龍建輝，朱清華，倪向龍

(1.太原理工大學 地震與地質(zhì)災害防治研究所,山西 太原 030024；2.深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

礦山開采必然會帶來一系列地質(zhì)災害問題，采動滑坡作為其主要災害之一，嚴重影響著人類生產(chǎn)活動，造成建筑工程設施損毀和人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟損失；同時其存在還可能誘發(fā)泥石流、生態(tài)環(huán)境惡化等其他次生地質(zhì)災害，從而造成更大的損失。

采動滑坡的研究受到了國內(nèi)外學者[1-3]的廣泛關(guān)注，在傳統(tǒng)的基于滑坡學、開采沉陷學及巖體力學的理論研究基礎上，又綜合了數(shù)值模擬、物理模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等多種方法進行研究。其研究成果可概述為以下3個方面：①采動誘發(fā)因素研究方面，湯伏全等[4]早期通過開采沉陷理論研究了采空沉陷對滑坡的影響作用；BENKO等[5-7]通過數(shù)值模擬方法分析了采空影響下坡體內(nèi)應力場和位移場的變化對滑坡的促成機理；JONES等[8-9]主要從采動覆巖結(jié)構(gòu)破壞的角度對滑坡的形成條件進行了研究。②采動滑坡破壞形式的研究方面，何萬龍根據(jù)采空區(qū)位置將采動滑坡劃分為推覆式和牽引式2種形式；湯伏全[10]進一步考慮了坡面與層面的組合關(guān)系對這2種破壞形式進行了細化；ZHAO等[11]通過地下開采變形建立了地表移動變形理論模型；FATHI等[12]采用不連續(xù)數(shù)值模擬方法模擬煤礦滑坡得出采動應力將導致坡腳附近軟弱地層的剪切破壞和壓縮破壞。③采動邊坡穩(wěn)定性評價的研究主要是在一般邊坡穩(wěn)定性評價方法的基礎上，從不同角度考慮采動因素的影響，例如，湯伏全等[13]對不同破壞模式(推覆式和牽引式)的采動滑坡進行了不同的分塊處理，將采動塊段作為主動滑體并將其強度參數(shù)進行折減；康建榮等[14]引入了“采動強度”這一半定量的概念，通過該參數(shù)建立了采動附加應力的計算公式，并將其加入一般邊坡的受力體系中；DOMINGUEZ等[15-16]將模糊數(shù)學分析方法應用到采動滑坡穩(wěn)定性評價中，其評價結(jié)果具有較高的準確性和實用性。

由此可見，目前國內(nèi)外對于采動滑坡誘發(fā)機理的研究已較為深入，獲得的成果也頗為豐富。但在總結(jié)前人資料的基礎上并經(jīng)過大量的野外調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在山西煤礦區(qū)有一類滑坡雖與采礦活動相關(guān)，但從發(fā)育位置、變形特征、形成機理等方面均有異于傳統(tǒng)意義上的采動滑坡。該類型的滑坡通常發(fā)育在“三下”采煤規(guī)程界定的采空影響區(qū)以外的較為穩(wěn)定的斜坡地帶，即采空沉陷位于邊坡潛在滑動區(qū)以外的區(qū)域，筆者對其賦予了新的定義，稱其為“采空觸發(fā)滑坡”?，F(xiàn)場調(diào)查分析表明，此類滑坡的發(fā)生與采空區(qū)軟巖蠕變關(guān)系密切，但因其具有前期變形隱蔽和發(fā)育位置特殊等特征，使得其災變時具有不可預知性。

為進一步加深對采空觸發(fā)滑坡發(fā)生機制的認識，選取典型案例—山西坡頭滑坡進行分析，總結(jié)該類型滑坡特征及其變形發(fā)展規(guī)律，對其形成過程和成因機理進行初步的探討，提出采空觸發(fā)滑坡今后研究將面臨的科學問題，為開展下一步研究提供指導。

1 地質(zhì)原型

1.1 滑坡概況

坡頭滑坡位于山西省陽泉市區(qū)西7 km處坡頭村，2008年3月至5月，坡頭村居民住宅在短短的3個月內(nèi)，發(fā)生大面積民房和坡頭寄宿制小學房屋開裂及院內(nèi)的隆起，到5月底損壞程度已相對嚴重。由于該滑坡的誘發(fā)因素為煤田開采，與一般的滑坡勘察相比，滑坡邊界的確定首先應該區(qū)分采礦引起的地表變形與滑坡變形，因此對于坡頭滑坡的邊界主要通過工程地質(zhì)測繪與采空區(qū)地表移動變形計算進行確定。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪進行野外實地調(diào)查對采空移動裂縫與滑坡變形裂縫進行區(qū)別，其中采空移動裂縫一般為拉張裂縫，發(fā)育位置為采空區(qū)的移動角以內(nèi)，而滑坡裂縫根據(jù)其受力狀態(tài)與發(fā)育位置不同有張拉裂縫、剪切裂縫與鼓脹裂縫，同時滑坡后壁上還有擦痕存在。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)在采空區(qū)上方與滑坡體上有多條裂縫，具體如圖1、圖2所示。

