李 偉，任 鵬，3，李慶堯，郭夏飛，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；4.中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州036006）

露天煤礦紅黏土邊坡的變形失穩(wěn)會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，更有甚者還會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡和引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)效應(yīng)[1-2]。平朔東露天礦發(fā)生過(guò)多次紅黏土邊坡滑坡災(zāi)害，研究發(fā)現(xiàn)此類(lèi)失穩(wěn)主要?dú)w因于邊坡含有軟弱紅黏土層[3-4]。通過(guò)對(duì)東露天礦發(fā)生滑坡區(qū)域的調(diào)研，認(rèn)為該區(qū)域端幫邊坡目前正處在復(fù)雜工況和多種地質(zhì)條件的綜合作用下，以此對(duì)邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)的影響很難預(yù)測(cè)[5]。紅黏土分布區(qū)域廣泛，所涉及的工程及邊坡失穩(wěn)案例屢見(jiàn)不鮮，紅黏土具有飽和度高、含水率高、孔隙高的特點(diǎn)，是一種特殊黏性土且強(qiáng)度較高[6-7]；紅黏土邊坡在降水、采空區(qū)的共同影響下，其變形往往以坡體內(nèi)部未出現(xiàn)貫通性的破壞面為特點(diǎn)；隨著坡體應(yīng)力快速超過(guò)坡體極限強(qiáng)度時(shí)，極易形成貫通性破壞面，相反，若坡體內(nèi)的應(yīng)力介于長(zhǎng)期強(qiáng)度和極限強(qiáng)度之間時(shí)，斜坡在失穩(wěn)破壞之前需要一段較長(zhǎng)時(shí)間的松動(dòng)蠕變[8-9]。

在我國(guó)露天煤礦中，由于軟巖強(qiáng)度較低的特性再加上順傾這一自然地質(zhì)因素，綜合影響下的邊坡變形破壞機(jī)制的研究較少，相關(guān)治理舉措目前仍不夠完善。為此，以中煤平朔公司東露天礦北幫邊坡為工程背景，考慮邊坡在雨季降水的影響下，對(duì)研究區(qū)域的巖土體參數(shù)進(jìn)行一定程度的折減，以此為基礎(chǔ)分析紅黏土邊坡受采空區(qū)影響下巖土體位移規(guī)律，探究紅黏土邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制。

1 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡拱效應(yīng)特征

1.1 巖土體強(qiáng)度指標(biāo)和紅黏土邊坡模型

1）巖土體強(qiáng)度指標(biāo)。將以往巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和土質(zhì)工程性質(zhì)試驗(yàn)成果進(jìn)行匯總，結(jié)合已有成果通過(guò)類(lèi)比分析，基于對(duì)東露天礦北幫紅黏土邊坡工程地質(zhì)特征以及水文地質(zhì)狀況的勘查，通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算綜合獲得東露天礦邊坡巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表Table 1 Table of physical and mechanical properties of rock and soil

2）紅黏土邊坡模型。以平朔東露天礦北幫紅黏土影響區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，邊坡上部有較厚的第三系和第四系的粉質(zhì)黏土覆蓋層，平均厚度約為55 m；北幫的覆蓋層是由黃色粉土和紅色黏土共同構(gòu)成的，裂隙在豎直方向上的發(fā)育程度較高；除此之外在水的作用下土體顆粒間的黏聚力和內(nèi)摩擦角均會(huì)衰減，在該區(qū)域由于巖土體強(qiáng)度的減弱致使滑塌事故多次發(fā)生。根據(jù)地形圖和鉆孔勘察資料，北幫研究區(qū)域紅黏土邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological section

1.2 采空區(qū)紅黏土邊坡拱效應(yīng)特征數(shù)值模擬

采空區(qū)形成之后，空區(qū)四周的各個(gè)角隅處（即支撐拱的固定支撐端）首先達(dá)到極限剪切破壞狀態(tài)，隨著采空區(qū)數(shù)目的增多，角隅處破壞區(qū)域逐步延伸，頂板中央（即支撐拱的頂端）拉應(yīng)力的分布逐漸顯著，直至最終以拉應(yīng)力形式破壞，此階段拱效應(yīng)存在于采空區(qū)上覆巖土層中；而采場(chǎng)周邊區(qū)域圍巖位移量最大，隨著距離開(kāi)挖邊界漸遠(yuǎn)，其水平位移和垂直位移隨之減小，拱效應(yīng)隨之減弱，同時(shí)采場(chǎng)上覆巖移比下部要多出許多，圍巖移動(dòng)方向均指向采空區(qū)。支撐拱隨著距離采空區(qū)位置變化效應(yīng)表見(jiàn)表2。采空區(qū)剖面垂直位移云圖如圖2。

