采空区位置对高陡硬质岩斜坡变形影响研究

吉 岚，赵建军，万 勋，李清淼，巫恩歌

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

贵州省位于中国西南地区，云贵高原东部，整体走势西高东低，属于亚热带季风气候，雨量充沛，区域内构造发育，切割强烈，综合作用下贵州省发育有较多高陡硬质岩斜坡。造成斜坡失稳的因素有很多，其中，斜坡下伏煤层开挖，对坡体稳定性影响极大[1]。下伏采空的缓倾斜坡，由于地下开采因素不同和斜坡自身地质结构的差异，多存在地表塌陷、拉裂、滑坡等工程地质问题，常常会诱发大规模的地质灾害[2]。

目前关于地下开采引起斜坡变形的研究已有很多，但大多是针对采动斜坡变形破坏机制及稳定性的研究[3-6]。对于缓倾层状结构斜坡，在地下开采作用下，变形破坏机制可概括为“采空区顶板岩层塌落-采空区上部岩层弯曲拉裂-裂缝贯通，坡脚发生剪切破坏”3个阶段[6-12]。

已有的研究资料表明，影响采动斜坡变形破坏的因素有很多，但是已有的研究多数是根据现场地质条件，将地下开采作为单一影响因素简化分析，重点强调斜坡本身构造、岩性等自身因素[13]，如张志飞等[14]基于颗粒流程序，考虑结构面参数，对反倾层状岩质边坡破坏机制进行模拟，提出岩层层面剪切强度是影响斜坡变形的重要因素。然而，不同的地下开采因素如开采方式、开采强度等，对采动斜坡变形破坏影响程度差别极大。Tao等[15]以长山壕矿区为例，利用Flac3D分析4种开采深度高程下每个边坡的稳定性，为露天矿边坡安全开采深度提供指导意见。Wang等[16]从开采方向和开采高度2个角度对采动斜坡变形破坏和稳定性惊醒分析评价，提出合理的开采高度和有效的支护措施。Yu等[17]提出重复采动对采动斜坡影响极大，采用离散元数值模拟对贵州发耳煤矿高陡边坡变形特征进行研究，阐明了不同开采层数对高陡边坡变形破坏的影响机理。Zhang等[18]采用数值模拟分析软件结合使“矿业变量的影响下边坡滑动面相似模拟试验床”，设置5种采深厚比，提出随着采深厚比例减少，边坡的稳定性逐渐降低。

以上已有少量关于地下开采因素对采动斜坡变形破坏影响的研究，但是从采空区位置角度研究其对边坡变形影响的研究尚少。采空区位置的不同，其变形程度也不同。为了避免地下开采引起高陡硬质岩斜坡变形破坏，提出合理的开采界限对高陡硬质岩斜坡的稳定十分重要。鉴于此，本文以永晟煤矿为例，采用颗粒流软件，选取7种采空区位置，即采空区右侧边界到坡肩的水平距离D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m(“-”仅表示采空区右侧边界位于坡肩内侧，即向坡体内。文中所出现的情况皆如此)，分析不同位置下覆岩位移情况和裂隙发育情况，提出永晟煤矿后续开采的合理开采界限，并为此类高陡硬质岩斜坡下的开采区间提供参考依据。

1 研究背景

1.1 高陡硬质岩斜坡

贵州省地质构造复杂，广泛地分布着岩质斜坡，坡体地形“上陡下缓”，岩层“上硬下软”，是典型的高陡硬质岩斜坡。地下开采引起高陡硬质岩斜坡发生变形破坏，本文分析了3个高陡硬质岩采动斜坡坡体结构和采空区特征，见表 1。分析表明采空区位置的不同，斜坡发生变形破坏的程度也不同。永晟煤矿斜坡目前尚未发生大规模崩塌，其坡体结构较为完整，后续将继续对永晟煤矿进行开采，故本文选取永晟煤矿为研究对象。

