唐建新，候陽陽，王育林，王艷磊，代張音，孔令銳，張擇靖

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；3.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，重慶 401121；4.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

順層巖質(zhì)斜坡在我國廣泛分布，是我國丘陵山區(qū)常見的一種地形地貌，在地下進(jìn)行開采時(shí)其穩(wěn)定性極易受到影響，從而衍生為山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[1-4]。因此采動(dòng)順層巖質(zhì)斜坡變形破壞研究對(duì)于礦山生產(chǎn)、地質(zhì)災(zāi)害防治、環(huán)境治理等有著十分重要的意義。

我國礦產(chǎn)資源豐富，同時(shí)由地下采礦誘發(fā)的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，因此國內(nèi)十分重視采動(dòng)造成滑坡地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。2000 年，胡海峰[5]在分析大量采動(dòng)滑坡資料的基礎(chǔ)上，提出利用有限元數(shù)值分析方法研究采動(dòng)對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響；2002 年鄧榮貴等[6]依據(jù)重慶順層巖質(zhì)邊坡案例建立了順層邊坡巖體失穩(wěn)破壞長度計(jì)算公式，探討其失穩(wěn)的臨界長度；2004 年石必明、俞啟香等[7]基于巖石破裂損傷理論，結(jié)合RFPA 有限元數(shù)值模擬，動(dòng)態(tài)模擬地下煤層的開挖過程，得到上覆巖體破裂的移動(dòng)規(guī)律及應(yīng)力和變形分布特征；2004 年白云峰等[8-10]通過實(shí)地調(diào)查，對(duì)順層滑坡的發(fā)育環(huán)境及分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出滑坡產(chǎn)生的基本條件是巖層中軟弱結(jié)構(gòu)層與相鄰巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，并研究了降雨、坡體高度、臨空面等因素對(duì)滑坡的影響；2010 年郭春穎等[11]利用UDEC 軟件，建立急傾斜特厚煤層的數(shù)值模型，研究了其開采圍巖破壞規(guī)律和地表變形規(guī)律，得出地表呈深槽型地表塌陷坑；2012 年劉棟林等[12]采用UDEC 首次模擬分析了工作面上坡、下坡推進(jìn)時(shí)斜坡產(chǎn)生裂縫的差異，提出上坡開采形成牽引型正裂縫；桂慶軍等[13-14]在2014、2015 年2 年間利用UDEC數(shù)值模擬了貴州山區(qū)某煤礦開采影響下，覆巖移動(dòng)變化規(guī)律、裂隙發(fā)育情況；2017 年Li 等[15]采用UDEC建立陡坡巖體邊坡模型，提出了采礦活動(dòng)和降雨作用下邊坡的變形特征和破壞機(jī)理。以上研究少見考慮地下煤層重復(fù)開采情況下對(duì)上覆順層巖質(zhì)斜坡的影響，并且沒有針對(duì)我國西部丘陵山區(qū)順層巖質(zhì)斜坡地質(zhì)的研究。

為此，以川煤集團(tuán)下屬某礦為研究區(qū)，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與數(shù)據(jù)搜集，掌握該礦區(qū)基本地質(zhì)條件和采動(dòng)順層巖質(zhì)滑坡情況，采用UDEC 數(shù)值模擬分析方法，研究重復(fù)開采對(duì)順層巖質(zhì)斜坡的影響，從而豐富采動(dòng)順層滑坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)防的研究手段。

1 研究對(duì)象概況

順層巖質(zhì)斜坡是指傾斜方向與層狀基巖的傾向接近或大體一致的巖質(zhì)斜坡[16]。且?guī)r體中軟弱結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)層較為發(fā)育[17-18]，根據(jù)已有研究成果可知[19-22]，逆坡開采后坡體沿滑動(dòng)面產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)性最大，因此，重點(diǎn)研究四川省某煤礦重復(fù)開采時(shí)所誘發(fā)的順層滑坡。

1）地質(zhì)條件。煤礦處于達(dá)州市境內(nèi)，礦區(qū)走向長10 km，傾向長度2.65 km，面積26.7 km2。本井田主要可采的外連煤層和內(nèi)連煤層的平均厚度分別是1.45 m 和1.56 m，平均傾角25°，2 個(gè)煤層的間距為0.12～10.32 m，平均8.12 m。 研究區(qū)為一走向由北向東的長條形山區(qū)，山脊一般高程為730 m，山頂較平坦，地貌與構(gòu)造吻合，背斜軸部一帶為山脊，兩翼為與地層傾向相同的斜坡地，坡度東緩西陡。屬二級(jí)中度切割的崗嶺狀低山類型。地表山體多為巖質(zhì)坡體，表土層薄，陡坡普遍分布。