表2 支撐拱隨著距離采空區(qū)位置變化效應(yīng)表Table 2 Effect table of support arch changing with distance from mined-out area

圖2 剖面垂直位移云圖Fig.2 Profile vertical displacement cloud image

通過(guò)分析表2 和圖2 可知，受采空區(qū)影響，在采空區(qū)上覆巖土層中形成圍巖移動(dòng)位移支撐拱，且不含支撐煤柱的情況下，采空區(qū)頂板中央位置下沉量最大（圖2（a）），含支撐煤柱的采空區(qū)，上覆巖土層下沉量最大的位置在“整個(gè)”采空區(qū)的中央位置（圖2（b））；沿著采空區(qū)側(cè)面的位移下沉量急劇降低，其以外的區(qū)域下沉量變化較小，且距離采空區(qū)越遠(yuǎn)的位置，位移下沉量越??；采空區(qū)上覆巖土層距離地表一半高度位置，圍巖以垂直向下位移為主，與圍巖相接觸的紅黏土層也隨之發(fā)生位移，對(duì)地表邊坡穩(wěn)定性有一定的影響；水平方向變形較大的位置分布在采空區(qū)的角隅處，且影響區(qū)域臺(tái)階具有朝向臨空面發(fā)生圓弧滑動(dòng)的趨勢(shì)。

采空區(qū)的頂板以及角隅處受采空區(qū)的影響，應(yīng)力集中較明顯，且在頂板的上部，應(yīng)力集中經(jīng)巖層傳遞至紅黏土層，最大主應(yīng)力呈現(xiàn)從上至下逐漸增大的變化趨勢(shì)，這種影響通過(guò)圍巖傳遞至地表紅黏土邊坡；通過(guò)對(duì)比分析圖2 發(fā)現(xiàn)，若巖土層中不存在支撐拱結(jié)構(gòu)，則在地表處表現(xiàn)為單個(gè)或多個(gè)并段多個(gè)臺(tái)階坡頂巖體局部崩塌或者一定范圍的地表沉陷，且具有朝向臨空面發(fā)生圓弧滑動(dòng)的趨勢(shì)，這表明支撐拱的存在抑制了由于水平位移和垂直位移所導(dǎo)致的地表沉陷。

根據(jù)以上分析認(rèn)為含空區(qū)紅黏土邊坡的拱效應(yīng)具有如下特征：

1）由于采空區(qū)的存在，一方面加速了紅黏土邊坡的變形演化過(guò)程，另一方面在巖土層中會(huì)形成多個(gè)支撐拱，有利于地表邊坡的穩(wěn)定性。

2）正是支撐拱的存在，即使模型計(jì)算中采空區(qū)頂板豎向發(fā)生一定范圍的位移，但現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并未反映近階段研究區(qū)域采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生塌方現(xiàn)象，若豎向位移進(jìn)一步發(fā)育則最終會(huì)導(dǎo)致拱效應(yīng)失效，采空區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)塌方。

2 基于拱效應(yīng)的邊坡變形演化機(jī)制

2.1 紅黏土邊坡變形破壞機(jī)制

在采空區(qū)作用下紅黏土邊坡的變形失穩(wěn)破壞模式有2 種：一種是邊坡的巖體沿邊坡面滑移;另一種是邊坡的巖體在采空區(qū)的影響范圍內(nèi)沉降。通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及關(guān)于支撐拱效應(yīng)的分析，露天礦紅黏土邊坡巖土體在受采空區(qū)擾動(dòng)效應(yīng)的影響下整體的變形失穩(wěn)破壞過(guò)程宏觀體現(xiàn)在4 個(gè)方面，即：“剪切-張拉-滑移-塌陷”。采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過(guò)程示意圖如圖3。

