地下采煤引起的黃土裂隙化物理模型試驗(yàn)研究

魏巖朔， 張常亮， 成玉祥， 周瀟朗， 王振宇

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院地質(zhì)工程系, 西安 710054)

黃土高原是中國(guó)最大的煤炭能源基地,近年來(lái)由于煤礦開采引起黃土滑坡的報(bào)道頻頻出現(xiàn),且均造成了嚴(yán)重的破壞。2004年4月4日凌晨1：20,彬縣城關(guān)鎮(zhèn)下溝村發(fā)生三次大面積山體滑坡,3 400 m3的黃土涌入水簾小河,將河流截?cái)?數(shù)百名群眾緊急撤離。2005年甘肅華亭硯峽村受采空區(qū)塌陷影響誘發(fā)了大型滑坡,體積達(dá)到395×104m3,致使硯峽村部分房屋出現(xiàn)裂縫及倒塌,學(xué)校、醫(yī)院、信用社等公用設(shè)施遭到不同程度的破壞,430人被迫搬遷,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了2 870 萬(wàn)元[1]。地下采煤引發(fā)的黃土滑坡災(zāi)害已經(jīng)成為煤礦開采區(qū)除地面塌陷災(zāi)害外最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害形式。根據(jù)張銀洲等[2]的研究,當(dāng)開采煤層的采深采厚比為30～100時(shí),地表就會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈變形,形成地表沉陷和地表移動(dòng)。而地表位移量的大小一方面取決于煤層地質(zhì)條件和采深采厚比,另一方面取決于地下采空區(qū)與地表觀測(cè)點(diǎn)的空間關(guān)系[3-4],一般來(lái)說(shuō),采空區(qū)中心部位主要產(chǎn)生均勻沉陷,采空區(qū)外圍則以傾向沉陷中心的不均勻沉陷為主。黃土地區(qū)的煤炭資源豐富,分布面積廣泛,煤層埋深較淺,可開采厚度大,因此開采以后形成的采空區(qū)面積大,高度較大,不可避免地會(huì)產(chǎn)生地面塌陷。分析中國(guó)煤田分布可知,在黃土殘?jiān)?黃土梁峁地區(qū)分布有大片的煤田,如陜西的黃陵礦區(qū)、彬長(zhǎng)礦區(qū),甘肅的隴東礦區(qū)等。這些地區(qū)的地下采空區(qū)一方面引起的近地表巖土體位移會(huì)導(dǎo)致坡體裂隙化,并隨著開采空間和時(shí)間的延伸將越來(lái)越多,從而導(dǎo)致斜坡傾倒變形；另一方面,由于地下采煤引發(fā)黃土斜坡裂隙化,使得坡體強(qiáng)度降低,且為地表水滲入坡體創(chuàng)造便利條件,進(jìn)而更易誘發(fā)滑坡災(zāi)害[5—8]。由此可見(jiàn),地下采煤引起的黃土滑坡已成為黃土礦區(qū)一種不可回避的地質(zhì)災(zāi)害類型,將嚴(yán)重影響地表人民生命財(cái)產(chǎn)安全和地下采礦安全,因此專門開展采煤引發(fā)的黃土裂隙化研究迫在眉睫。