2）開采沉陷情況。該礦區(qū)地表處于低山起伏頻繁的山區(qū)，在多工作面頻繁交替開采和多煤層重復(fù)采動(dòng)影響下，地面沉陷加劇，導(dǎo)致地面塌陷、地裂縫、建筑物變形、崩塌和滑坡等破壞現(xiàn)象，地表變形破壞圖如圖1。

圖1 地表變形破壞圖Fig.1 Surface deformation and failure map

2 數(shù)值模型

通用離散元程序UDEC6.0[23-24]是由Itasca 公司推出的離散元軟件之一，是一款基于離散單元法處理不連續(xù)介質(zhì)的程序。該方法基于“拉格朗日”算法，用于模擬二維條件下非連續(xù)介質(zhì)（巖體節(jié)理裂隙等）承受靜載或動(dòng)載作用下的力學(xué)行為[25]。

根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)條件，建立的數(shù)值模型如圖2。為更好地分析研究重復(fù)采動(dòng)影響下斜坡的裂隙發(fā)育等變形破壞規(guī)律，選擇voronoi 隨機(jī)節(jié)理生成器對(duì)坡體部分進(jìn)行節(jié)理劃分，同時(shí)，為提升計(jì)算效率，坡體外的部分均采用傳統(tǒng)的jset 節(jié)理組生成器生成巖體節(jié)理。模型總塊體數(shù)為7 026 個(gè)，總單元數(shù)為22 260 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為33 098 個(gè)。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

模型水平長700 m，左側(cè)邊界高625 m，右側(cè)邊界高245 m。斜坡體厚度48 m，軟弱結(jié)構(gòu)面斜長400 m，巖層傾角為25°，外連煤層距軟弱結(jié)構(gòu)層法向距離為183.2 m，2 個(gè)煤層間距8 m。模型邊界條件為：左右兩側(cè)固定水平位移，底部固定水平和垂直位移，，模型頂部為自由邊界。由于斜坡部分不便于施加初始地應(yīng)力，采取初始平衡自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力，對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行簡化處理。

數(shù)值模型測(cè)線布置如圖3。坡體內(nèi)部布置了4條位移觀測(cè)線，依次相距10.5 m。布置2 條應(yīng)力觀測(cè)線，每條間隔19.5 m。在軟弱結(jié)構(gòu)層內(nèi)布置1 條觀測(cè)線。

圖3 數(shù)值模型測(cè)線布置Fig.3 Lines layout of numerical model

巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1，在數(shù)值建模中，煤巖體破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫倫模型，節(jié)理材料模型采用節(jié)理面接觸庫倫滑移節(jié)理模型，模型巖層節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

在進(jìn)行開挖時(shí)，先采外連煤層，后采內(nèi)連煤層；同一煤層進(jìn)行上行開采，開采至左邊界100 m 處。為準(zhǔn)確模擬重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表斜坡造成的影響，確定每開挖15 m 進(jìn)行1 次循環(huán)計(jì)算，每次開挖計(jì)算至覆巖充分下沉后再進(jìn)行下一步的開挖計(jì)算。

3 模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬移動(dòng)規(guī)律

3.1.1 豎直y 方向下沉移動(dòng)規(guī)律

開采完成后，單層開采y 方向位移云圖及各位移測(cè)線下沉量如圖4，重復(fù)開采y 方向位移云圖及各位移測(cè)線下沉量如圖5。

圖4 單層開采y 方向位移云圖及各位移測(cè)線下沉量Fig.4 Y-direction displacement nephogram of single layer mining and subsidence of each line

圖5 重復(fù)開采y 方向位移云圖及各位移測(cè)線下沉量Fig.5 Y-direction displacement nephogram of repeated mining and subsidence of each moving survey line