表1 斜坡特征分析

1.2 永晟煤矿工程概况

永晟煤矿位于金沙县化觉镇红旗村岩口组，地理坐标为106°24′59″E，27°12′26″N。地形呈北高南低，最大高差704.6 m，形成典型的上硬下软，上陡下缓的陡崖地形。自然坡向95°，坡度近90°，呈长条带状分布，长约500 m、高差约200 m，体积约5万m3。自2014年以来，由于采矿活动，造成坡表形成了较多地裂缝和塌陷坑，导致陡崖带发生过小规模的崩塌，在坡脚已有崩塌堆积体。受强降雨、地震荷载以及进一步采矿活动的影响，上部危岩带可能发生产生大规模崩塌，潜在崩塌方向90°～110°，并威胁其下方的52户居民，见图 1。

注:a—永晟煤矿东井崩塌全貌；b—坡表变形迹象；c—危岩带全貌；d—裂缝；e—塌陷坑。

研究区有部分基岩出露，见图2、3。山体上部三叠系下统夜郎组、二叠系上统长兴为灰岩，结构致密，地层产状为230°∠6°；山体下部的二叠系上统龙潭组为煤层、泥岩、泥质粉砂岩，强度较低，具有上硬下软的特征。岩体内主要发育2组节理，产状分别为170°∠87°(J1)和120°∠85°(J2)，这2组节理将岩体切割成形态较为规则的块体。研究区可采煤层主要有2层：煤层M8位于龙潭组中上部，厚约2.65 m；煤层M12位于下部，厚约1.9 m。目前主要在煤层M8作业，形成沿倾向总长度为400 m左右的采动面。

注：1—第四系崩坡积物；2—三叠系下统夜郎组沙堡湾段；3—三叠系下统夜郎组玉龙山段；4—二叠系上统长兴组；5—二叠系上统龙潭组；6—地层界线；7—断层及编号；8—裂缝；9—塌陷坑；10—滑坡及编号；11—房屋；12—2016年以后采空区；13—2015年以前采空区；14—剖面线及编号。

注：1—第四系崩坡积物；2—三叠系下统夜郎组沙堡湾段；3—三叠系下统夜郎组玉龙山段；4—二叠系上统长兴组；5—二叠系上统龙潭组；6—泥质粉砂岩；7—泥岩；8—灰岩；9—煤层及编号；10—碎石土；11—岩层界线；12—裂缝；13—采空区；14—产状。

2 数值模拟分析

矿山地质灾害的研究手段主要有物理模拟和数值模拟，物理模拟虽然可以观察受开采影响的边坡变形破坏的全过程，但仅限于探索复杂开采条件下高陡边坡的变形。这种复杂的条件很难建模，单一的模型工作量大，难以实现对多因素条件的系统研究。而简单建模的数值模拟可以实现复杂工程地质开采条件下边坡的建模和分析，在探索不同地质开采条件下边坡的变形破坏机理时效果较好[17]。采矿诱发的覆岩崩落沉陷以及坡体的局部崩塌和整体失稳现象位移量都是巨大的，离散元方法在模拟单元间大变形上具有显著的优势。

2.1 颗粒流软件(Partical Flow Code)

颗粒流(PFC2D)是一种通过细观颗粒的运动特征来反映岩体宏观变形破坏特征的离散元软件。以牛顿第二定律及力与位移为基本理论，利用刚性圆形模拟岩土体颗粒以及颗粒之间的运动和相互作用[19]。

模型中颗粒间的细观接触模型决定了材料的宏观本构特性，颗粒的细观接触本构特性有3种，即接触-刚度模型、滑移-分离模型和黏结模型。前两种则是同于非黏结情况，对于黏结情况，根据接触的本构关系可分为一般的接触黏结模型和平行黏结模型。前者用于无胶结的材料，如砂、土等，后者则用于用于胶结的材料，如混泥土、岩石。

为寻求安全、可靠、施工方便的放水涵管处理方法，磐安县经过多次考察、研讨，最终确定在条件允许的山塘采用非开挖技术，对存在安全隐患的涵管进行报废处理，重新在左右坝头山体合适位置采用非开挖技术新建涵管。磐安县2012年综合整治山塘20座，其中采用倒虹吸建涵管3座，坝头明挖设置埋入式涵管2座，老涵管套管灌浆处理2座，采用非开挖技术处理涵管13座，占到了山塘整治总数的65%。