黃土地區(qū)采礦區(qū)黃土裂縫分布廣泛,不但與采空區(qū)相對(duì)應(yīng),其裂縫分布也具有一定的規(guī)律性,同時(shí)還具有持續(xù)性與突發(fā)性特點(diǎn)。中外學(xué)者對(duì)采空區(qū)破壞規(guī)律的研究已有大量報(bào)道。余學(xué)義等[9]、李小磊等[10],通過(guò)對(duì)大量的實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)分析得出開采地表變形特征、地表最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡及變形曲線,初步確定采動(dòng)區(qū)破壞方式及特征。郭廣禮等[11]通過(guò)巖石碎脹與壓實(shí)試驗(yàn)和相似材料模擬試驗(yàn),研究了采空區(qū)破裂巖體碎脹與壓密特征,提出了長(zhǎng)壁采空區(qū)破裂巖體碎脹系數(shù)分布規(guī)律。康建榮[12]、湯伏全等[13]利用實(shí)際資料與滑坡理論相結(jié)合,分析得到地表產(chǎn)生采動(dòng)裂縫的形成過(guò)程機(jī)制、采動(dòng)引起的斜坡應(yīng)力場(chǎng)變化、分析巨厚層煤層綜合開采引起的地表裂縫分布及特征。張艷娜等[14]針對(duì)陜西生態(tài)脆弱礦區(qū)的特點(diǎn),闡明生態(tài)脆弱礦區(qū)由于地下采煤引起的地表裂縫及地表變形的現(xiàn)狀和影響因素。Poulos等[15]、Sladen等[16]和Sasitharan等[17]國(guó)外學(xué)者開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn),深入分析了靜態(tài)液化條件以及對(duì)滑坡的意義。湯伏全等[18]、何萬(wàn)龍等[19]通過(guò)大量實(shí)際資料,利用數(shù)值模擬軟件建立了典型地貌影響開采的滑移變形模型,揭示了采動(dòng)黃土層變形的特殊機(jī)理。梁明等[20]、胡海峰等[21-22]采用有限元的計(jì)算思路,對(duì)采動(dòng)斜坡的應(yīng)力狀態(tài)及斜坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行研究,建立了采動(dòng)坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。廖孟珂等[23]對(duì)動(dòng)態(tài)開采采空區(qū)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,得出垮落據(jù)及巖層沉降的特點(diǎn)。

從中外研究現(xiàn)狀可以看出,煤礦區(qū)黃土裂隙化的研究目前集中在采動(dòng)淺地表移動(dòng)數(shù)據(jù)觀測(cè)與預(yù)測(cè)和采沉陷學(xué)為基礎(chǔ)的黃土裂隙發(fā)育兩個(gè)方面[24-25],針對(duì)采煤引發(fā)黃土斜坡裂隙化的規(guī)律研究較少,并且先前的研究手段主要是通過(guò)理論研究與實(shí)際觀測(cè)資料結(jié)合,定性分析采動(dòng)對(duì)黃土斜坡的影響；針對(duì)典型案例運(yùn)用有限元等數(shù)值模擬方法雖然揭示了黃土層收采動(dòng)影響的變形機(jī)理,但結(jié)果不夠直觀且條件較為局限。物理模型試驗(yàn)不但可以彌補(bǔ)這種缺點(diǎn),直觀地反映試驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律,還可以對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)論。

因此通過(guò)展開地下采煤引發(fā)黃土斜坡裂隙化的物理模型試驗(yàn),以彬長(zhǎng)礦區(qū)采煤區(qū)為背景,對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)采煤區(qū)真實(shí)斜坡的尺寸、材料進(jìn)行比例調(diào)整,對(duì)黃土斜坡裂隙化發(fā)展規(guī)律以及坡體內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行研究,以豐富黃土滑坡成因理論研究成果,為黃土地區(qū)煤礦地質(zhì)災(zāi)害防控提供一定理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)?zāi)康募霸?/h2>

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

利用物理模型試驗(yàn)箱模擬地下采煤引發(fā)黃土斜坡裂隙化的過(guò)程,記錄裂隙位置、形態(tài)及斜坡體內(nèi)部應(yīng)力變化,分析討論黃土斜坡裂隙化規(guī)律。

1.2 相似性原理及相似參數(shù)取值

根據(jù)相似理論,當(dāng)相似關(guān)系滿足式(1)時(shí),模型與原型的幾何方程、物理方程、平衡方程、相容方程及邊界條件都將恒等。

(1)

式(1)中：C為相似比；γ為材料重度,l為幾何尺寸；σ為應(yīng)力,ε為應(yīng)變；c為黏聚力；φ為摩擦角。幾何相似比為CE=lP/lMP、M分別代表原型和模型。受力條件相似比為Cγ=γP/γM、Cf=CP/CM、Cσ=σP/σM、Cσ=σP/σM；摩擦相似比為Cφ=φP/φM。

