基于數值分析的淺埋煤層采動滑坡穩定性研究

劉茂琪，劉 萍，朱恒忠，王 沉，王春華

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽550025；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590）

山體崩滑地質災害一直以來都是威脅人們生命及財產安全的主要災害形式之一。隨著人們在地下采掘活動的越來越頻繁，地下開采活動所引起的山體崩滑地質災害日益增多，而且造成了非常嚴重的人員傷亡以及經濟損失。以山區為例，由地下開采而引發的地質災害多以山體崩滑的形式出現，且造成了嚴重的損失。許多大規模的崩滑地質災害被證實與地下開采有直接或間接的聯系[1-3]。

目前大多學者對采動滑坡的研究方法主要是數值分析和物理實驗，研究結果都表明地下采動對山體穩定性有一定影響[4-8]，但是對貴州地區采動滑坡的研究較少且缺乏針對性。為了進一步加深對于貴州地區的地下采掘活動對山體穩定性影響機制的認識，為類似地質災害的預防和治理提供參，以貴州某礦區斜坡危巖體發生的崩滑地質災害為例，在大量的現場工作和實驗室實驗的基礎上，從宏觀和微觀角度對采動滑坡進行研究。從宏觀角度利用赤平投影對坡體進行穩定性分析，從微觀角度利用UDEC離散元軟件模擬煤層開采過程中的裂隙發育情況，說明巖石力學參數（黏聚力）在裂隙發育過程中將降低；此外利用FLAC3D有限元數值模擬軟件對地下采掘過程中的坡體受力情況及坡體穩定性進行研究分析；通過UDEC 軟件模擬某煤礦M10 煤層開采過程中采空區上覆巖層裂隙發育情況，在此基礎上再應用FLAC3D對開采M10 煤層時，坡體穩定性系數的變化及坡體的穩定性進行分析。

1 研究區坡體穩定性數值分析

所研究的地區位于貴州某礦區的陡傾坡體，根據收集以及查閱的資料得知，發生崩滑的山體下部是某煤礦的井田區，煤層傾角為7°的近水平煤層，所涉及煤礦開拓方式為斜井開拓，主要通過巷道在坡體下部進行采掘作業[9]。

1.1 坡體的UDEC 模擬

采用UDEC 主要模擬開采M10 煤層時裂隙場的分布規律以及對山體穩定性的影響。判斷M10 煤層開采時是否對山體穩定性具有影響。根據現場調研資料按山體崩滑部分的中間剖面建立二維數值計算模型，UDEC 數值模擬計算模型如圖1。

數值計算模型以水平方向為x 軸，x 軸方向上的總長度為360 m；沿垂直方向為y 軸，y 軸方向上的總高度為250 m，該模型共計9 個拐點，順時針依次 為（0，0）、（0，110）、（51.16，125）、（81.41，158）、（105.14，200.82）、（120.4，250）、（155.23，249.76）、（360，169.53）、（360，0），建立剖面圖1∶1 模型，煤層位置及地層巖性已在圖中標出。計算模型的底部和兩邊是0 位移邊界條件，模型上部為自由邊界，主要受重力的作用，對模型施加原巖自重應力與上邊界，水平施加于模型左右邊界。

1.1.1 參數確定

模型采用帶抗拉強度的Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，該準則是傳統Mohr-Coulomb 剪切屈服準則與抗拉屈服準則相結合的復合屈服準則[10-11]。經過實驗室巖石力學實驗以及參照相關經驗得出巖層參數。剪切判據fs和抗拉屈服判據ft分別為：

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應力；φ 為內摩擦角；c 為黏聚力；σt為巖石抗拉強度；Nφ為與內摩擦角有關的參數。

1.1.2 UDEC 模擬結果

通過對崩滑危巖體所在位置建立M10 煤層開采的二維離散元數值模型進行數值模擬試驗。模型主要研究煤礦在開采M10 煤層時的采動效應對上覆巖層的影響。模型左右兩端各留保護煤柱30 m，從左往右逆坡開采，每開采30 m 觀察M10 煤層上覆巖層裂隙發育情況及上覆巖層垮落情況。由于模擬圖像結果過多，只例舉4 次開挖的效果圖，M10 煤層開挖過后的裂隙發育效果圖如圖2。

圖2 M10 煤層開采后裂隙發育效果圖Fig.2 Effect diagram of fracture development after mining of M10 coal seam

