周澤文，曹新勇，齊門亮

(寧夏地質(zhì)工程勘察院有限公司，寧夏銀川）

采動(dòng)滑坡是不同于傳統(tǒng)三下開采的災(zāi)害問題，其與坡體下方采空區(qū)面積、地質(zhì)條件、降雨地震等因素密不可分[1-2]。目前以二維地質(zhì)模型進(jìn)行分析的研究較為普遍，二維模擬由于不考慮平面受力的因素往往存在一定的缺陷，不能較為有效得反應(yīng)出實(shí)際采動(dòng)滑坡的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，容易造成模擬結(jié)果偏大、失真，在采用二維數(shù)值模擬結(jié)果制定相應(yīng)的治理措施時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生過于保守的方案，不利于體現(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)性[3]。而三維數(shù)值模擬可以突破平面的限制，更加真實(shí)的反應(yīng)位移及變形的實(shí)際狀態(tài)。因此，本文以采動(dòng)滑坡為例，基于三維數(shù)值模擬進(jìn)行建模并探討采動(dòng)滑坡的變形機(jī)理，為后續(xù)類似的采動(dòng)滑坡的防治工作提供借鑒。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件概述

研究區(qū)被第四系黃土覆蓋，屬隱伏式煤田。隨著煤礦的開采，出現(xiàn)大范圍不均勻沉陷。結(jié)合相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘查，區(qū)內(nèi)主要地層（由老至新）為奧陶系中統(tǒng)三道溝組（O2s），石炭系上統(tǒng)土坡組（C2b）、太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、孫家溝組（P2s），第四系（Q）。

滑坡特征：研究區(qū)坡體主要巖性組成為Q3馬蘭黃土和部分Q2離石黃土，在坡腳處分布少量Q4黃土狀粉土，坡體有明顯的張拉裂縫且垂直于坡體滑動(dòng)方向，坡體后緣具有明顯的擦痕。坡體馬蘭黃土具有強(qiáng)烈濕陷性，平均坡度約為39°，高差約為76 m。

2 數(shù)值模擬建模及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)地形地質(zhì)圖，采用Midas GTS NX 軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，模型主要基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，巖土層視為均勻的彈塑體，具體參數(shù)以室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)為主，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)作為輔助修正[4]（見表1）。

表1 滑坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)鉆孔資料將研究區(qū)巖土層自上而下共分為8層，模型中X 軸為正北（即紅色坐標(biāo)軸）、Y 軸為正西（即綠色坐標(biāo)軸），為了使模型更加切合實(shí)際，對(duì)模型邊界及底部采用固定約束，模型尺寸長(zhǎng)寬高分別為731 m×515 m×384 m，開采煤層以研究區(qū)3#煤層為研究對(duì)象，工作開采面整體呈矩形，面積為200 m×246 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為246 m，寬度200 m，分五次開挖，每次開挖約50 m，工作面采高3 m，開采方向由北向南，整體模型如圖1 所示[5]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)模型

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移分析

對(duì)于采動(dòng)滑坡而言位移是最直觀的表現(xiàn)，是采動(dòng)滑坡受力變形后的反應(yīng)，圖2 中T1 代表模擬結(jié)果是以X 方向?yàn)橹鞯奈灰品植迹凑w坐標(biāo)系X 軸方向的位移）。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在采空區(qū)形成后，地表整體位移分布近似橢圓狀，且地表位移范圍大于煤層面積，位移量的大小受到采空區(qū)中心區(qū)域控制，表明采空區(qū)對(duì)采動(dòng)滑坡整體位移的分布起到了關(guān)鍵性的作用。在采空區(qū)形成后坡體的整體移動(dòng)向著采空區(qū)內(nèi)部分布，形成了以采空區(qū)邊界為旋轉(zhuǎn)軸向采空區(qū)內(nèi)部移動(dòng)的傾倒拉裂區(qū)域，由于在重力的作用下，采空區(qū)北側(cè)邊界（即X 軸正向處）至坡頂處總體巖土層重度大于南側(cè)邊界至坡腳處巖土層重度，因此北側(cè)產(chǎn)生的影響范圍比較大。

