导致滑坡、塌陷等地质灾害。黄土沟壑区在我国陕西、山西和内蒙的矿区分布范围广，过度开采会对矿区生产带来安全隐患[2]。黄土是西部的特征，也是西部地层结构中的重要标志，由于其处于特殊的自然环境，黄土的覆盖厚度大、湿陷性强、垂直裂隙发育强度高等物理结构的特殊性，经漫长的自然力作用地表被侵蚀，切割成沟、壑、梁、峁纵横交错的残垣地形[3-4]。在陕西、甘肃、宁夏等西部的大部分地区均属于厚湿陷性黄土覆盖的残垣地貌，同时也是我国采矿的主要基地，黄土沟壑区滑坡地质灾害在该区域的地形构造中发生频率最高[5-6]。根据文献研究结果显示，黄土沟壑区地质灾害发生频率远大于平原地区，危害比较严重的灾害类型表现为：滑坡、地裂缝、地表沉陷、泥石流和窑洞坍塌。例如陕西开采时间最长的铜川矿区和陕北的榆神府矿区，由于煤矿开采使该地区的生态环境遭受到严重破坏，给人民的生产生活造成了巨大的财产损失[7]。

国内外研究专家在采动滑坡灾害治理方面做了大量的研究。Benko针对矿区不同的地质条件、开采范围、地形地貌和围岩特征等影响因素对有限元边坡破坏进行了相似材料实验和数值模拟，分析了地下开采滑坡灾害的演变特征，确定了坡体移动变形和塑性破坏规律[8]；梁明、汤伏全以陕西省韩城象山煤矿为例，应用开采沉陷理论和滑坡学理论总结地下开采滑坡变形基本规律，通过物理相似模拟实验分析了采动滑坡破坏规律，并应用有限元数值模拟方法对象山煤矿坡体应力状态和失稳机制进行了专门研究[9]；李聪等人深入探索滑坡不同阶段滑坡的演变规律，将滑坡变形过程分为初始变形、匀速变形、加速变形和急剧变形4个阶段，采用相关分析法对研究区的滑坡特征进行统计，并总结不同阶段滑坡发育特征和影响因素[10]；张蒙选取山区煤矿为研究对象，以现场实测数据和地表移动变形数据为依托，采用摩尔-库伦准则建立极限平衡法，应用弹性理论和有限元分析法，通过计算地表应力采动滑坡裂缝分布和潜在滑坡区，确定了采动滑坡形成机理，构建了采动滑坡区域预测方法[11]；黄成飞针对赵家寨煤矿首采工作面，建立地表移动变形观测站，以厚湿陷性黄土为研究对象，总结了地表裂缝特征，计算了开采工作面的边界角、移动角和地表最大下沉值和最大下沉速度，并分析了厚湿陷性黄土层工作面开采上覆岩层及地表移动规律与非湿陷性黄土层下煤层开采的共同点[12]；刘宾以神府矿区的柠条塔煤矿为研究对象，结合矿区开采工作面的地表监测数据，分析了该矿地表移动变形规律，并运用FLAC3D软件对开采的工作面进行有限元数值模拟，总结了浅埋煤层煤层群开采对地表和边坡的变形影响[13]。

国内外学者通过大量研究在滑坡灾害治理、地表移动变形和开采沉陷理论等方面取得了丰硕的成果，但很少有针对黄土沟壑区为工程背景开展采动滑坡研究工作。因此，将土质类边坡的滑坡类型进行归类，基于地下采矿改变了上覆岩层和坡面的应力状态，以黄土沟壑区工程地质为背景，结合韩家湾煤矿工作面实际情况，选用剖面布设研究区开采过程中的地表移动观测站，以监测数据为基础，计算了地表移动变形在启动期、活跃期和衰退期的下沉量和下沉速度；选取坡体岩土力学参数，运用FLAC3D分别计算了韩家湾煤矿12106工作面在不同坡度情况下水平和竖直的位移矢量，并分析了塑性区的破坏规律。建立西部黄土沟壑区有序、合理的开采方法，对减少因采动造成的滑坡灾害有着重要意义。