利用開采沉陷理論，運用概率積分法進行開采沉陷計算，分析開采對地表及建筑物損壞情況，經(jīng)計算后該采區(qū)的移動角為72°，而對于礦區(qū)開采的影響邊界一般利用10 mm下沉等值線作為其采煤沉陷的影響范圍，依據(jù)上述計算內(nèi)容圈定礦區(qū)的移動范圍與影響范圍，其界限如圖3所示。

通過上述方法對坡頭滑坡重新圈定，具體范圍如圖1所示，該滑坡呈北東南西向分布，平均坡度為15°，滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀，滑坡體長約180 m，寬306 m，最大厚度約14 m，滑體體積約77.1×104m3，為一中型滑坡?；禄w主要由粉土及粉質(zhì)黏土構(gòu)成，粉土和粉質(zhì)黏土主要為第四系坡積物，滑床為二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖和泥巖，滑帶主要為黃土與強風化砂巖及砂泥質(zhì)坡積物混合物組成。

圖1 滑坡平面形態(tài)特征

1.2 坡頭滑坡變形及成因分析

由圖1可知，滑坡體所在斜坡中上部的正下方有3個采空區(qū)，單個采空區(qū)長350 m，寬50 m，采空區(qū)煤層厚度9.6 m左右，距地表約350 m。坡腳處村莊主要地表變形破壞區(qū)距離沉降線較遠，且坡頭滑坡的后緣在10 mm等值線以外，即已經(jīng)超出了采煤沉陷影響范圍(圖3)。因此，從坡頭滑坡相對于采空區(qū)的發(fā)育位置來看，坡頭滑坡與以往所見的地下采動引發(fā)的采動滑坡有所不同，單純的采空沉陷位移并不是引起該滑坡產(chǎn)生的原因，應對其加以區(qū)分。

A—裂縫角(采空區(qū)上方最外側(cè)的裂縫位置)；B—移動角(以其“三下”采煤規(guī)程的臨界變形量為邊界)；C—走向邊界角(以其下沉量10 mm的臨界位置作為邊界)；D—蠕變區(qū)外界(本項目研究范圍)

張吉寧等[17]利用FLAC3D對坡頭滑坡的形成過程進行了模擬，模擬分為4個階段，前3個階段為煤層開挖，第4階段為采煤結(jié)束后的蠕變階段，蠕變持續(xù)時長為35個月。通過對采動影響區(qū)外緣第四系黃土覆蓋層的應力應變關(guān)系、位移變形特征進行分析可知：前3個階段的煤層開挖僅使坡體在水平和豎直方向上產(chǎn)生較小的移動變形，對應位置為采空區(qū)的正上方；而坡腳處的大變形均來自蠕變階段，且在蠕變的前3個月位移變形并不明顯，變形是在坡體內(nèi)部的軟巖經(jīng)歷一定時期的蠕變后并積聚了一定的能量才開始逐漸顯現(xiàn)出來。即坡頭滑坡是在采空區(qū)形成以后，并經(jīng)歷較長時間的蠕變后才發(fā)生的。

可知坡頭滑坡受采空區(qū)上覆巖層移動變形控制，采動引起上覆巖層的蠕動對表層黃土的擠壓變形具有放大作用，最終導致坡體失穩(wěn)破壞。因此，坡頭滑坡的成因可總結(jié)分析如下：地下開采引起覆巖應力場變化，待采煤沉陷結(jié)束以后由于應力重新分布導致的巖體變形并未停止，在沉陷邊界線以外由于巖體應力松弛引起的坡體內(nèi)部軟巖蠕變作用仍在繼續(xù)；因軟弱巖層的抗拉強度及抗壓強度較周圍巖體均較小，軟弱層率先產(chǎn)生變形破壞，隨著蠕變作用持續(xù)進行，其變形也持續(xù)向上傳遞，直至地表。表層黃土在蠕變作用控制下，受地表裂縫和水的滲透作用影響，最終失穩(wěn)破壞。