圖2 地表X 向位移場(chǎng)分析

從X 向位移剖面圖3(a)所示，采空區(qū)與上方坡體的位移成正相關(guān)關(guān)系，采空區(qū)頂板的位移作為整體位移產(chǎn)生變化的“啟動(dòng)因素”，是隨著開采面積增大同步向上發(fā)展的，在采空區(qū)形成后，頂板上方產(chǎn)生一系列冒落、裂隙發(fā)育、巖土層彎曲變形等現(xiàn)象。上述這些現(xiàn)象造成坡體應(yīng)力分布產(chǎn)生了變化，降低了坡體軟弱土層的抗剪強(qiáng)度，為后續(xù)坡體發(fā)生滑坡提供了有利條件。圖3(b)對(duì)圖3(a)的X 向移動(dòng)變形進(jìn)行了相應(yīng)的劃分，其中1 代表采空區(qū)；2代表以采空區(qū)邊界上方為研究對(duì)象的X 向移動(dòng)趨勢(shì)曲線；3 代表土巖分界線。通過對(duì)煤層開采后的位移分布可知，坡體產(chǎn)生移動(dòng)主要受到兩種應(yīng)力集中區(qū)的影響，首先當(dāng)采空區(qū)頂板巖體失去支撐時(shí)會(huì)造成上部巖土層的擾動(dòng)，而采空區(qū)邊界上方的巖土體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的臨空面，下方巖土體會(huì)在上方巖土體的重度以及采空區(qū)邊界臨空面處的偏壓的共同影響下產(chǎn)生剪切作用，使上方巖土體沿著移動(dòng)角即圖3(b)中Ⅰ與Ⅱ相接處向采空區(qū)內(nèi)部移動(dòng)，此時(shí)采空區(qū)上方巖土體整體呈現(xiàn)出近似“倒梯形”分布，在重力的作用下對(duì)兩側(cè)巖土體產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)（即圖3(b)中Ⅰ區(qū)）并產(chǎn)生背離采空區(qū)的橫向位移。而在移動(dòng)角影響線內(nèi)部（即圖3(b)中Ⅱ區(qū)）則產(chǎn)生水平拉應(yīng)力集中區(qū)，從水平移動(dòng)分布曲線可以看出，采空區(qū)邊界處上方靠近坡體的巖土體受到拉應(yīng)力的作用，其移動(dòng)規(guī)律是向采空區(qū)內(nèi)部移動(dòng)，下部則由于處于壓縮狀態(tài)產(chǎn)生背離采空區(qū)的移動(dòng)分布，由于上述兩個(gè)應(yīng)力的共同作用便形成了以采空區(qū)邊界為軸心的傾倒拉裂。受到傾倒拉裂現(xiàn)象的影響在坡體表面逐漸形成了同坡向以及反坡向的裂縫，且在降雨及地震等因素的作用下逐漸產(chǎn)生滑動(dòng)形成滑坡。

圖3 位移剖面分析

3.2 應(yīng)力變化分析

煤層進(jìn)行開采以后造成應(yīng)力的重新分布，部分應(yīng)力得到了釋放，從而率先產(chǎn)生由下至上的沉降，下部的沉降逐漸影響到了坡體的穩(wěn)定性，造成坡體上坡面的傾角增大，受到附加傾覆力矩的作用并形成張拉裂縫。而坡腳處則在傾倒拉裂及偏壓的雙重影響下產(chǎn)生剪切裂縫，在采空區(qū)則主要產(chǎn)生頂板的拉裂破壞、兩幫的擠壓破壞、底板的卸荷回彈破壞，如圖4(a)所示，綠色區(qū)域代表塑性破壞，其主要分布在采空區(qū)、坡頂處、坡腳處，通過應(yīng)力的模擬結(jié)果驗(yàn)證了上述分析是較為合理的。

