重复采动对顺层岩质斜坡变形破坏的数值模拟研究

唐建新，候阳阳，王育林，王艳磊，代张音，孔令锐，张择靖

（1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044；3.重庆市地质矿产勘查开发局，重庆 401121；4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025）

顺层岩质斜坡在我国广泛分布，是我国丘陵山区常见的一种地形地貌，在地下进行开采时其稳定性极易受到影响，从而衍生为山体滑坡、崩塌等地质灾害[1-4]。因此采动顺层岩质斜坡变形破坏研究对于矿山生产、地质灾害防治、环境治理等有着十分重要的意义。

我国矿产资源丰富，同时由地下采矿诱发的滑坡等地质灾害频发，因此国内十分重视采动造成滑坡地质灾害方面的研究。2000 年，胡海峰[5]在分析大量采动滑坡资料的基础上，提出利用有限元数值分析方法研究采动对坡体的稳定性影响；2002 年邓荣贵等[6]依据重庆顺层岩质边坡案例建立了顺层边坡岩体失稳破坏长度计算公式，探讨其失稳的临界长度；2004 年石必明、俞启香等[7]基于岩石破裂损伤理论，结合RFPA 有限元数值模拟，动态模拟地下煤层的开挖过程，得到上覆岩体破裂的移动规律及应力和变形分布特征；2004 年白云峰等[8-10]通过实地调查，对顺层滑坡的发育环境及分布特征进行统计分析，提出滑坡产生的基本条件是岩层中软弱结构层与相邻岩层发生错动，并研究了降雨、坡体高度、临空面等因素对滑坡的影响；2010 年郭春颖等[11]利用UDEC 软件，建立急倾斜特厚煤层的数值模型，研究了其开采围岩破坏规律和地表变形规律，得出地表呈深槽型地表塌陷坑；2012 年刘栋林等[12]采用UDEC 首次模拟分析了工作面上坡、下坡推进时斜坡产生裂缝的差异，提出上坡开采形成牵引型正裂缝；桂庆军等[13-14]在2014、2015 年2 年间利用UDEC数值模拟了贵州山区某煤矿开采影响下，覆岩移动变化规律、裂隙发育情况；2017 年Li 等[15]采用UDEC建立陡坡岩体边坡模型，提出了采矿活动和降雨作用下边坡的变形特征和破坏机理。以上研究少见考虑地下煤层重复开采情况下对上覆顺层岩质斜坡的影响，并且没有针对我国西部丘陵山区顺层岩质斜坡地质的研究。

为此，以川煤集团下属某矿为研究区，首先进行现场调研与数据搜集，掌握该矿区基本地质条件和采动顺层岩质滑坡情况，采用UDEC 数值模拟分析方法，研究重复开采对顺层岩质斜坡的影响，从而丰富采动顺层滑坡地质灾害的预测预防的研究手段。

1 研究对象概况

顺层岩质斜坡是指倾斜方向与层状基岩的倾向接近或大体一致的岩质斜坡[16]。且岩体中软弱结构面、软弱结构层较为发育[17-18]，根据已有研究成果可知[19-22]，逆坡开采后坡体沿滑动面产生滑坡的危险性最大，因此，重点研究四川省某煤矿重复开采时所诱发的顺层滑坡。

1）地质条件。煤矿处于达州市境内，矿区走向长10 km，倾向长度2.65 km，面积26.7 km2。本井田主要可采的外连煤层和内连煤层的平均厚度分别是1.45 m 和1.56 m，平均倾角25°，2 个煤层的间距为0.12～10.32 m，平均8.12 m。 研究区为一走向由北向东的长条形山区，山脊一般高程为730 m，山顶较平坦，地貌与构造吻合，背斜轴部一带为山脊，两翼为与地层倾向相同的斜坡地，坡度东缓西陡。属二级中度切割的岗岭状低山类型。地表山体多为岩质坡体，表土层薄，陡坡普遍分布。

2）开采沉陷情况。该矿区地表处于低山起伏频繁的山区，在多工作面频繁交替开采和多煤层重复采动影响下，地面沉陷加剧，导致地面塌陷、地裂缝、建筑物变形、崩塌和滑坡等破坏现象，地表变形破坏图如图1。