在地下开采作用下，岩体内部颗粒产生运动，为了较好地模拟颗粒间的相对位移和抗拉、抗剪、抗弯等力学特性，本文采用平行黏结模型模拟颗粒间接触关系。

2.2 模型建立及方案

根据实际坡表地形、坡体结构以及采动面的分布构建二维工程地质概化模型，模型长1 300 m，高542 m，见图 4。以斜坡的地形界线和岩层分界线作为刚性墙体模拟边界条件，以“膨胀法”生成52 643个运算颗粒单元，颗粒最小半径0.02 m，最大半径0.06 m。给所有颗粒设置重力加速度进行重力作用下的初始平衡，形成初始地应力。平衡后，删除模型边界之外多余的颗粒，并对颗粒按照实际地层进行分组。从上到下地层依次为夜郎组组灰岩、长兴组灰岩、龙潭组泥质粉砂岩、泥岩，在亚层划分上灰岩采用15 m/层，泥质粉砂岩10 m/层，泥岩为5 m/层。设置除层面外的两组优势节理，产状为170°∠87°和120°∠85°，考虑到坡体内部节理的分布和延展不确定性，本研究中采用随机节理填充(图5)。

注：1—三叠系下统夜郎组；2—二叠系上统长兴组；3—二叠系上统龙潭组；4—煤层；5—地层分界线；6—岩层分界线；7—亚层分界线；8—监测点及编号；9—采空区及编号。

图5 数值模拟计算模型

本文仅研究在单层采动情况下，采空区右侧边界与坡肩距离对高陡硬质岩斜坡变形的影响，故重点分析采空区形成后坡体的变形。依据开采资料，永晟煤矿采用倾向长壁式开采形成了沿倾向延伸400余米的采空顶板，为2014、2017年2次开采形成，每次开采沿倾向长200 m，采厚3 m。因预留煤柱尺寸较小，在数值模拟中将其忽略。依次设置采空区右侧边界距坡肩的水平距离D= -150、-100、-50、0、50、100、150 m，共模拟7种工况。各开采方案总采宽均为400 m，共设置14个采空区序号(图 4)，各采空区宽度均为50 m，各开采方案和采空区序号之间的对应关系见表 2，同时，在坡表设置间距为100 m的15个监测点以反映坡表的沉陷特征。

表2 开采方案与采空序号对应关系

2.3 细观参数标定

对于岩土体颗粒，其宏观力学行为取决于颗粒细观力学特性，目前并没有成熟的理论方法将宏观参数直接转化为细观参数[20]，通常数值模拟试验结果获得的细观参数与室内岩石力学实验获得的宏观力学参数相比较，经过反复调试，使其一致。

李新坡等[21]和Zhao等[22]采用单轴压缩试验进行参数标定，得到细观参数。本文通过从现场选取灰岩和泥质粉砂岩试件，进行室内单轴压缩试验，得到应力-应变曲线，因为PFC2D中的单轴压缩试验无法模拟岩石的受力路径，岩体的微裂隙压密阶段无法表现出来，故通过对比应力-应变曲线的斜率和峰值进行细观参数标定，即对比岩石的弹性模量和单轴抗压强度。经过反复调整，得出一条斜率和峰值与室内试验应力-应变曲线基本一致的曲线，见图 6，以此作为本次数值模拟试验的细观参数，见表3。

a)灰岩

b)泥质粉砂岩

表3 PFC模型细观参数取值

3 数值模拟结果分析

3.1 位移分析

3.1.1水平位移分析

山区采矿会引起采空区覆岩崩落沉降，由于崩落岩体的碎胀性，采空区两侧边界岩体将受到横向推挤力作用，发生侧向变形[23]。采空区两侧围压越低，侧向变形现象越明显[24]。由图 7可知，位移监测点M1—M6所示覆岩水平位移值较小，因为采空区边界上方坡表地形一致，两侧产生了相对较高的围压，抑制了覆岩的侧向变形。当D<-50 m时，M2—M6位于采空区正上方，位移曲线呈现不规则“锯齿状”，这是因为层面间黏结强度较低，在水平方向上运动阻力较小，为覆岩的侧向变形提供了合适的路径。