由圖4 可知，對(duì)于單層開采，4 條坡體觀測(cè)線下沉量變化趨勢(shì)和軟弱結(jié)構(gòu)層下沉趨勢(shì)基本一致，各測(cè)線x 坐標(biāo)在160 m 至360 m 范圍內(nèi)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，偶有位移突變現(xiàn)象，表明260 m 至310 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，在突變點(diǎn)附近產(chǎn)生了裂縫，對(duì)于同一橫坐標(biāo)位置的測(cè)線，其下沉量隨測(cè)線埋深減少依次遞減，表明巖層在受采動(dòng)影響后的變形為非連續(xù)性變形，在由下而上的變形傳遞過程中，隨埋深的減小而不斷折減的趨勢(shì)。同時(shí)，隨著測(cè)線埋深的減少，下沉曲線的拐點(diǎn)也依次往右平移。各測(cè)線的最大下沉量均未超過軟弱結(jié)構(gòu)層最大下沉量，但從y 方向位移云圖中可以明顯看出，受采動(dòng)影響，斜坡坡腳附近出現(xiàn)小范圍滑移現(xiàn)象，下沉值略大于采高，斜坡穩(wěn)定性降低。

由圖5 可知，對(duì)于重復(fù)開采，觀測(cè)線的變化趨勢(shì)仍與軟弱結(jié)構(gòu)層保持一致，同樣為不連續(xù)性波動(dòng)下降，但與單層開采不同的是，4 條測(cè)線的下沉量更加接近，曲線拐點(diǎn)基本重合，形態(tài)更加相似，隨著測(cè)線埋深減少，相同位置下沉量逐漸衰減，但衰減量較單層開采后更小。此外，各位移測(cè)線x 坐標(biāo)在280 m 之后的下沉量均超過同一位置的軟弱結(jié)構(gòu)層下沉量，其中測(cè)線4 的最大下沉量為2.97 m，接近開采厚度，是單層開采時(shí)最大下沉量的2.5 倍，表明重復(fù)開采后，斜坡x 坐標(biāo)在280 m 至360 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)斷裂和滑移現(xiàn)象，其穩(wěn)定性繼續(xù)降低。

3.1.2 水平x 方向移動(dòng)規(guī)律

單層開采和重復(fù)開采完成后，x 軸方向坡體測(cè)線位移量如圖6。

對(duì)于單層開采，圖6（a）中各測(cè)線水平位移x 坐標(biāo)在0～160 m 范圍內(nèi)移動(dòng)變形十分緩慢，斜坡受開挖影響較??；從160 m 開始，各測(cè)線的水平位移開始明顯增加且呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；在斜坡位置210 m附近，水平位移產(chǎn)生了突變，說明在這個(gè)位置產(chǎn)生了裂縫；x 坐標(biāo)在200～360 m 范圍內(nèi)各測(cè)線的水平位移差距較x 坐標(biāo)在0～200 m 范圍內(nèi)更明顯，變化幅度更大，突變點(diǎn)明顯增多，表明該范圍內(nèi)的坡體受開挖影響較大，產(chǎn)生多處斜坡裂縫。對(duì)于同一橫坐標(biāo)位置的測(cè)線，其水平位移隨測(cè)線深度減少依次變大，坡表的水平位移較坡體內(nèi)部更明顯，與y 方向下沉量變化規(guī)律完全相反。

圖6 x 方向各位移測(cè)線水平位移量Fig.6 Horizontal displacement of each line in x direction

對(duì)于重復(fù)開采，圖6（b）中4 條坡體測(cè)線的水平位移量都是先增后減，水平位移曲線在坡體中部220 m 附近均產(chǎn)生明顯突變；從240 m 左右后開始波動(dòng)下降，原因在于重復(fù)采動(dòng)加劇了坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)層的下沉回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致下沉量增加，水平位移減少，但整體水平位移量較單層開采仍呈增加趨勢(shì)。通過對(duì)測(cè)線1 觀察，發(fā)現(xiàn)在該突變點(diǎn)處，單層開采的水平位移為0.21 m，而重復(fù)開采后的水平位移達(dá)到0.85 m，約為單層開采的4 倍，由此看出重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致斜坡在水平方向的移動(dòng)變形顯著增大。

3.2 數(shù)值模擬應(yīng)力分析

煤層采動(dòng)前，地表斜坡處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)煤層開采后，上覆巖層受采空區(qū)影響應(yīng)力場(chǎng)不斷調(diào)整，直至達(dá)到新的平衡，在平衡的不斷調(diào)整過程中會(huì)產(chǎn)生巖體的破壞、變形、離層等現(xiàn)象，對(duì)于地表斜坡而言可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡，以此來達(dá)到新的平衡。斜坡各監(jiān)測(cè)線應(yīng)力變化如圖7，圖中：WLF 為外連煤層開采過程中產(chǎn)生的裂縫；NLF 為內(nèi)連煤層開采過程中產(chǎn)生的裂縫。