在模型試驗(yàn)中要滿足全部相似判據(jù)是非常困難的,考慮到試驗(yàn)條件及試驗(yàn)操作的可行性,本次試驗(yàn)選取主要相似判據(jù):Cl=12,CE=1,其他相似條件適當(dāng)考慮。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.1 模型結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用長(zhǎng)2.1 m、寬0.6 m、高1.5 m的鋼框架模型箱體,構(gòu)建長(zhǎng)2 m、寬0.5 m、高1 m的土質(zhì)斜坡(圖1),箱體兩側(cè)安裝防爆玻璃,以方便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果。

圖1 模型箱Fig.1 Model box

2.1.2 模型材料

試驗(yàn)以彬長(zhǎng)礦區(qū)采煤區(qū)為背景,坡體材料為彬長(zhǎng)礦區(qū)同層黃土的人工重塑黃土樣,分層鋪設(shè)夯實(shí),設(shè)計(jì)重度約為18 kN/m3。填筑模型時(shí)單層鋪設(shè)厚度約15 cm,然后夯實(shí)至10 cm,并取夯實(shí)土樣對(duì)重度及含水率進(jìn)行測(cè)定。實(shí)際夯實(shí)后坡體平均重度為18.6 kN/m3,含水率約為12.4%。

2.1.3 卸載系統(tǒng)

試驗(yàn)卸載系統(tǒng)由連板及4組千斤頂組成,通過(guò)控制千斤頂?shù)男遁d來(lái)模擬坡體塌陷過(guò)程。

2.1.4 量測(cè)系統(tǒng)

量測(cè)系統(tǒng)包括布里淵光頻域光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x及位移網(wǎng)格標(biāo)識(shí)。

2.2 卸載方案

試壓采用液壓千斤頂?shù)男遁d方式模擬采深采厚比為13.16的遞進(jìn)式冒頂塌陷。每個(gè)千斤頂單次卸載位移為7.6 cm(表1),每級(jí)卸載穩(wěn)定后連續(xù)監(jiān)測(cè)0.5 h再進(jìn)行下一級(jí)卸載,直至最后一級(jí)卸載結(jié)束后連續(xù)觀測(cè)1 h,卸載過(guò)程如圖2所示。

表1 模型試驗(yàn)千斤頂卸載位移

圖2 各級(jí)卸載示意圖Fig.2 Schematic diagram of graded unloading

2.3 量測(cè)內(nèi)容

2.3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)采用布里淵光頻域光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x測(cè)量應(yīng)變[26,27]:于坡體手工布設(shè)三根光纖,折疊布置四層,與模型填筑同步進(jìn)行；每層間隔20 cm,最底層距黃土底面20 cm。光纖切割熔接及布置如圖3所示。

圖3 光纖處理及布置Fig.3 Processing and arrangement of optical fiber

2.3.2 位移監(jiān)測(cè)

于模型箱鋼化玻璃上繪制網(wǎng)格,并在坡體模型填筑過(guò)程中于網(wǎng)格交點(diǎn)處放置三角形截面粉筆,以監(jiān)測(cè)不同卸載情況下模型的變形情況。圖4所示為位移標(biāo)志現(xiàn)場(chǎng)布置圖及示意圖。

圖4 位移標(biāo)志Fig.4 Displacement marking

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 坡體宏觀變形破壞特征

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)過(guò)四級(jí)卸載產(chǎn)生4 條主要裂縫,3條微裂縫,各級(jí)卸載結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 各級(jí)卸載情況Fig.5 Results of unloading at all levels

圖6 各級(jí)卸載結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of all levels unloading results

一級(jí)卸載過(guò)程中,坡腳最前端由于土體自重較小未達(dá)到其抗剪強(qiáng)度,從而主要受拉應(yīng)力作用產(chǎn)生拉張裂縫導(dǎo)致其整體塌陷[圖6(a)中塊體a],在卸載完成后基本穩(wěn)定,無(wú)其他裂縫產(chǎn)生。裂縫貫穿坡腳前端,裂縫方向近于垂直。