随着坡表地形逐渐变陡，坡肩岩体受沉降影响，在重力作用下，朝着阻力较小方向(坡内)发生水平运动[25]。当D= -50 m时，坡肩岩体达到最大水平位移，约为0.9 m。跨越坡肩后，陡崖中下部岩体具有与坡顶相反的运动特征。由图 8可知，随着采空区右侧边界逐渐靠近陡崖，由于陡崖一面临空，产生的围岩约束力不足以抵消覆岩下沉引起的侧向膨胀力，导致岩体向临空面产生位移。

图7 不同采空区位置下地表水平位移曲线

a)D=-150 m

c)D=-50 m

3.1.2竖向位移分析

坡表监测点竖向位移曲线近似“U”型，靠近采空区左侧边界的坡表监测点，竖向位移逐渐增大；跨越采空区左边界后，坡表竖向位移陡增，并在采空区中心正上方达到最大竖向位移。由于采空区分两次开采形成，故在位移曲线图上至少可观察到2次相等最大竖向位移。当D≤-50 m，采空区右侧边界周围地表岩体具有与左边界类似变形特征。当D>-50 m，采空区大部分位于陡崖内侧，向边界两侧产生较大膨胀力，挤压右侧边界岩体，向坡表隆起，当D=50 m时，达到最大值约0.5 m。随着D的继续增大，这种“隆起”现象逐渐消失。

由图 9可知，坡表产生最大沉降的位置始终位于采空区正上方。并且不同采空区位置开采下最大竖向位移值相差较小，约为3.50 m；仅当D>100 m，最大竖向位移值有所增大，约为3.66 m。

图9 不同采空区位置下地表竖向位移曲线

虽然采空区坡表最大竖向位移出现位置和量值受采空区位置影响较小，但是采动覆岩影响范围受采空区位置影响较大。当D>-50 m，“U”型范围较D≤-50 m时扩大近一倍。由于陡崖的特殊性，坡顶会产生附加的沉陷效应，坡表产生明显竖向位移区域变大，而这在平缓地形中通常不会出现[26-27]。

总体而言，坡表最大竖向位移受采空区位置影响较小，但坡表竖向位移变化范围受采空区位置影响较大，当D>-50 m，坡表沉降范围变大，“U”型范围较前者扩大近一倍。

3.2 裂隙发育分析

采动破坏了岩体中原有的应力状态，引起岩体内应力重分布，在采空区上方岩体中形成减压区，产生较多垂直层面的拉张裂缝[28]。由于模型内煤层力学参数较低，随着开采的进行煤层自身会产生较多微裂隙，但其对坡体变形破坏不产生影响，可忽略[29]。首次采空区形成后，上覆岩体在重力作用下向采空区方向弯曲，产生2条沿采空区边界往坡表扩展的主裂隙，内部发育有较多次生裂隙，从采空区顶板至坡表呈现倒“Y”型，见图 10。二次开采后，采空区上方覆岩内产生的拉张裂隙数量明显少于首次开采，裂隙产生位置变得杂乱。当D=0 m时，坡脚首次出现裂隙，随着D的增大，坡脚裂隙数量逐渐减少。当D≥100 m后，陡崖处岩体内逐渐出现裂隙。

a)D=-150 m

将采空区上方覆岩最外侧裂隙与采空区边界连线与水平线在矿柱一侧夹角称为裂缝角[30](图 11)。以上山裂缝角γ和下山裂缝角β之和“γ+β”表示采空区上方岩体受扰动范围，但此时不考虑覆岩厚度[22]。采空区左侧边界始终远离陡崖，下山裂缝角变化较小，见图 12。上山裂缝角随着D的增大而呈现先减小后增大的变化趋势。当D≥-50 m时，随着D增大，右侧边界逐渐靠近陡崖临空面，坡表地形变陡，上山裂缝角逐渐减小。当D=100 m时，上山裂缝角γ达到最小值80°，“γ+β”最小值为163°，在不考虑采空区上覆岩体厚度情况下，采空区上方受扰动岩体范围最大。当D>-150 m，大范围采空区埋深减小，上山裂缝角反而增大。