图1 地表变形破坏图Fig.1 Surface deformation and failure map

2 数值模型

通用离散元程序UDEC6.0[23-24]是由Itasca 公司推出的离散元软件之一，是一款基于离散单元法处理不连续介质的程序。该方法基于“拉格朗日”算法，用于模拟二维条件下非连续介质（岩体节理裂隙等）承受静载或动载作用下的力学行为[25]。

根据矿山实际地质条件，建立的数值模型如图2。为更好地分析研究重复采动影响下斜坡的裂隙发育等变形破坏规律，选择voronoi 随机节理生成器对坡体部分进行节理划分，同时，为提升计算效率，坡体外的部分均采用传统的jset 节理组生成器生成岩体节理。模型总块体数为7 026 个，总单元数为22 260 个，总节点数为33 098 个。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

模型水平长700 m，左侧边界高625 m，右侧边界高245 m。斜坡体厚度48 m，软弱结构面斜长400 m，岩层倾角为25°，外连煤层距软弱结构层法向距离为183.2 m，2 个煤层间距8 m。模型边界条件为：左右两侧固定水平位移，底部固定水平和垂直位移，，模型顶部为自由边界。由于斜坡部分不便于施加初始地应力，采取初始平衡自重应力作为初始应力，对地应力进行简化处理。

数值模型测线布置如图3。坡体内部布置了4条位移观测线，依次相距10.5 m。布置2 条应力观测线，每条间隔19.5 m。在软弱结构层内布置1 条观测线。

图3 数值模型测线布置Fig.3 Lines layout of numerical model

岩石物理力学参数见表1，在数值建模中，煤岩体破坏准则采用莫尔-库伦模型，节理材料模型采用节理面接触库伦滑移节理模型，模型岩层节理面物理力学参数见表2。

表1 岩石物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

在进行开挖时，先采外连煤层，后采内连煤层；同一煤层进行上行开采，开采至左边界100 m 处。为准确模拟重复采动对地表斜坡造成的影响，确定每开挖15 m 进行1 次循环计算，每次开挖计算至覆岩充分下沉后再进行下一步的开挖计算。

3 模拟计算结果

3.1 数值模拟移动规律

3.1.1 竖直y 方向下沉移动规律

开采完成后，单层开采y 方向位移云图及各位移测线下沉量如图4，重复开采y 方向位移云图及各位移测线下沉量如图5。

图4 单层开采y 方向位移云图及各位移测线下沉量Fig.4 Y-direction displacement nephogram of single layer mining and subsidence of each line

图5 重复开采y 方向位移云图及各位移测线下沉量Fig.5 Y-direction displacement nephogram of repeated mining and subsidence of each moving survey line

由图4 可知，对于单层开采，4 条坡体观测线下沉量变化趋势和软弱结构层下沉趋势基本一致，各测线x 坐标在160 m 至360 m 范围内呈波动下降趋势，偶有位移突变现象，表明260 m 至310 m 范围内出现滑移现象，在突变点附近产生了裂缝，对于同一横坐标位置的测线，其下沉量随测线埋深减少依次递减，表明岩层在受采动影响后的变形为非连续性变形，在由下而上的变形传递过程中，随埋深的减小而不断折减的趋势。同时，随着测线埋深的减少，下沉曲线的拐点也依次往右平移。各测线的最大下沉量均未超过软弱结构层最大下沉量，但从y 方向位移云图中可以明显看出，受采动影响，斜坡坡脚附近出现小范围滑移现象，下沉值略大于采高，斜坡稳定性降低。

由图5 可知，对于重复开采，观测线的变化趋势仍与软弱结构层保持一致，同样为不连续性波动下降，但与单层开采不同的是，4 条测线的下沉量更加接近，曲线拐点基本重合，形态更加相似，随着测线埋深减少，相同位置下沉量逐渐衰减，但衰减量较单层开采后更小。此外，各位移测线x 坐标在280 m 之后的下沉量均超过同一位置的软弱结构层下沉量，其中测线4 的最大下沉量为2.97 m，接近开采厚度，是单层开采时最大下沉量的2.5 倍，表明重复开采后，斜坡x 坐标在280 m 至360 m 范围内出现断裂和滑移现象，其稳定性继续降低。