二級(jí)卸載過(guò)程中,2號(hào)千斤頂上部坡體塊體[圖6(b)中塊體b]發(fā)生傾斜產(chǎn)生一條較寬裂縫,坡度變陡5°,坡面破碎,側(cè)面位移標(biāo)示線傾斜,與坡底呈5°夾角,在卸載完成后基本穩(wěn)定無(wú)其他裂縫產(chǎn)生。隨著卸載過(guò)程的推進(jìn),裂縫逐漸擴(kuò)展但未貫穿坡體,裂縫最大寬度5.2 cm,總體約呈50°,傾向坡體,后部穩(wěn)定坡體出現(xiàn)反傾的產(chǎn)狀。

三級(jí)卸載過(guò)程中產(chǎn)生2條主要裂縫, 1號(hào)光纖被剪斷,卸載完成后有一條微裂縫α產(chǎn)生。裂縫將斜坡模型分割為4個(gè)塊體[圖6(c)],塊體c與塊體d由于卸載的原因發(fā)生傾斜,側(cè)面位移標(biāo)識(shí)線向下傾斜4°,標(biāo)識(shí)點(diǎn)向左下偏移。最左側(cè)裂縫較上級(jí)卸載相比,寬度變小直至閉合；中間裂縫擴(kuò)展方向近垂直,頂部裂縫寬度3.4 cm,擴(kuò)展至坡底,將坡體貫穿；最右側(cè)裂縫擴(kuò)展方向同樣近于垂直,裂縫寬度隨擴(kuò)展深度的增加而減小,坡頂裂縫寬度6.4 cm,擴(kuò)展深度約93 cm,未將坡體貫穿。微裂縫α長(zhǎng)度約為4 cm,方向由右下至左上。

隨著四級(jí)卸載過(guò)程的遞進(jìn),坡體產(chǎn)生2條右下-左上方向的微裂縫β、γ[圖6(d)],其中裂縫β長(zhǎng)度為3.7 cm,裂縫γ長(zhǎng)度為4.1 cm。最左側(cè)裂縫與上級(jí)卸載相比無(wú)較大變化；中間裂縫閉合,裂縫寬度變小；最右側(cè)裂縫擴(kuò)展至坡底將塊體e與塊體b、c、d分離,塊體b、c、d呈塌落狀。其中塊體b和塊體c的側(cè)面位移標(biāo)示線處于同一直線與坡體底面基本平行,且較基準(zhǔn)線垂直向下位移7.5 cm左右,標(biāo)識(shí)點(diǎn)與標(biāo)示線位移一致；塊體d上部側(cè)面位移標(biāo)識(shí)線向左下傾斜,下部標(biāo)示線與坡體底面近于平行；塊體e基本穩(wěn)定。

3.2 坡體應(yīng)變變化特征

隨著卸載進(jìn)程的行進(jìn),光纖變形及不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7、圖8所示。

圖7 各級(jí)卸載過(guò)程中光纖形態(tài)示意圖Fig.7 Schematic diagram of fiber morphology during loading at all levels

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化結(jié)果Fig.8 Variation of strain in monitoring points

在模型卸載前,各應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

A點(diǎn)應(yīng)變?cè)谝患?jí)卸載時(shí)無(wú)明顯變化。隨著二級(jí)卸載的進(jìn)行,A點(diǎn)處產(chǎn)生裂縫,應(yīng)變值由5.502 5×10-4突變到5.527 5×10-4,坡體應(yīng)力應(yīng)變重分布使A點(diǎn)應(yīng)變略有降低并保持穩(wěn)定。在三級(jí)卸載完成后A點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)丟失,根據(jù)光纖抗剪不抗拉的特性說(shuō)明:二級(jí)卸載導(dǎo)致斜坡體在A點(diǎn)處產(chǎn)生的為拉張裂縫,而三級(jí)卸載產(chǎn)生的剪切裂縫將光纖剪斷。

B、D、F三點(diǎn)應(yīng)變值分別在二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)卸載時(shí)略有升高,但變化增量很小,總體保持不變。土體斜坡由于采空從而導(dǎo)致裂縫發(fā)育,斜坡應(yīng)力應(yīng)變重分布,但重分布的影響范圍有限,且向坡內(nèi)方向影響逐漸越小