圖7 斜坡各監(jiān)測(cè)線應(yīng)力變化Fig.7 Stress variation of slope monitoring lines

單層開采結(jié)束后，斜坡各監(jiān)測(cè)線及軟弱結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力變化情況如圖7（a）。對(duì)比不同埋深測(cè)線可以看出，對(duì)于同一鉛錘位置測(cè)點(diǎn)，當(dāng)埋深的增加時(shí)，應(yīng)力也相應(yīng)地增加了。斜坡x 坐標(biāo)在0～160 m 范圍內(nèi)受采動(dòng)影響較小，應(yīng)力呈小幅度波動(dòng)變化；在160～360 m 范圍內(nèi)，煤層采空后造成上覆巖層的下沉移動(dòng)，巖體會(huì)向采空區(qū)方向發(fā)生卸荷變形，導(dǎo)致壓應(yīng)力增大；由于在270～360 m 范圍內(nèi)為斜坡坡面，斜坡的高度不斷減小，因此壓應(yīng)力也相應(yīng)減小，坡腳附近的壓應(yīng)力趨于0。在裂縫產(chǎn)生附近，應(yīng)力往往出現(xiàn)大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，以裂縫WLF-5 為例，在該裂縫左側(cè)的巖體受采空區(qū)影響產(chǎn)生回轉(zhuǎn)下沉，軟弱結(jié)構(gòu)層附近的測(cè)點(diǎn)壓力劇增，從0.5 MPa 增長為3.15 MPa，而在該裂縫右側(cè)的巖體與左側(cè)巖體產(chǎn)生分離，因此附近測(cè)點(diǎn)的壓力驟減為0.88 MPa。單層采動(dòng)共產(chǎn)生5 條明顯裂縫，圖7 中的應(yīng)力變化趨勢(shì)與裂縫的發(fā)育情況基本對(duì)應(yīng)。

重復(fù)開采結(jié)束后，斜坡各監(jiān)測(cè)線的應(yīng)力變化情況如圖7（b）。由于重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致斜坡發(fā)育新的裂縫和裂縫群，因此各測(cè)線的應(yīng)力曲線波動(dòng)范圍較單層開采時(shí)增加，應(yīng)力波動(dòng)點(diǎn)增多。通過對(duì)比各測(cè)線在單層開采和重復(fù)開采情況下的應(yīng)力曲線可知，雖然部分裂縫的閉合會(huì)導(dǎo)致重復(fù)采動(dòng)下的個(gè)別測(cè)點(diǎn)應(yīng)力低于單層采動(dòng)的情況，但整體對(duì)比曲線發(fā)現(xiàn)重復(fù)采動(dòng)會(huì)引起坡體垂直應(yīng)力增加，最大應(yīng)力也呈增長趨勢(shì)，以軟弱結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力變化為例，最大應(yīng)力由3.15 MPa 增長為3.47 MPa，重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)層更容易發(fā)生破壞，坡體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

軟弱結(jié)構(gòu)層測(cè)線應(yīng)力如圖8。

圖8 軟弱結(jié)構(gòu)層測(cè)線應(yīng)力Fig.8 Survey line stress of weak structural layer

3.3 采動(dòng)斜坡裂縫發(fā)育規(guī)律

單層開采推進(jìn)時(shí)不同階段坡體裂縫發(fā)育圖如圖9，重復(fù)開采推進(jìn)時(shí)不同階段坡體裂縫發(fā)育圖圖10。

圖9 單層開采推進(jìn)時(shí)不同階段坡體裂縫發(fā)育圖Fig.9 Development map of slope cracks in different stages of single layer mining

圖10 重復(fù)開采推進(jìn)時(shí)不同階段坡體裂縫發(fā)育圖Fig.10 Fracture development map of slope at different stages during repeated mining

3.3.1 單層開采斜坡裂縫發(fā)育過程

根據(jù)對(duì)圖9 數(shù)值模擬各階段裂縫發(fā)育情況的分析，發(fā)現(xiàn)逆坡單層開采時(shí)斜坡裂縫隨工作面推進(jìn)的發(fā)育過程主要有以下特點(diǎn)：

1）坡面中下部產(chǎn)生較多臨時(shí)性斜坡裂縫，裂縫具有動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，其發(fā)育過程為“產(chǎn)生-擴(kuò)展-縮小閉合”。

