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        貴州山區(qū)煤礦采動引起地表斜坡變形失穩(wěn)機理研究

        2021-04-28 00:42:40李官博彭大江王加雙李元武
        中國科學(xué)探險 2021年1期
        關(guān)鍵詞:斜坡山區(qū)變形

        李官博 彭大江 王加雙 李元武

        摘要:本文以貴州省都勻市某出煤洞坡為研究對象,介紹了坡體變形特征,分析了斜坡變形失穩(wěn)機理,結(jié)果表明,斜坡變形過程可分為開采擾動、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個階段。

        關(guān)鍵詞:山區(qū);斜坡;變形;失穩(wěn)機理

        1? ? 工程概況

        我國陸地存在大量山嶺,斜坡失穩(wěn)的災(zāi)害每年都有發(fā)生,且種類眾多、分布范圍廣,特別是西南山區(qū),地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重,也是世界上山區(qū)斜坡失穩(wěn)較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。貴州省都勻市某區(qū)域煤洞坡范圍內(nèi)存在多個生產(chǎn)礦井,主采A7、A9煤層,由于長期的采動影響,斜坡體出現(xiàn)了多處裂縫,甚至有個別小型崩塌發(fā)生。根據(jù)有關(guān)部門的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該煤洞坡存在“接娘坪”和“立山坡”兩個比較大的變形體單元,如圖1所示。其中,“接娘坪”變形體單元有4條比較寬的主裂縫,并發(fā)育出大量次級裂縫,整體變形劇烈;而“立山坡”變形體單元未形成寬的主裂縫,只有小型裂縫發(fā)育??傮w而言,煤洞坡變形主要為裂縫,僅有個別崩塌發(fā)生。

        經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),裂縫大致分布在地下采煤工作面形成的采空區(qū)上方或采空區(qū)邊界對應(yīng)的地表區(qū)域,說明裂縫的發(fā)育與地下采煤的關(guān)系密切。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn),“接娘坪”變形單元附近多為私企開采的小煤洞,而“立山坡”變形單元附近僅有規(guī)模開采的正規(guī)企業(yè),說明小煤洞的亂采亂挖對地表裂縫的形成影響更大。本文在此基礎(chǔ)上,對煤洞坡變形體的形成機理進行分析。

        2? ? 煤洞坡變形體形成機理分析

        貴州省山區(qū)地貌為典型的峰叢地貌,在流水、強降雨等作用下容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,而在采動影響下,斜坡體變形機制變得更為復(fù)雜,破壞性也更強,地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模也更大。國內(nèi)眾多學(xué)者對采動引起的煤洞坡變形特征及失穩(wěn)機理也開展了大量研究,根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)、斜坡體構(gòu)造、煤礦開采工況等條件不同,針對性地提出了煤洞坡失穩(wěn)的多個模式,如谷德振等人提出金川露天礦邊坡變形失穩(wěn)機制為“傾倒-滑移式”,孫玉科等人提出鹽池河山體變形失穩(wěn)模式為滑移-傾倒崩塌,黃潤秋、林鋒、趙建軍等人提出的貴州省采礦誘發(fā)“采空區(qū)”控制型崩滑災(zāi)害的形成機理等。概括而言,目前提出的煤洞坡失穩(wěn)機理可分為4類,即:塌陷-拉裂-剪斷(滑移)、塌陷-拉裂-傾倒、拉裂-蠕滑-剪斷和拉裂-滑移-傾倒。從各失穩(wěn)機理的描述過程判斷,本文上述提到的煤洞坡斜坡的變形失穩(wěn)機理為“拉裂-蠕滑-剪斷”,其走向上的變形過程可分為四個階段,如圖2所示。

        (1)開采擾動階段

        由礦山壓力與巖層控制相關(guān)理論可知,煤洞坡區(qū)域長期開采A7、A9煤層,地下形成了大范圍的采空區(qū),采空區(qū)上覆巖層在重復(fù)采動影響下受到嚴(yán)重擾動,使其在自重應(yīng)力和采動應(yīng)力的疊加作用下發(fā)生嚴(yán)重變形,進而在煤層上覆巖層中不斷形成裂縫,巖層之間出現(xiàn)離層等現(xiàn)象,誘發(fā)斜坡體內(nèi)開始出現(xiàn)緩慢的變形現(xiàn)象。

        (2)坡頂拉裂階段

        由于該區(qū)域煤礦回采均使用全部垮落法處理采空區(qū),隨著A7、A9煤層中工作面的不斷回采推進,采空區(qū)原有支護結(jié)構(gòu)逐漸破壞,采空區(qū)上覆巖層在周期壓力的作用下逐步冒落或發(fā)生彎曲下沉,即形成采空區(qū)上覆巖層“三帶”。當(dāng)關(guān)鍵層垮落后,采空區(qū)頂板自下而上形成的冒落區(qū)與裂縫區(qū)開始迅速沿陡傾結(jié)構(gòu)面向上延伸,隨著垮落范圍越來越大,冒落區(qū)與裂縫區(qū)向上發(fā)展直至地表,在采空區(qū)邊界對應(yīng)的坡頂區(qū)域形成裂縫,并不斷發(fā)展。

        (3)變形加劇階段

        當(dāng)A7、A9煤層資源逐漸被回采完畢,多個煤礦開始回采A4煤層。A4煤層位于A7煤層上方,距離地表較近,回采前在下方A7、A9煤層的重復(fù)采動擾動下,煤體及頂?shù)装鍘r層已經(jīng)受到結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)A4煤層不斷回采后,原有冒落區(qū)和裂縫區(qū)進一步擴大,工作面之間留設(shè)的保護煤柱因不能承受高應(yīng)力而被壓碎,加劇了冒落范圍繼續(xù)向地表的延展發(fā)育,煤層頂板裂縫繼續(xù)增大,在坡頂前緣局部出現(xiàn)拉裂傾倒失穩(wěn)崩塌。受臨空面和采空區(qū)的影響,山體右側(cè)的坡頂開始出現(xiàn)朝向右側(cè)臨空面的裂縫。