G點(diǎn)應(yīng)變值在三級(jí)卸載時(shí)由5.487 2×10-4突變至5.524 3×10-4而C點(diǎn)應(yīng)變值在三級(jí)卸載時(shí)丟失監(jiān)測(cè)信號(hào),這表明三級(jí)卸載使坡體上部拉應(yīng)力集中從而導(dǎo)致裂縫開啟,當(dāng)張拉裂縫發(fā)育到一定程度時(shí),被切割塊體逐漸獨(dú)立,塊體自重大于土體抗剪強(qiáng)度,坡體被剪切貫穿。

由于1號(hào)、2號(hào)光纖分別被二級(jí)三級(jí)卸載剪斷,故E、H兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)由三號(hào)光纖監(jiān)測(cè)。從圖8(d)中可以看出,E、H兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值在三級(jí)卸載過(guò)程中均發(fā)生突變,此時(shí)三級(jí)卸載導(dǎo)致坡體出現(xiàn)拉張裂縫。E點(diǎn)較H點(diǎn)的變化幅度小,該現(xiàn)象與裂縫寬度從上到下由寬變窄的實(shí)際情況吻合。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因與黃土斜坡彎曲梁拉應(yīng)力分布有關(guān),越靠近彎曲上部,裂縫寬度越大,拉應(yīng)力越大,拉應(yīng)變也就越大。隨四級(jí)卸載過(guò)程的進(jìn)行,E、H兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)丟失,最右側(cè)裂縫下部由于剪切滑動(dòng)從而貫穿坡體導(dǎo)致坡體被分割。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)黃土斜坡下煤層從坡腳向坡體開始采空塌陷時(shí),由于坡腳處土體較少自重輕,而黃土抗剪強(qiáng)度較高,抗拉強(qiáng)度低,土體自重小于土的抗剪強(qiáng)度但大于抗拉強(qiáng)度,如果不考慮水的作用,該部分往往產(chǎn)生拉張裂縫而不是剪切裂縫。這些坡腳處拉張裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展時(shí)間與塌陷過(guò)程一致。隨著采空塌陷過(guò)程的進(jìn)行,采空區(qū)上覆黃土體積變大,自重增大,此時(shí)拉-剪應(yīng)力共同作用,拉應(yīng)力開啟裂縫而剪應(yīng)力切割裂縫。當(dāng)上覆黃土自重大于土體抗剪強(qiáng)度時(shí),坡體主要受剪應(yīng)力影響產(chǎn)生剪切裂縫,此時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生拉張裂縫,這些拉張裂縫方向與土體自身性質(zhì)和塌陷區(qū)情況有關(guān),主要為垂直方向和傾向坡面。坡體頂部拉張裂縫寬度較大,下部寬度較小。

(2)地下采煤引起的黃天斜坡裂隙化導(dǎo)致裂縫后部被切割塊體臨空面坡度變陡,同時(shí)由于大裂縫的切割以及微裂縫的左右導(dǎo)致黃土完整性變差,斜坡天然強(qiáng)度降低。

(3)主要剪切裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展時(shí)間與采空塌陷過(guò)程一致,其產(chǎn)狀與塌陷情況吻合,例如本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M垂直塌陷情況,產(chǎn)生的主要剪切裂縫方向也近于垂直,其位置對(duì)應(yīng)塌陷部分的邊界上方。

(4)采煤引起的黃土斜坡裂隙化導(dǎo)致斜坡內(nèi)應(yīng)力重分布,重分布應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生微裂縫,這些微裂縫會(huì)在坡體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變充分?jǐn)U展穩(wěn)定后產(chǎn)生,微裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致斜坡破碎,降低土體強(qiáng)度。

(5)剪切裂縫寬度較張拉裂縫小且整條裂縫寬度變化不大,裂縫擴(kuò)展深度比張拉裂縫深,且裂縫表面較為光滑。

(7)采空塌陷導(dǎo)致斜坡變形出現(xiàn)裂縫,其裂縫處應(yīng)力應(yīng)變隨裂縫的產(chǎn)生發(fā)生突變,隨后略有下降,待其充分?jǐn)U展后穩(wěn)定。裂縫后緣穩(wěn)定坡體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶杏绊?這種影響向斜坡內(nèi)部逐漸變小至天然狀態(tài)。