1 黄土沟壑区边坡

1.1 黄土沟壑区边坡破坏类型

黄土沟壑区在我国是一种特殊的地形结构，在陕北地区分布广泛，其坡体变形复杂且具有多样性[14]。由于煤炭资源开采，地表移动变形引发的地质灾害最为严重，黄土沟壑区具有独特的力学特征和特殊的地质构造，遇到干旱和雨水交替季节，该区域变形特征表现出显著的复杂性，以工程地质专家对黄土沟壑区野外踏勘为基础，将黄土沟壑区的破坏类型分为3类：崩塌、滑坡和剥落。

1）崩塌。土质边坡的节理面如果出现滑移和错位趋势，受自重影响，将坡体整体下挫的现象称为崩塌[15]。黄土层坡体角度大和堆积层高是引起崩塌的主要原因，由于黄土沟壑区表土层覆盖厚度大、垂直裂缝发育程度高，遇到雨水冲刷和风沙腐蚀，则会引起坡体崩塌。崩塌会在短时间内发生，塌落的土体一般会以块状堆积在坡脚处，由于黄土层包含有粗砂砾，受到雨水和风沙的长时间侵蚀，坡脚堆积的块状土体会形成二次崩塌。黄土坡体崩塌如图1。

图1 黄土坡体崩塌Fig.1 Loess slope collapse

2）滑坡。在黄土沟壑的地形条件中，土体沿着坡面走势产生显著的滑移现场称为滑坡，坡面的顶部相对陡峭，坡脚一般较缓，整体呈现上陡下缓的弧面形状[16]。黄土边坡长期在自然环境被侵蚀，引起坡体结构遭受破坏，使黄土沟壑区的土体承压强度降低，导致黄土边坡的稳定性被破坏，从而引发滑坡灾害发生。同时黄土沟壑区地下煤层开采对地表移动变形的影响非常复杂，由于其变化过程非连续和土壤的松散性，因此黄土坡体自重同样也会导致地表移动变形和山体滑坡。

3）剥落。边坡土层剥落是黄土沟壑区中常见的移动变形，该现象在每1个松散土层中都有发生的可能性，但在不同的土层结构和区域中表现的特征不尽相同[17-19]。由于移动变形在此类的地层结构中分散较大，不具备整体性和连续性，因此没有具体的整治方案。受降水和自然风化影响，黄土沟壑区的地层结构发生改变、土壤养分流失、植物根系被破坏，边坡土层剥落呈现出多种类型，一般包括：层状剥落、块状剥落、片状剥落和鱼鳞状剥落。

1.2 降水对黄土沟壑区边坡影响

黄土沟壑区是我国西部特有的地貌类型，其组成结构相对单一，黄土的形状特征普遍以块状和粉状存在，因土体大孔隙结构特性影响，黄土沟壑区在竖直方向裂隙发育程度高，且在干燥的环境下可以具备较高的稳定性，但遇到降水环境，土层吸水软化，其强度也随之降低[20-24]。同时黄土层遇水后会表现出不同的特征，通过扫描电子显微镜对降水区和干旱区的黄土进行电镜扫描，观察其在不同区域环境下的结构变化。由于黄土沟壑区孔隙发育程度高，在降水环境下，雨水可以贯穿坡体到达底部，对坡体的稳定性产生影响。

降水是黄土沟壑区产生滑坡的主要致灾因素，因雨水影响常见的山体滑坡主要有4类：强降雨引发土体松动、河床水位上涨、水库泄洪和拦截坝被冲毁[25-28]。受雨水环境影响，黄土沟壑区主要土层结构松动，主要表现为高边坡向低边坡的位移变化，黏聚力和内摩擦角降低，坡体的稳定性遭受破坏，坡面逐渐由基岩面向滑动面转换，加上区域内采矿等因素，容易导致滑坡灾害发生。由于雨水对黄土层的影响，取降水区和干旱区的土样进行电子显微镜扫描，并放大300倍对比分析，黄土的电镜扫描结果如图2。由图2可以看出，水环境对土体的结构改变有着显著影响，遇水前黄土颗粒空间分布均匀，且具有较高的强度；遇水后黄土颗粒呈胶结状，孔隙结构排列紧密，且表现出明显的湿陷性。