        (4)蠕滑變形階段

        A4煤層中的工作面保護煤柱在長期應(yīng)力作用下也逐漸被壓碎,導(dǎo)致A4煤層頂板由彎曲下沉開始產(chǎn)生冒落,原有的采空區(qū)邊界裂縫繼續(xù)擴大。覆巖在多次高強度重復(fù)開采擾動后,內(nèi)部裂隙發(fā)育,降雨沿坡表裂縫滲入坡體內(nèi),并在采空冒落區(qū)匯集,促使斜坡以裂縫為界向兩側(cè)臨空面蠕滑變形。覆巖向左側(cè)蠕滑過程中受到了山體的阻擋,向右蠕滑則受到巖體裂隙發(fā)育程度低和坡表邊界煤柱的限制。見圖2。

        同理,煤洞坡變形體在傾向上形成過程也可以分為開采擾動階段、坡頂拉裂階段、變形加劇階段、蠕滑變形階段四個階段,但在蠕滑變形階段裂縫的性質(zhì)上有所差別。在進入變形加劇階段以后,A4煤層頂板由彎曲下沉開始產(chǎn)生冒落,導(dǎo)致采空區(qū)邊界裂縫繼續(xù)擴大,裂縫同時向采空區(qū)和臨空面方向移動,但由于受到反傾向巖層的限制,裂縫以向采空區(qū)移動為主。降雨沿坡表裂縫滲入坡體內(nèi),并在采空冒落區(qū)匯集,促使斜坡以后緣裂縫為界向臨空面蠕滑變形。

        3? ? 影響煤洞坡變形失穩(wěn)的地質(zhì)因素分析

        以往的研究表明,巖體結(jié)構(gòu)、巖層性質(zhì)及其組合、地形地貌、工作面開采條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素均對受采動影響的斜坡體變形失穩(wěn)產(chǎn)生顯著影響。貴州山區(qū)以峰叢地貌為主,斜坡變形失穩(wěn)往往具有突發(fā)性,事故發(fā)生前變形較小不易察覺,因此在一定程度上增加了事故災(zāi)害防治的難度,也增加了事故發(fā)生的危險性。

        結(jié)合西南地區(qū)近40年來發(fā)生的其他采動相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害點的資料,對地形、坡體結(jié)構(gòu)、節(jié)理面、臨空面、變形跡象、崩滑方向、斜坡巖體結(jié)構(gòu)類型、坡體結(jié)構(gòu)、地下開采狀況、災(zāi)害發(fā)生前降雨情況、巖層產(chǎn)狀、失穩(wěn)模式等因素進行統(tǒng)計分析,以期探究對煤洞坡變形失穩(wěn)產(chǎn)生顯著影響的地質(zhì)因素及其規(guī)律。

        自然條件下采動坡體會沿2組控制性結(jié)構(gòu)面發(fā)育有卸荷裂隙或溶蝕裂隙,如貴州腰巖腳崩塌體、貴州龍場崩塌體發(fā)育有溶蝕裂隙或溶洞。但在下部或深部采礦情況下,坡體內(nèi)的裂隙會加速擴展,而且變形裂縫與采空區(qū)的邊界呈對應(yīng)關(guān)系,14個統(tǒng)計的崩滑地質(zhì)災(zāi)害點在發(fā)生前具有變形裂縫,有的甚至還會出現(xiàn)小型崩塌和滑坡;坡頂會發(fā)育有與采空區(qū)邊界的變形裂縫,而且裂縫隨著采空區(qū)面積的擴大及開采強度的提高會延伸到采空區(qū),若裂縫與臨空面近于平行或小角度斜交,那么這組裂縫發(fā)育速度會加快,14個災(zāi)害點中均發(fā)育有與臨空面平行的裂縫,而且都是控制斜坡穩(wěn)定的主控裂縫。

        煤礦企業(yè)的技術(shù)條件,如開采方法、采掘機械、開采規(guī)模、開采順序、采高等因素,對煤洞坡的變形失穩(wěn)也產(chǎn)生明顯影響。一般而言,煤礦開采多個煤層,采高往往與煤層厚度相同,并且該區(qū)域內(nèi)有多個煤礦同時生成,每個煤礦一般同時回采的2個工作面,重復(fù)采動效應(yīng)疊加影響。特別是經(jīng)過長期且高強度的回采,采空區(qū)范圍越來越大,加劇了斜坡的變形失穩(wěn)破壞,甚至發(fā)生滑坡、坍塌等災(zāi)害,如貴州馬達嶺滑坡、湖鹽池河崩塌、貴州洋水河崩塌帶等。

        4? ? 結(jié)語

        煤洞坡的顯著特征是斜坡上部巖性較硬,而下部巖性較軟,受多個煤礦的重復(fù)采動影響,斜坡體變形機制復(fù)雜,變形過程可分為開采擾動、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個階段。

        參考文獻

        [1] 崔文博,向喜瓊.貴州都勻馬達嶺滑坡運動特征研究[J].地下水,2013,35(3):145-148.

        [2] 馮振,殷躍平,李濱,等.斜傾厚層巖質(zhì)滑坡視向滑動的土工離心模型試驗[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(5):890-896.

        [3] 蘭志勇.采動滑坡變形破壞機制物理模擬試驗研究:以貴州省青山煤礦為例[D].成都:成都理工大學(xué),2015.

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