2 采空觸發(fā)滑坡概念的提出

通過以上分析可知，坡頭滑坡與傳統(tǒng)意義上的采動滑坡相比，不論從成因或者發(fā)育位置、時間等方面都有本質(zhì)區(qū)別，故不能簡單的將其認為是傳統(tǒng)的采動滑坡。研究后發(fā)現(xiàn)這種滑坡通常發(fā)育在“三下”采煤規(guī)程界定的采空影響區(qū)以外的較為穩(wěn)定的斜坡地帶，雖由地下采空引起，但距離采空區(qū)較遠、且發(fā)生位置位于采動破裂角以外、變形時間一般在采空沉陷穩(wěn)定以后才逐漸顯現(xiàn)，持續(xù)變形時間長達數(shù)年甚至數(shù)十年。因此，為區(qū)別于傳統(tǒng)意義的采動滑坡，筆者對其賦予了新的定義，稱其為“采空觸發(fā)滑坡”。

結(jié)合坡頭滑坡實例及前人研究成果，將采空觸發(fā)滑坡與傳統(tǒng)的采動滑坡進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者之間的4個不同點：

1)采空區(qū)與坡體相對位置關(guān)系不同：采動滑坡一般發(fā)育在采空沉陷影響范圍內(nèi)，且根據(jù)采空區(qū)與坡體相對位置關(guān)系的不同一般可分為2種破壞形式：前緣采空導致的牽引式和后緣采空導致的推覆式[1](圖4a)；而采空觸發(fā)滑坡則一般發(fā)育在采空沉陷影響區(qū)以外的一定范圍內(nèi)，該區(qū)域可稱為“蠕變接觸帶”(圖4b)。

圖4 采空區(qū)與坡體相對位置關(guān)系示意

2)坡體變形及形成的階段不同：采動滑坡會受到地下開采過程的影響，一般發(fā)生在采空區(qū)開始形成到采空沉陷結(jié)束這個階段，持續(xù)時間較短；而采空觸發(fā)滑坡的變形則一般在采空沉陷結(jié)束后才開始顯現(xiàn)，且變形往往持續(xù)時間較長。

3)采空區(qū)對坡體的影響效應不同：對于采動滑坡，開采沉陷引起的覆巖變形破壞是滑坡形成最直接的影響作用[10]，在該影響作用下，坡體內(nèi)部巖層物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，抗剪強度降低，同時開采沉陷形成的坡面裂縫為降雨入滲提供了良好的渠道，使軟弱層強度進一步降低，最終促成了采動滑坡；而對于采空觸發(fā)滑坡，開采沉陷并非最直接的影響因素，滑坡的形成是坡體內(nèi)部軟巖蠕變破壞的結(jié)果，而這種蠕動變形則是由采空導致的坡體內(nèi)部應力重分布引起。

4)變形破壞特征不同：一般來說，采動滑坡由于受到開采沉陷的影響，因此在不同階段變形特征較為明顯；而采空觸發(fā)滑坡是一個能量逐漸累積的過程，因此在前期蠕動變形階段斜坡變形特征不明顯，大變形主要發(fā)生在后期。

3 采空觸發(fā)滑坡形成機理初步分析

考慮到采動巖層移動的滯后性和長期蠕變效應等因素，采空觸發(fā)滑坡的形成與采空區(qū)形成以后坡體應力變化有關(guān)，主要受控于坡體內(nèi)部軟弱巖體長期蠕變作用。結(jié)合文獻[17]中的數(shù)值模擬結(jié)果，可將采空觸發(fā)滑坡的形成過程分為以下4個階段(圖5)：應力調(diào)整階段(AB)、蠕動變形階段(BC)、變形加速階段(CD)、斜坡失穩(wěn)階段(D點以后)。

圖5 蠕變曲線階段示意

3.1 應力調(diào)整階段

煤層開采以后，采空區(qū)上部巖體受應力重分布作用，在采空區(qū)內(nèi)釋放壓力，頂板產(chǎn)生彎曲拉裂，地表形成沉陷帶[18](圖6)，該過程并未對沉陷區(qū)外緣斜坡體造成影響，對應于蠕變曲線中的彈性應變階段，即圖5中OA段，該階段坡體外緣土體產(chǎn)生的應變值很小，多發(fā)生傳統(tǒng)的采動滑坡。但當采空沉陷結(jié)束以后，受地下采空影響，邊坡內(nèi)部巖體會首先產(chǎn)生應力松弛現(xiàn)象，導致巖體向不穩(wěn)定方向發(fā)展，當發(fā)展到軟弱夾層時，軟弱夾層引起應力重新分布，當應力接近長期強度時，坡體內(nèi)部軟弱巖石會發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象(圖6a)，此時對應于蠕變曲線中的初始蠕變階段，即圖5中AB段。

3.2 蠕動變形階段

坡體內(nèi)部的軟巖在長期蠕變作用下，蠕變范圍逐漸擴大，使得其變形逐漸向坡體外部發(fā)展。在斜坡體后緣產(chǎn)生一系列拉張裂隙，同時導致斜坡體上部松散破碎的巖體產(chǎn)生朝鄰空方向的緩慢變形，松散巖體及坡積物的側(cè)向變形能推動第四系黃土沉積物開始蠕滑變形(圖6b)，對應于蠕變曲線中的穩(wěn)定蠕變階段，即圖5中BC段，該階段土體產(chǎn)生一定的永久變形。