在模擬過程中觀察到當開挖到45 m 時，煤層開采僅導致工作面采空區上方局部出現裂隙，對于距離煤層較遠的上覆巖層幾乎沒有影響，還未影響到坡體表面；當開挖到60 m 時（圖2（a）），顯示覆巖裂隙整體還是位于采空區上方，但其發育范圍變大，橫向離層裂隙與縱向離層裂隙貫通，裂隙繼續向上發育至接近坡面，逐漸對坡體下方（坡腳）巖體強度造成影響；當煤層開挖至90 m 時，裂隙已經發育到坡角處的位置；煤層開挖至120 m 時（圖2（b）），顯示覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發育，已經發育到坡體腰部（坡體中間部位）的位置；煤層開挖至150 m時，覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發育，裂隙發育到達坡面中上部的位置；當煤層開挖至180 m 時（圖2（c）），可以看到覆巖裂隙逐漸從坡腳向坡頂發育，裂隙發育接近坡頂的位置；隨著地下采煤工作面不斷推進，裂隙在上覆巖層中逐漸向上發育，當工作面推進至210 m 處時，覆巖中裂隙已發育至坡頂；當采煤工作面推進至240 m 時（圖2（d）），覆巖裂隙已發育坡頂并且逐步朝坡頂后緣發育。

在研究區坡體發生崩滑前，根據相關部門對礦區的調查資料得知崩滑體前緣已有多條裂縫。依據UDEC 數值模擬的結果，坡體裂縫的產生是隨著采煤工作面不斷推進，采空區上部巖層不斷垮落，覆巖裂隙不斷向坡體地表發育，裂隙發育過程中降低了坡體相關巖石巖體力學參數，從而降低了巖體的強度，坡腳至坡腰段受影響的巖體在雨水侵蝕以及上覆巖體的重力作用下，當達到巖體的屈服極限時發生破壞，此時，由于坡體上部巖體失去受力點，有向前傾倒的趨勢，再加上采煤工作面的不斷推進導致覆巖裂隙發育到坡頂，坡頂有向前傾倒趨勢的巖體對坡體有拉伸（剪切）作用，由此形成了坡體地表前緣裂縫。

綜上，崩滑體下煤層在開挖過程中由于采動的作用，破壞了巖土體內的初始應力平衡狀態，致使在工作面采空區周圍的巖體進行重新應力分布，在此過程中水平應力和垂直應力對巖體有切割作用，同時，由于煤層的開挖致使煤層頂板受力不平衡而垮落以及彎曲下沉，由此形成了裂隙，隨著采煤工作面不斷推進，上覆巖層受影響區域逐漸擴大，裂隙也不斷向上發育，最終采動裂隙發育至整個坡體。由此，采動過程使采空區了導致采空區上覆巖層的巖石力學參數降低。故利用FLAC3D軟件內嵌強度折減法模擬計算采掘推進過程中山體穩定性系數的變化。

1.2 坡體的FLAC 模擬

1.2.1 坡體的FLAC3D模型

利用FLAC3D數值模擬軟件建立三維數值計算模型，模型的x 軸正方向為正東，y 軸正方向為正南，模型的豎直向上為z 軸正方向，三維有限差分數值計算模型示意圖如圖3。模型在x、y、z 軸方向上的長度分別為360、100、250 m。力學邊界采用兩側面（x 方向）、前后緣側面（y 方向）及底面（z 負方向）單向約束。

圖3 三維有限差分數值計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-dimensional finite difference numerical calculation model

在模型從左右留兩邊留30 m 保護煤柱后，從左往右分10 步開挖，為了更好的分析地下采掘作用對山體穩定性的影響，在煤層開挖前先計算山體穩定性系數，前面UDEC 模擬已說明煤層開挖過程中會使上覆巖層巖石力學參數降低，由此利用FLAC3D軟件內置的強度折減法計算M10 煤層開挖過程中崩滑體的穩定性系數的變化情況，然后從應力、應變和塑性區等方面對模擬結果進行分析對比。

1.2.2 坡體FLAC 模擬結果

以上分析從裂隙發育以及坡體受力方面說明了坡體穩定性是隨著地下采煤活動的進行而降低。經過模擬，坡體原始應力狀態下只有坡頂發生微小位移，坡體在地下采掘活動開始前穩定性系數為1.57，參照危巖體穩定性狀態劃分標準，判斷坡體在未受采動影響下是處于基本穩定的狀態。M10 煤層開挖過程中穩定性系數變化圖如圖4。