图2 黄土的电镜扫描图Fig.2 Scanning electron micrograph of loess

2 采动滑坡特征和坡体稳定性分析

2.1 研究区采矿地质条件

韩家湾煤矿地貌图如图3。

图3 韩家湾煤矿地貌图Fig.3 Hanjiawan Coal Mine map

韩家湾煤矿包夹于清水川地堑、区域性挠褶带、海则庙沟与黄河之间，矿区周围地质条件复杂，矿产资源赋存结构单一，地层结构整体为西北方向的单斜构造，区域地层结构相对平缓，倾角2°～9°，但挠褶带及其以西，地层产状急剧变陡，坡角最高可达30°。韩家湾煤矿位于陕西省榆林市，为典型的黄土高原地貌，地表多为松散层和厚湿陷性黄土所覆盖，岩层露头仅位于沟谷和坡体过渡带。矿区范围内沟壑纵横，地势险峻，受自然因素影响，地形破坏严重，沟谷切割较深，坡体陡峭，形态呈现为“V”形。谷内危岩林立，陡坎遍布，沟床多为厚度不大的冲洪积物覆盖，局部可见基岩出露，谷坡上基岩大面积裸露，局部为残坡积物覆盖，厚度不大。

2.2 采动滑坡特征

西部黄土沟壑区位于地壳上升和下降的过渡带，若坡体具有足够的稳定性，则不会形成滑坡。黄土沟壑区谷底边缘陡峭，坡体角度平均大于30°，即山谷边缘下方的坡度接近或大于摩擦角（21°～32°），因此坡体的结构稳定性差。黄土沟壑区沟谷切割交错纵横，一般相对高度从几十米到数百米，其沟谷下方已经被黄土层切割，这种独特的黄土侵蚀为山体滑坡提供了1个平台。此外，在地下水渗出层中的黄土层结构以下为隔水层，其地层结构不稳定，由于岩性、构造和沟壑地形变化的影响，导致坡体底部的稳定性较差。

在矿区沟谷的开采处，由于沟谷坡度大和坡体自身稳定性差，因此该区域是山体滑坡最活跃的地区，同时河流对坡体有侵蚀作用，块状坡体运动非常剧烈，沟谷的稳定性对山体滑坡的产生有着直接的影响。随着黄土沟壑区软弱部位被侵蚀，沟谷有较大程度的切割，对地表造成了明显的破坏，为滑坡的发生创造了有利的条件。

矿山开采引起的地表沉陷和采矿山体滑坡的共同特征是：坡体高位移的部位沿着滑坡面向低位移的部位移动，山体滑坡对地表移动变形有着直接的影响[29-31]。坡体中的表土层一般受不均匀应力影响产生滑移变形，地表裂缝发育深度和台阶下沉高度决定坡体滑移范围。滑坡是沿自由面岩石边坡的一部分，以相对滑动的形式向低位移处滑动，滑坡范围与开采区域有着紧密的联系，但主要取决于采矿地质条件。

2.3 黄土沟壑区坡体稳定性分析

受自然环境影响，研究区域的坡体在纵向切割较深，容易发生地表移动变形，针对黄土沟壑区特殊的地质构造，以坡体稳定性G表示该地形开采条件下滑坡灾害发生的指标，根据主要影响因素，坡体稳定性可表示为：

式中：δ为坡体角度，（°）；h为坡体高度，m；ρ为坡体密度，kg/m3；c为坡体黏聚力，Pa。

由式（1）可知，坡体稳定性影响的主要因素有：坡体角度δ、坡体高度h、坡体密度ρ、坡体黏聚力c和坡体内摩擦角φ。G的大小表示坡体稳定性，其数值越小则稳定性越好，反之则稳定性越差[32]。为更好地分析各个因素对坡体稳定结构的影响，采用5组因素相互正交的方法，计算不同条件下坡体稳定程度，假设每个因素都相互独立，运用3层等级因子进行计算，坡体稳定性计算结果见表1。

表1 坡体稳定性计算结果Table 1 Physical mechanics parameters

由表1可知，每1层等级坡体的稳定程度存在有差异性，运用极差法对每个等级稳定性的最大值Rmax与最小值Rmin进行差值R计算，以R=Rmax-Rmin表示坡体稳定结构的离散程度，R越大说明该层次的因素对坡体稳定性影响越大，也揭示该因素的变化量对计算结果会产生很大影响，极差分析结果见表2。