圖4 采動(dòng)滑坡應(yīng)力及塑性破壞應(yīng)力分析

采空區(qū)作為滑坡發(fā)生的“啟動(dòng)因素”其應(yīng)力主要集中在邊界處（如圖4(b)所示），在采空區(qū)臨空面形成后，由于煤層的自身強(qiáng)度較低，采空區(qū)周圍主要形成了類似“O 型圈”的塑性破壞，其等效應(yīng)力的分布與地表“橢圓狀”位移分布相似，且由于傾倒拉裂作用的存在，造成地表影響范圍遠(yuǎn)大于采空區(qū)的范圍。

3.3 應(yīng)變場(chǎng)變化分析

通過圖5(a)能直接反應(yīng)出采空區(qū)應(yīng)變與坡體應(yīng)變之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采空區(qū)形成后，首先在其頂板處產(chǎn)生冒落、拉裂、彎曲變形等現(xiàn)象，其最大的變形位置如圖中紅色以及黃色區(qū)域所示，驗(yàn)證了采空區(qū)是采動(dòng)滑坡形成的“啟動(dòng)因素”。在采空區(qū)頂板下沉變形后，在采空區(qū)邊界處形成了“傾倒拉裂區(qū)域”，該區(qū)域逐漸向上發(fā)展造成坡體產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)變，且對(duì)坡腳處、坡頂處的影響最為顯著，傾倒拉裂的存在迫使坡體頂部巖土體向采空區(qū)內(nèi)部移動(dòng)，加速了坡體的滑動(dòng)。而坡腳處在傾倒拉裂以及采空區(qū)上方巖土體整體下沉的共同作用下，造成坡腳失穩(wěn)。整個(gè)采動(dòng)滑坡處于坡腳抗滑力下降以及坡頂巖土體失去支撐的臨界狀態(tài)，在降雨、地震等作用條件下最終產(chǎn)生滑動(dòng)從而完全失穩(wěn)。從圖5(b)可以看出，由于研究區(qū)的回采工藝是全部垮落法，對(duì)于采空區(qū)的變形沒有有效的支撐，采空區(qū)邊界處的應(yīng)變與其上覆巖土層的厚度成正相關(guān)，即上覆巖土層的厚度越大，其位移、應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展的范圍也越大，且通過三維建模的模擬更加能夠貼合實(shí)際情況，為后續(xù)治理提供合理的依據(jù)。

圖5 采動(dòng)滑坡等效應(yīng)變分析

4 結(jié)論

（1） 通過建立三維模型進(jìn)行模擬，可以更加真實(shí)的反應(yīng)采動(dòng)滑坡位移及變形的趨勢(shì)，相較二維模擬有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且能夠貼近實(shí)際情況。同時(shí)驗(yàn)證了采空區(qū)是采動(dòng)滑坡產(chǎn)生的“啟動(dòng)因素”，其存在使坡體應(yīng)力的分布發(fā)生改變，從而誘發(fā)滑坡的形成。

（2） 根據(jù)X 向位移的數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了對(duì)采動(dòng)滑坡變形機(jī)理分析中劃分傾倒拉裂區(qū)域的合理性，傾倒拉裂的存在是造成地表位移分布范圍遠(yuǎn)大于煤層開采范圍以及促使坡體裂縫發(fā)育的關(guān)鍵因素；根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變模擬結(jié)果分析出了采空區(qū)與坡體之間的變形關(guān)聯(lián)性：在采空區(qū)的影響下，增加了坡體上坡面的傾角，造成坡體產(chǎn)生附加傾覆力矩并在偏壓作用的促進(jìn)下產(chǎn)生滑動(dòng)的趨勢(shì)，而在今后對(duì)采動(dòng)滑坡的治理與防治工作中，應(yīng)注重對(duì)采空區(qū)的變形分析以及制定相關(guān)有針對(duì)性的治理措施，以免盲目治理滑坡而忽略采空區(qū)問題。