圖4 M10 煤層開挖過程中穩定性系數變化圖Fig.4 M10 stability coefficient variation during coal seam excavation

與開挖過后的坡體穩定性系數對比，開挖過后的坡體穩定性全系數小于開挖前。數值模擬結果分析得到坡體在地下采掘活動開始前穩定性系數為1.57，處于一個基本穩定的狀態，在此之后，坡體穩定性系數隨著采煤工作面的推進而減小。圖4 表明了坡體發失穩生崩滑前會經歷3 階段: 分別是基本穩定階段、欠穩定階段以及不穩定階段，坡體發生失穩垮落將會發生在第2、第3 階段。

圖4 中顯示了當地下采掘活動沒有在山體正下方進行時，采掘活動對崩滑體穩定性影響較小，坡體穩定性系數變化幅度也較小；圖中開挖至90 m 時剛進入崩滑體下方，此時崩滑體穩定性系數為1.38，在此之后，隨著采掘活動往山體內推進，采掘活動對坡體穩定性影響逐漸增大，坡體體穩定性系數變化幅度隨之變大，說明了地下采掘活動對坡體穩定性有較大影響。

開挖過后的豎直方向位移云圖如圖5，限于篇幅，僅列出開挖4 次后的模擬結果，分別是開挖至60、90、120、150 m 的情況。

圖5 開挖后豎直方向位移計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of safety factor calculation after excavation

從圖5 中可以看出，M10 煤層開挖60 m 時的坡頂危巖位移與原始狀態相比最大位移量無太大變化，坡體穩定性系數仍然是1.57；M10 煤層開挖至90 m 時的坡頂最大位移量與開挖至60 m 時的坡頂最大位移量相差0.02 mm 變化并不大，坡體穩定性系數是1.57，無變化; 當采煤工作面推進至120 m時，模擬結果顯示坡體穩定性系數從1.57 減小到1.38，坡體穩定性從基本穩定狀態變為欠穩定狀態；隨著M10 煤層采煤工作面持續推進, 當采煤工作面推進到150 m，模擬結果顯示坡體穩定性系數從1.38 減小到1.00，坡體穩定性狀態為欠穩定狀態。

隨著工作面的持續推進，坡體穩定性系數逐漸減小，工作面推進至180 m 時坡體穩定性系數降低到0.77，根據危巖體穩定性狀態劃分標準，在此之后坡體穩定性從欠穩定狀態專變為不穩定狀態。

開挖后的坡體豎直方向上的壓應力圖如圖6。限于篇幅，僅列出開挖4 次后的模擬結果，分別是M10 煤層開挖至60、90、120 、150 m 時坡體在豎直方向上的壓應力圖。

圖6 開挖后豎直方向壓應力分布圖Fig. 6 Schematic diagram of vertical compressive stress after excavation

當煤層開挖至60 m 時，從圖6（a）中可以看出，采空區上方豎直方向上應力分布發生變化，工作面前進方向的煤壁出現應力集中現象，但對坡頂應力分布影響不大；煤層開挖至90 m 時，由于采空區跨度增加導致開挖方向的煤壁應力集中，圖6（b）顯示豎直方向最大應力比開挖至60 m 時的最大應力增加1 倍，在應力重新分布過程中必然引起采空區上覆巖層發生位移從而導致坡腳地表發生破壞；是M10 煤層開挖至120 m 時，從豎直方向壓應力分布圖6（c）中也可看出，采空區上部的巖層壓應力變化范圍變廣，已涉及坡腰處，工作面前進方向的煤壁應力集中更為突出，開挖過后應力再次重新分布，在此過程中采空區達到極限平衡的巖層逐漸垮落，采空區上部巖層受破壞程度逐漸增加，對坡體的穩定性影響隨之增加。

M10 煤層4 次開挖的上覆巖層塑性區貫通情況如圖7，圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）分別代表第1～第4 次開挖的模擬結果。

圖7 開挖后塑性區貫通情況示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the penetration of the plastic zone after excavation