2）坡面中上部及坡體部分產(chǎn)生永久性損傷裂縫，受開采擾動(dòng)的影響，斜坡裂縫的寬度不斷增大并沿縱深方向擴(kuò)展至軟弱結(jié)構(gòu)層，當(dāng)開采沉陷穩(wěn)定后，裂縫發(fā)育也趨于穩(wěn)定，整體發(fā)育過程為“產(chǎn)生-擴(kuò)展延伸-穩(wěn)定”。

3）斜坡裂縫主要發(fā)育為縱深裂縫，層間裂縫在開采過程中先產(chǎn)生后又閉合且發(fā)育規(guī)模較小。

4）軟弱結(jié)構(gòu)層下沉曲線的位移突變點(diǎn)會(huì)隨著推進(jìn)距離的增加往左邊界方向移動(dòng)，突變點(diǎn)附近通常伴隨斜坡裂縫的產(chǎn)生擴(kuò)展。

3.3.2 重復(fù)采動(dòng)斜坡裂縫發(fā)育過程

近距離煤層重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致上覆順層巖質(zhì)斜坡發(fā)育出新的裂縫，同時(shí)，在單層采動(dòng)中先產(chǎn)生后又閉合的臨時(shí)性斜坡裂縫也會(huì)在重復(fù)采動(dòng)影響下發(fā)生活化。根據(jù)對(duì)圖10 數(shù)值模擬各階段裂縫發(fā)育情況的分析，發(fā)現(xiàn)重復(fù)采動(dòng)時(shí)斜坡裂縫隨工作面推進(jìn)的發(fā)育過程主要有以下特點(diǎn)：

1）相比于單層采動(dòng)，重復(fù)采動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更多的層間裂縫，同時(shí)會(huì)發(fā)育新裂縫及細(xì)小開口的裂縫群，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

2）重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致單層采動(dòng)時(shí)已產(chǎn)生的斜坡裂縫發(fā)育過程改變，部分臨時(shí)性裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯粤芽p，由單層采動(dòng)時(shí)的“變形積累-產(chǎn)生-擴(kuò)展-閉合”動(dòng)態(tài)發(fā)育過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹貜?fù)采動(dòng)時(shí)的“變形積累-發(fā)育擴(kuò)展-發(fā)育穩(wěn)定”動(dòng)態(tài)發(fā)育過程。

3）在重復(fù)采動(dòng)影響下，斜坡裂縫的發(fā)育寬度和深度呈非線性增加趨勢(shì)，發(fā)育寬度和深度并非同步增長，在重復(fù)采動(dòng)中期深度增長較明顯，而采動(dòng)后期寬度增長更為明顯。

4 結(jié) 論

1）采動(dòng)影響的下沉量隨埋深減少依次遞減，巖層在受采動(dòng)影響后的變形為非連續(xù)性變形。與單層開采相比，重復(fù)開采引起的各結(jié)構(gòu)面下沉量更加接近，曲線拐點(diǎn)基本重合，形態(tài)更加相似，隨著測(cè)線埋深減少，同一位置上的下沉量逐步減少，但衰減量較單層開采后更小。對(duì)于重復(fù)開采，坡體測(cè)線的水平位移量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，重復(fù)采動(dòng)加劇了坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)層的下沉回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致下沉量增加，水平位移減少，但整體水平位移量較單層開采仍呈增加趨勢(shì)，重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致斜坡在水平方向的移動(dòng)變形顯著增大。

2）重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致斜坡發(fā)育新的裂縫和裂縫群，因此各測(cè)線的應(yīng)力曲線波動(dòng)范圍較單層開采時(shí)增加。整體對(duì)比曲線發(fā)現(xiàn)重復(fù)采動(dòng)會(huì)引起坡體垂直應(yīng)力增加，最大應(yīng)力也呈增長趨勢(shì)重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)層更容易發(fā)生破壞。

3）重復(fù)采動(dòng)與單層采動(dòng)相比會(huì)產(chǎn)生更多的層間裂縫，發(fā)育新裂縫及細(xì)小開口的裂縫群，部分臨時(shí)性裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯粤芽p，單層采動(dòng)時(shí)的“變形積累-裂縫產(chǎn)生-擴(kuò)展-閉合”動(dòng)態(tài)發(fā)育過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹貜?fù)采動(dòng)時(shí)的“變形積累-裂縫發(fā)育擴(kuò)展-發(fā)育穩(wěn)定”動(dòng)態(tài)發(fā)育過程。