圖3 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of deformation and instability process of red clay slope under the influence of goaf

1）剪切破壞。采動(dòng)影響下，采空區(qū)周?chē)鷰r體的圍壓不斷下降，坡體的強(qiáng)度隨之降低，受此影響，邊坡巖土體變形的程度逐漸擴(kuò)大，拉裂縫尤其是后緣位置處持續(xù)向下發(fā)育。由于拉裂縫不斷發(fā)育，使得該階段邊坡的穩(wěn)定性由坡體內(nèi)部支撐拱來(lái)維持，隨著拉裂縫繼續(xù)發(fā)育，土體內(nèi)部的支撐拱無(wú)法保證邊坡的穩(wěn)定，拱效應(yīng)失效之后會(huì)有新的支撐拱形成，以維持邊坡的穩(wěn)定性。

2）后緣拉裂。采空區(qū)影響下，紅黏土邊坡后緣拉裂由蠕滑和應(yīng)力分異2 種因素導(dǎo)致，在臨空面附近造成應(yīng)力集中帶，這部分集中的應(yīng)力會(huì)向拱軸方向轉(zhuǎn)移，直至傳遞到拱圈內(nèi)，破壞其原有的穩(wěn)定狀態(tài)，因此較常規(guī)情況下更劇烈。

3）滑移。當(dāng)坡體的滑移面分布在采空區(qū)擾動(dòng)所帶來(lái)的最大影響范圍之外時(shí)，此時(shí)地下開(kāi)采所形成的采空區(qū)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響甚微。該階段降水是影響紅黏土邊坡穩(wěn)定性的主要因素，這時(shí)的邊坡巖體變形破壞規(guī)律同多數(shù)條件下的坡體變形破壞大致相同，滑移破壞是其主要的破壞形式，雨季降水影響下，紅黏土邊坡力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)一定程度的折減弱化，實(shí)際工況下，此階段較常規(guī)情況下時(shí)間相對(duì)較短。

4）塌陷。露采邊坡的變形移動(dòng)主要是由于井工開(kāi)采沉陷引起的[10]，邊坡滑移面內(nèi)巖土體的抗剪和抗拉強(qiáng)度衰減，當(dāng)這種破壞使土體中的支撐拱失效時(shí)，就會(huì)給邊坡的穩(wěn)定性帶來(lái)不可預(yù)知的潛在隱患，甚至發(fā)生滑坡事故，該過(guò)程為塌陷階段。對(duì)于特定的邊坡，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)在受到各種內(nèi)因和外因的共同作用下將進(jìn)行一定程度的折減，邊坡將更早進(jìn)入變形破壞階段。

2.2 采空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形破壞規(guī)律

根據(jù)對(duì)紅黏土邊坡在采空區(qū)作用下變形失穩(wěn)破壞機(jī)制的研究，認(rèn)為從最初穩(wěn)定狀態(tài)到最終失穩(wěn)破壞過(guò)程將分為3 個(gè)階段：起始變形階段、勻變形階段和加速變形階段；受采空區(qū)影響，紅黏土邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)具有“臺(tái)階狀”發(fā)展變化規(guī)律。空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過(guò)程如圖4。

圖4 空區(qū)影響下紅黏土邊坡變形失穩(wěn)過(guò)程Fig.4 Deformation and instability of red clay slope under the influence of goaf

3結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)采空區(qū)影響下紅黏土邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，從力學(xué)特性以及位移變形規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，研究了在采空區(qū)影響下的紅黏土邊坡的失穩(wěn)機(jī)制。在采空區(qū)作用下，露天煤礦紅黏土邊坡土體中的應(yīng)力重新分布，致使其變形破壞模式發(fā)生改變；在采空區(qū)的角隅處（即支撐端）以及空區(qū)軸線位置（拱圈中軸線）出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；采空區(qū)上覆巖土層中形成的多個(gè)支撐拱，正是保證邊坡臨時(shí)穩(wěn)定的前提；探明了采空區(qū)影響條件下紅黏土邊坡變形破壞機(jī)制為滑移-張裂-剪切-塌陷，揭示了邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的“臺(tái)階狀”發(fā)展變化規(guī)律。