從圖7 可以看出，隨著地下采掘活動不斷往坡體內推進，采空區上覆巖層塑性區逐漸向地表貫通，第1 次完成時工作面推進至60 m，采空區上部塑性區顯示對上覆巖層的影響程度微小；第2 次開挖結束時工作面推進至90 m 處，采空區上覆巖層與地表已形成塑性貫通區，直接對坡腳處巖層造成一定影響；從圖中坡體上部塑性區分布可以看出前2 次開挖對坡體上部影響都不大；接著第3 次開挖推進到120 m 處，已經接近到坡頂下方，此時從圖7（c）中可以看到采空區上部的塑性區已經和坡體中部塑性區貫通，此時，坡腳到坡腰處這一段巖層受到一定程度破壞，而且塑性區已經向坡體后緣發展；當第4次開挖完成時，坡體穩定性已經處于不穩定狀態了，從圖7（d）可以看出，采空區上覆巖層塑性貫通區更為嚴重導致坡體后緣巖層受到破壞。從模擬結果可以總結出：塑性區的貫通情況在坡體發生大規模垮落前是與地下采煤工作面的推進程度成正相關的。

2 崩滑體失穩機制

結合現場調查資料、數值模擬以及穩定性評價結果知，坡體在未受采動影響情況下是處于基本穩定狀態。從采動影響的角度對崩滑體失穩機制進行分析，首先，在用UDEC 離散元對坡體進行研究中，觀察到隨著M10 煤層的不斷開挖，采空區上覆巖層的垮落范圍逐漸變廣，而且覆巖裂隙范圍從采空區垮落巖層上部逐漸發育至坡腳坡腰坡頂坡體后緣。其次，再用FLAC 有限元軟件對坡體進行研究中，通過對坡體穩定性系數的變化分析中總結出，坡體穩定性狀態變化過程為：基本穩定狀態欠穩定狀態不穩定狀態2 個過度段。結合UDEC 及FLAC3D的模擬結果，坡體的失穩涉及到坡表面的裂縫的形成，其形成是由于當采煤工作面推進至坡體下方時覆巖裂隙發育的結果；隨著時間的推移，受破壞的巖體在雨水的侵蝕作用下以及由雨水滲入產生的水壓力、巖體自重及上覆巖層的壓力作用下自然發生位移形成地表裂縫逐漸破碎。

礦區崩滑體失穩破壞過程可歸納如下：

1）由于研究區崩滑體下方在采煤過程中采空區是自由垮落法處理，所以隨著煤層的推進采空區頂板不斷垮落，這將引起采空區上覆巖層發生整體性的移動變形，覆巖裂隙不斷發育，導致巖體強度降低，巖體之間發生擠壓或者拉伸破壞，由此引起巖體發生破壞。

2）采空區上覆巖體發生破壞后進而使巖體的黏聚力和內摩擦角等相關力學參數降低，使得坡體穩定性系數也降低。巖體整體性的移動變形也使坡體前緣裂縫間距變大，這使坡體前緣的崩滑體有向下運動的趨勢，導致其作用在巖體上的壓應力變為拉應力，在采掘活動繼續進行，坡體前緣裂縫繼續發展，坡體前緣的崩滑體質量增大，加上由于雨水形成的水壓力，當崩滑體所受重力及水壓力的合力大于其與巖體間的拉應力時，崩滑體于坡體前緣的“拉斷”破壞突然發生，最后導致坡體崩滑的發生。

3 結 語

1）地下采掘活動是引起礦區山體崩滑地質災害發生的誘導因素之一。由于地下采掘活動的作用，上部山體穩定性受到影響，坡體穩定性是隨著M10 煤層的推進而降低。

2）在天然工況下，地下采掘活動對山體的穩定性影響可分2 種：①當地下采掘活動臨近山體時，模擬結果顯示山體穩定性系數變化不大，說明采掘活動對山體穩定性影響較小；②當采掘活動在其上部山體下進行時，模擬結果顯示山體穩定性系數變化較大，說明采掘活動對山體穩定性影響很大，而且隨采掘活動朝山體內推進山體穩定性逐漸降低。

3）地下采掘活動過程中，采空區頂板不斷垮落，這將引起采空區上覆巖層發生整體性的移動變形，巖體之間發生擠壓或者拉伸破壞，在此過程中將引起上覆巖體發生整體性破壞，結合UDEC 與FLAC3D的模擬結果說明隨著M10 煤層工作面持續推進，采空區上覆巖體發生破壞后由于裂隙的發育進而使巖體的黏聚力和內摩擦角等相關力學參數降低，這導致坡體的穩定性受到一定程度影響。