表2 极差分析结果Table 2 Range analysis results

由表2可知，坡体角度的极差值Rδ大于其他影响因素的极差值Ri，各因素极差数值大小排序：Rδ>Rh>Rρ>Rφ>Rc，相对于其他因素坡角变化量对坡体稳定性有很大影响，坡体黏聚力的极差值Rc在所有因素中数值最低，说明坡体黏聚力的变化对坡体稳定性影响最小，坡体高度、坡体密度和坡体内摩擦角对坡体稳定性的影响程度介于坡体角度和高度之间。

3 研究区地表移动变形规律分析

地表移动变形是矿产资源开采动态变化的过程，这个过程参数的变化是极其复杂的，且地表监测的各个点都会有下沉、弯曲、倾斜等现象发生，地表移动变形是滑坡灾害形成的诱导因子。因此针对开采过程中地表移动变形规律研究十分必要。

3.1 地表观测站布设

地表移动观测站布设形式分为网状布设和剖面布设，工作面移动观测站概况见表3。结合韩家湾煤矿12106工作面实际情况，观测站选用剖面布设，倾向观测线B平行于工作面布设，距离12106工作面227 m，走向观测线A靠近12106工作面上山边界，垂直于倾向观测线B进行布设，距离运输平巷116 m，在走向观测线南段共布置3个控制点，点号分别为KA1～KA3，沿着走向观测线布设35个观测点，点号分别为ZA1～ZA35。垂直于走向观测线布设1条倾向观测线，倾向观测线B全长1 120 m，距离停采线215 m，在倾向观测线两侧共布设5个控制点，点号分别为KB1～KB5，沿着倾向观测线布设55个观测点，点号为ZB1～ZB55。测点布设间距为5 m，观测点位置布设平面图如图4。

图4 地表观测站布设平面图Fig.4 Surface observation stations plane layout

表3 工作面地表移动观测站概况Table 3 Work surface surface observation stationsoverview

3.2 地表下沉速度及下沉量

从工作面开采到结束，地表移动变形从开始到停止总体经历3个时期：启动期、活跃期、衰减期。随着工作面开采范围不断扩大，采空区塌陷面积随之增加，监测点的下沉速度和地表下沉范围也急剧增加。当地表的下沉速度不变时，工作面开采达到充分采动，随着开采面继续扩大，地表下沉速度减小，且随着开采面停采一段时间后地表各个监测点下沉速度逐渐归为0。

以测点Z3的监测数据为依据，地表移动变形量如图5。

图5 地表移动变形量Fig.5 Surface movement deformation

从图5中可以看出，工作面的推进距离与地表监测点的下沉量和下沉速度有着相互关联，当工作面推进距离小于13 m时，地表下沉量较小，对应监测点的下沉速度也很小，此时地表移动变形为启动期；随着工作面持续推进，当推进距离介于13～109 m，地表移动变形转为活跃期，地表下沉量和下沉速度明显增加，当下沉速度达到最大值，地表下沉量增幅也降低，且缓慢增长状态维持较长时间，这是由于工作面开采后顶板悬空一段长度，地表最大下沉速度产生于工作面推过该监测点一定距离，地表下沉量也会有明显增加；当工作面顶板来压步距达到悬空距离时，基本顶垮落并填充采空区，地表的下沉量和下沉速度也随之降低。当推进距离大于109 m时，地表移动变形进入衰退期，下沉量和下沉速度变化率不再增长，随着工作面继续推进，地表参数变化趋于稳定且接近为0。

3.3 地表移动变形参数

地表移动变形受多个因素影响，上覆岩层物理性质、工作面开采宽度和开采速度对地表移动变形速度和持续时间起着决定性的作用。当工作面推进距离越长，地表下沉量越大，则下沉速度越快；随着采深加大，地表最大下沉速度逐渐减小。结合相关研究文献，地表最大下沉速度与地表最大下沉值、工作面推进速度、下沉系数成正比，与开采深度成反比，且重复采动的最大下沉速度大于初次采动，其关系表达式：