3.1.2 水平x 方向移动规律

单层开采和重复开采完成后，x 轴方向坡体测线位移量如图6。

对于单层开采，图6（a）中各测线水平位移x 坐标在0～160 m 范围内移动变形十分缓慢，斜坡受开挖影响较小；从160 m 开始，各测线的水平位移开始明显增加且呈波动上升趋势；在斜坡位置210 m附近，水平位移产生了突变，说明在这个位置产生了裂缝；x 坐标在200～360 m 范围内各测线的水平位移差距较x 坐标在0～200 m 范围内更明显，变化幅度更大，突变点明显增多，表明该范围内的坡体受开挖影响较大，产生多处斜坡裂缝。对于同一横坐标位置的测线，其水平位移随测线深度减少依次变大，坡表的水平位移较坡体内部更明显，与y 方向下沉量变化规律完全相反。

图6 x 方向各位移测线水平位移量Fig.6 Horizontal displacement of each line in x direction

对于重复开采，图6（b）中4 条坡体测线的水平位移量都是先增后减，水平位移曲线在坡体中部220 m 附近均产生明显突变；从240 m 左右后开始波动下降，原因在于重复采动加剧了坡体沿软弱结构层的下沉回转，导致下沉量增加，水平位移减少，但整体水平位移量较单层开采仍呈增加趋势。通过对测线1 观察，发现在该突变点处，单层开采的水平位移为0.21 m，而重复开采后的水平位移达到0.85 m，约为单层开采的4 倍，由此看出重复采动会导致斜坡在水平方向的移动变形显著增大。

3.2 数值模拟应力分析

煤层采动前，地表斜坡处于应力平衡状态，当煤层开采后，上覆岩层受采空区影响应力场不断调整，直至达到新的平衡，在平衡的不断调整过程中会产生岩体的破坏、变形、离层等现象，对于地表斜坡而言可能会出现失稳滑坡，以此来达到新的平衡。斜坡各监测线应力变化如图7，图中：WLF 为外连煤层开采过程中产生的裂缝；NLF 为内连煤层开采过程中产生的裂缝。

图7 斜坡各监测线应力变化Fig.7 Stress variation of slope monitoring lines

单层开采结束后，斜坡各监测线及软弱结构层的应力变化情况如图7（a）。对比不同埋深测线可以看出，对于同一铅锤位置测点，当埋深的增加时，应力也相应地增加了。斜坡x 坐标在0～160 m 范围内受采动影响较小，应力呈小幅度波动变化；在160～360 m 范围内，煤层采空后造成上覆岩层的下沉移动，岩体会向采空区方向发生卸荷变形，导致压应力增大；由于在270～360 m 范围内为斜坡坡面，斜坡的高度不断减小，因此压应力也相应减小，坡脚附近的压应力趋于0。在裂缝产生附近，应力往往出现大幅度波动现象，以裂缝WLF-5 为例，在该裂缝左侧的岩体受采空区影响产生回转下沉，软弱结构层附近的测点压力剧增，从0.5 MPa 增长为3.15 MPa，而在该裂缝右侧的岩体与左侧岩体产生分离，因此附近测点的压力骤减为0.88 MPa。单层采动共产生5 条明显裂缝，图7 中的应力变化趋势与裂缝的发育情况基本对应。

重复开采结束后，斜坡各监测线的应力变化情况如图7（b）。由于重复采动导致斜坡发育新的裂缝和裂缝群，因此各测线的应力曲线波动范围较单层开采时增加，应力波动点增多。通过对比各测线在单层开采和重复开采情况下的应力曲线可知，虽然部分裂缝的闭合会导致重复采动下的个别测点应力低于单层采动的情况，但整体对比曲线发现重复采动会引起坡体垂直应力增加，最大应力也呈增长趋势，以软弱结构层的应力变化为例，最大应力由3.15 MPa 增长为3.47 MPa，重复采动会导致软弱结构层更容易发生破坏，坡体稳定性进一步降低。