3.3 變形加速階段

后緣拉張裂隙的產(chǎn)生一方面降低了巖土體的強度，另一方面為降雨及地表水入滲提供了便利的通道。隨著時間的變化，其應力不斷調(diào)整，導致裂隙寬度和深度也會發(fā)生變化，并不斷向深部及前緣擴展[19]。在后緣裂隙擴張階段，坡體軟巖的蠕變作用并沒有消失，反而因后緣裂隙的擴張產(chǎn)生加速作用，坡體持續(xù)蠕滑，變形加大(圖6c)，對應于蠕變曲線中的加速蠕變階段，即圖5中CD段，該階段土體的蠕變速率持續(xù)增加。

3.4 斜坡失穩(wěn)階段

隨著蠕滑變形的加劇，坡體應力不斷調(diào)整，變形逐漸向前緣積累，坡體前緣開始顯現(xiàn)出由后向前的鼓脹、隆起等現(xiàn)象；同時在外力及降雨入滲作用下，后緣裂隙逐漸加深加寬，最終拉張裂縫與蠕變區(qū)貫通滑帶形成，坡體發(fā)生整體滑動(圖6d)。對應于蠕變曲線中的破壞階段，即D點以后。

圖6 采空觸發(fā)滑坡形成過程

綜上所述，其斜坡失穩(wěn)模式可歸結(jié)為：采空沉陷結(jié)束—坡體內(nèi)部巖體應力松弛—軟巖蠕變—蠕變作用向坡頂發(fā)展—坡體擠壓變形、破壞。

4 討 論

關(guān)于采空觸發(fā)滑坡形成機理、變形特征等方面的研究在理論上已有初步的認識，也取得了一定的研究成果。但因其從成因機理等方面區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的采動滑坡，有時因其發(fā)育位置的特殊性也被誤認為是一般的滑坡，因此，對采空觸發(fā)滑坡的研究也往往被忽視。筆者通過將采空觸發(fā)滑坡與采動滑坡進行對比，總結(jié)出其滑坡發(fā)育特征，并得出一些規(guī)律性的認識，但隨著深入的研究，仍有以下科學問題需要解決[20]。

1)關(guān)于采空觸發(fā)滑坡形成的條件，坡體內(nèi)部軟巖蠕變是導致其發(fā)生的關(guān)鍵，但同時巖層的產(chǎn)狀也與滑坡的發(fā)生有關(guān)，具體如何影響仍需研究確定。

2)由于采空觸發(fā)滑坡的形成機理及失穩(wěn)判據(jù)尚不明確，且采空蠕變影響范圍有待進一步確定，因此對于采空區(qū)影響范圍外的滑坡類型也無法做到準確的界定。

3)采空觸發(fā)滑坡的地質(zhì)力學模式和破壞機制研究較少，評價模型尚未建立，且采空區(qū)形成以后覆巖產(chǎn)生蠕變的時間及蠕變程度目前沒有明確界定，導致對其進行預測預報較為困難，也無法確定防治該類滑坡的最佳時期。

5 結(jié) 論

在對山西煤礦區(qū)滑坡進行野外調(diào)查的基礎上，總結(jié)前人研究成果，提出了一個新的概念——“采空觸發(fā)滑坡”，以區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的采動滑坡。通過對發(fā)生在山西煤礦區(qū)的典型案例進行分析，對該類滑坡的變形特征進行總結(jié)，并對其形成過程和成因機理進行了初步探討，得出以下認識：

1)生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)并定義了一種新的因采動誘發(fā)滑坡的破壞形式，其力學模式清晰，變形特征明顯，致災機理復雜。

2)采空觸發(fā)滑坡的變形機理與傳統(tǒng)意義上的采動滑坡不同，它是由于地下采空沉陷導致覆巖移動角外緣邊坡應力場發(fā)生改變，進而誘發(fā)邊坡內(nèi)部軟巖發(fā)生蠕動變形破壞所發(fā)生的一種滑坡。

3)以山西坡頭滑坡為例，分析其形成過程，認為該類斜坡失穩(wěn)模式為：采空沉陷結(jié)束—坡體內(nèi)部巖體應力松弛—軟巖蠕變—蠕變作用向坡頂發(fā)展—坡體擠壓變形、破壞。

4)采空觸發(fā)滑坡前期變形具有隱蔽性，且其發(fā)育在采空影響區(qū)以外的特殊位置，通常很難被人們發(fā)現(xiàn)，因此在以后的研究中應多關(guān)注此類型的滑坡，與普通的采動滑坡加以區(qū)別。