式中：vmax为地表最大下沉速度，mm/d；K为下沉系数；v为工作面推进速度，m/d；H0为开采深度，m；Wmax为最大下沉值，mm。

地表移动变形一般会持续较长时间，平均周期2～3年，若顶板为坚硬岩层，这个时间周期会持续更多时间，最长可达到6年。根据地表监测数据显示，当工作面开采1年后，地表移动变形也逐渐稳定，以韩家湾煤矿地表观测点Z1、Z2、Z3为研究对象，分别记录3个点的不同时期的最大下沉量、最大下沉速度和持续时间，地表移动变形参数表见表4。

表4 地表移动变形参数表Table 4 Surface movement deformation parameters table

根据3个观测点的监测情况，韩家湾煤矿地表移动变形初始期持续时间为19～25 d，活跃期持续时间为90～99 d，衰退期持续时间为200～205 d，矿区地表移动变形过程中较长一段时间都处于衰退期，且该时期地表变化趋于稳定；地表初始下沉量81～86 mm，活跃期下沉量1 802～1 913 mm，衰退期下沉量31～46 mm，地表下沉速度最快发生于活跃期，且最大下沉量达到了1 963 mm，在韩家湾煤矿特殊的地质采矿条件下，地表移动变形在活跃期最大下沉速度可达86 mm/d。

4 滑坡灾害机理FLAC3 数值模拟

4.1 计算条件

4.1.1 计算模型

为了更深入研究黄土沟壑区地貌类型对矿产开采地表移动变形影响，以韩家湾煤矿12106开采工作面为研究对象，由于黄土沟壑区处于特殊的自然环境，黄土覆盖厚度大，垂直裂缝发育程度高，使矿区具有独特的地貌类型，地表高程处于+1 150 m和+1 320 m范围内，平均高程为+1 235 m。运用FLAC3D对韩家湾煤矿的研究区域进行三维建模，选用莫尔-库伦本构模型，研究区域三维模型如图6。

图6 研究区域三维模型Fig.6 3D model of study area

模型走向长度（x方向）为600 m，倾向长度（y方向）为400 m，z方向最大长度为300 m，12106工作面宽度为253 m，开采煤层的平均厚度为6.5 m，三维模型的约束方式以边界位移约束为依据，x、y、z 3个方向均采用底部约束，同时x方向和y方向约束了两端边界位移，模型共划分为25 061个单元，61 227个节点。

4.1.2 剖面位置

根据12106工作面开采影响范围，研究内容分别以不同角度的坡体为原型，模拟工作面开采后坡体的稳定性。建立的模型x方向为500 m，煤层开挖范围从50 m开始至280 m结束，开挖长度共130 m，与工作面实际开采长度相符。开采煤层厚度为2 m，煤层及基岩倾角为24°。将模型的四周和底部设为固定面，顶部为自由面，模拟对地应力做简化处理，以自重应力作为初始平衡应力，当岩层应力达到初始状态，即可进行工作面回采数值模拟计算。为深入研究矿区坡体的稳定性，通过对比不同坡度的开采情况，分别研究工作面高坡度和低坡度对地表位移矢量的影响以及灾害形成机理，不同坡度的剖面位置如图7。

图7 不同坡度剖面位置Fig.7 Different slope profile positions

12106工作面开挖面积为130 m×230 m。以工作面开采线为起点，按照开挖步距为50 m，沿着开切眼方向自西向东进行推进，至工作面停采线结束。根据工作面倾向作1个剖面，调整坡体角度，分析水平、竖直方向位移矢量和塑性区破坏特征。

4.1.3 岩土参数

根据数值模拟研究成果，岩土力学参数的确定对数值模拟计算结果可靠性有着决定作用。为了使数值模拟更符合于实际情况，以矿区工程地质条件、岩石力学实验结果为依据，得到煤层和上覆岩层力学特征和物理参数，物理力学参数见表5。

表5 物理力学参数Table 5 Physical mechanics parameters

4.2 计算结果分析

结合韩家湾煤矿12106工作面开采情况和矿区地质灾害现状，在水平方向x=100 m处作与竖直方向y轴平行的纵向剖面，分析水平、竖直方向位移移动矢量，观察塑性区破坏特征。