软弱结构层测线应力如图8。

图8 软弱结构层测线应力Fig.8 Survey line stress of weak structural layer

3.3 采动斜坡裂缝发育规律

单层开采推进时不同阶段坡体裂缝发育图如图9，重复开采推进时不同阶段坡体裂缝发育图图10。

图9 单层开采推进时不同阶段坡体裂缝发育图Fig.9 Development map of slope cracks in different stages of single layer mining

图10 重复开采推进时不同阶段坡体裂缝发育图Fig.10 Fracture development map of slope at different stages during repeated mining

3.3.1 单层开采斜坡裂缝发育过程

根据对图9 数值模拟各阶段裂缝发育情况的分析，发现逆坡单层开采时斜坡裂缝随工作面推进的发育过程主要有以下特点：

1）坡面中下部产生较多临时性斜坡裂缝，裂缝具有动态发育特征，其发育过程为“产生-扩展-缩小闭合”。

2）坡面中上部及坡体部分产生永久性损伤裂缝，受开采扰动的影响，斜坡裂缝的宽度不断增大并沿纵深方向扩展至软弱结构层，当开采沉陷稳定后，裂缝发育也趋于稳定，整体发育过程为“产生-扩展延伸-稳定”。

3）斜坡裂缝主要发育为纵深裂缝，层间裂缝在开采过程中先产生后又闭合且发育规模较小。

4）软弱结构层下沉曲线的位移突变点会随着推进距离的增加往左边界方向移动，突变点附近通常伴随斜坡裂缝的产生扩展。

3.3.2 重复采动斜坡裂缝发育过程

近距离煤层重复采动会导致上覆顺层岩质斜坡发育出新的裂缝，同时，在单层采动中先产生后又闭合的临时性斜坡裂缝也会在重复采动影响下发生活化。根据对图10 数值模拟各阶段裂缝发育情况的分析，发现重复采动时斜坡裂缝随工作面推进的发育过程主要有以下特点：

1）相比于单层采动，重复采动会产生更多的层间裂缝，同时会发育新裂缝及细小开口的裂缝群，导致坡体稳定性进一步降低。

2）重复采动会导致单层采动时已产生的斜坡裂缝发育过程改变，部分临时性裂缝转变为永久性裂缝，由单层采动时的“变形积累-产生-扩展-闭合”动态发育过程转变为重复采动时的“变形积累-发育扩展-发育稳定”动态发育过程。

3）在重复采动影响下，斜坡裂缝的发育宽度和深度呈非线性增加趋势，发育宽度和深度并非同步增长，在重复采动中期深度增长较明显，而采动后期宽度增长更为明显。

4 结 论

1）采动影响的下沉量随埋深减少依次递减，岩层在受采动影响后的变形为非连续性变形。与单层开采相比，重复开采引起的各结构面下沉量更加接近，曲线拐点基本重合，形态更加相似，随着测线埋深减少，同一位置上的下沉量逐步减少，但衰减量较单层开采后更小。对于重复开采，坡体测线的水平位移量均呈现先增大后减小的趋势，重复采动加剧了坡体沿软弱结构层的下沉回转，导致下沉量增加，水平位移减少，但整体水平位移量较单层开采仍呈增加趋势，重复采动会导致斜坡在水平方向的移动变形显著增大。

2）重复采动导致斜坡发育新的裂缝和裂缝群，因此各测线的应力曲线波动范围较单层开采时增加。整体对比曲线发现重复采动会引起坡体垂直应力增加，最大应力也呈增长趋势重复采动会导致软弱结构层更容易发生破坏。

3）重复采动与单层采动相比会产生更多的层间裂缝，发育新裂缝及细小开口的裂缝群，部分临时性裂缝转变为永久性裂缝，单层采动时的“变形积累-裂缝产生-扩展-闭合”动态发育过程转变为重复采动时的“变形积累-裂缝发育扩展-发育稳定”动态发育过程。