图11 裂缝角示意

图12 不同采空区位置下裂隙扩散角

3.3 对陡崖部位岩体的时效变形影响分析

根据现场调查情况，在陡崖部位发育大规模危岩体，由于陡崖高差较大，选取陡崖中部监测点M9监测数据分析不同采空区位置开采对陡崖变形的影响。

在不同开采情况下，陡崖处岩体变形具有时效性。从6.1×104时步发生首次位移。首次开采稳定后，在21×104时步，发生第二次位移。由图 13、 14可知，位移曲线图受2次采动影响，呈2种变化趋势。首次开采后，当D≤100 m，陡崖中部岩体首先向坡内产生水平移动，随后向临空面运动，最终岩体达到稳定时向坡内发生了较小水平位移。竖向位移随着D的增大逐渐增大，但首次开采后岩体最终沉降值较小，不足1 m。

当开采进行到第21×104时步，首次开采已经达到稳定状态，随着第二次开采进行，当D≤-50 m时，岩体运动趋势与首次开采近似，发生较小竖向沉降和向坡内发生较小水平位移。随着D的增大，竖向位移逐渐增大，但最终位移较小，不足1 m；当D≥-50 m，水平位移向临空面方向迅速增大，最终水平位移量与采空区位置有关，距离采空区中心越远，水平位移量越大[29]。竖向沉降值和沉降速率陡增，并且随着D的增大，沉降值逐渐增大，当D=100 m时，沉降达到最大值，约为3.66 m。但随着D的继续增大，沉降值反而略有减小。

图13 不同采空区位置陡崖中部岩体水平位移

图14 不同采空区位置陡崖中部岩体竖向位移

4 结论

总结了德兴煤矿崩塌、马鬃岭崩塌、永晟煤矿东井崩塌3个采动斜坡坡体结构和采空区特征，以永晟煤矿为研究对象，采用二维颗粒流软件模拟2次开采形成采空区，研究了7种采空区位置对高陡硬质岩斜坡的变形影响，得出以下结论。

a)采空区覆岩随着D的逐渐增大面向临空面产生的横向变形越明显，坡表沉降曲线近似“U”型，“U”型范围先保持不变后扩大。D≤-50 m时，主要变形为坡肩岩体向坡内产生水平位移，随着D的增大而增大，当D=-50 m时，达到最大水平位移0.8 m，且该情况下“U”型范围几乎一致；D>-50 m时，陡崖部位岩体产生的水平位移随着D的增大逐渐增大，主要为面向临空面的横向变形，此时，“U”型范围较前者扩大近一倍。

b)上下山裂缝角之和表示采空区覆岩受扰动范围，其主要取决于上山裂缝角大小，随着D逐渐增大，采空区上覆岩体受扰动范围逐渐增大。当D<-50 m时，上下山裂缝角之和几乎相等；当D>-50 m时，随着D的增大，下山裂缝角迅速减小，当D=100 m时，达到最小值，此时，采空区覆岩受扰动范围最大。

c)陡崖部位岩体随着第二次开采进行，岩体迅速发生变形，当D>-50 m时陡崖处岩体产生的变形远远大于D≤-50 m时产生的变形。当D≤-50 m时，陡崖处岩体水平位移均在0.1 m以内，竖向沉降值均不足1 m，岩体变形较小；当D>-50 m时，随着第二次开采进行，变形速率和最大位移量陡增，当D=100 m时，陡崖部位岩体达到最大下沉量3.66 m。

综上，永晟煤矿类的后续开采中，为了防止斜坡失稳破坏，应该满足D<-50 m。同时，为此类高陡硬质岩斜坡的地下开采区间提供了参考依据。