4.2.1 x方向位移分析

12106工作面在不同坡度水平方向位移矢量图如图8。

由图8可以看出：

图8 不同坡度水平方向位移矢量图Fig.8 Different slope horizontal displacement vector

1）边坡位移达到峰值出现在边坡顶部，当坡角为60°时，边坡顶部位移最大，最大的位移为70 cm，由于边坡受拉伸和挤压的影响，从坡顶到坡脚位移偏移量不均匀，坡顶位移变化较大，坡体完整性被破坏，整体表现为向坡脚移动。

2）当坡角为30°时，边坡位移在水平方向减小，且边坡位移运动整体均匀，不会发生较大的山体滑坡，在不受雨水侵蚀的情况下，相对较为稳定。

4.2.2 z方向位移分析

12106工作面在不同坡度竖直方向位移矢量图如图9。

由图9可以看出，在坡体最低点，垮落带发育直达地表，随着矿区工作面开采不断推进，上覆岩层由于顶板压力而垮落，当坡角为60°时，岩层断裂带波及到坡体表面，导致边坡破损，有发生滑坡和崩塌的危险；当坡角为30°时，由于坡体承受覆岩自重较小，垮落带不发育，对坡体表面不构成影响，不会波及到地表，保证边坡的完整性。当工作面开采至沟谷时，由于沟谷底部矿层埋藏较浅，垮落带发育波及到地表，加之岩层断裂带形成，使岩层裂缝与工作面直接导通，受雨水冲刷，沟谷底部的黄土透过断裂带直接流入工作面，形成滑坡或塌陷坑。同时，随着工作面的推进，岩层的断裂带和垮落带发育直达地表，地表发生移动变形并沉陷，并产生坡体滑移的现象，引起地表发生台阶下沉和坍塌破坏。

图9 不同坡度竖直方向位移矢量图Fig.9 Different slope vertical displacement vector

4.2.3 塑性区破坏规律分析

12106工作面在不同坡度塑性区破坏分布图如图10。

图10 不同坡度塑性破坏分布图Fig.10 Plasticity failure map of different slopes

由图10可以看出，在工作面从上而下台阶式开采过程中，工作面周围岩层断裂垮落向坡体下部移动，随之围岩中塑性破坏区不断扩大，并逐渐扩大到地表及坡体。随着工作面开采结束，上覆岩层垮落影响至地表，坡体结构完整性被破坏，整体表现为向坡底发育，局部会发生滑坡、崩塌等灾害。

4.2.4 滑塌形成机制

地表受外力扰动则会有发生滑塌灾害的迹象，开采引起上覆岩层移动变形，在斜坡上切割松散堆积土层成为块体，坡体失去连续性，发生非均匀性重力作用，矿区工作面的坡脚失去支撑，形成不均匀滑塌。切割的坡体受重力作用，降低了松散土体与基岩面间的摩擦系数，导致滑坡灾害发生。

5 结论

1）矿区工作面受采动影响，上覆岩层因受挤压发生扭曲变形。地表裂缝受采动影响向工作面方向延伸，发展到一定深度受拉伸和压缩变形裂缝闭合。因此可以根据岩层断裂带发育特点来预测裂缝发育深度。由于沟谷裂隙发育，黄土层会沿着裂缝方向向下发展形成塌陷，地表由于非连续移动变形产生台阶式地裂缝。

2）根据观测点监测情况，地表移动变形从工作面开采到结束总共经历3个时期：启动期、活跃期、衰退期。监测数据显示，地表最大下沉量达到了1 963 mm，最大下沉速度为86 mm/d，且地表移动变形持续时间最长可达101 d；随着地表移动变形进入衰退期，下沉量和下沉速度变化率不再增长，地表移动变化趋于稳定且接近于0。

3）结合坡体物理力学参数，选取不同角度的坡体为研究对象，数值模拟结果显示：当坡角大于60°时，坡顶位移较大，边坡顶部、中部、底部位移不均匀，位移大的部位岩层逐渐失去支撑，导致崩塌灾害发生；当坡角小于30°时，岩层裂隙发育至地表，基岩面形成滑动面，在雨水冲刷和基岩自重情况下，滑动面摩擦系数降低，导致滑坡灾害发生。