貴州山區煤礦采動引起地表斜坡變形失穩機理研究

李官博　彭大江　王加雙　李元武

摘要：本文以貴州省都勻市某出煤洞坡為研究對象，介紹了坡體變形特征，分析了斜坡變形失穩機理，結果表明，斜坡變形過程可分為開采擾動、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個階段。

關鍵詞：山區;斜坡;變形;失穩機理

1? ? 工程概況

我國陸地存在大量山嶺，斜坡失穩的災害每年都有發生，且種類眾多、分布范圍廣，特別是西南山區，地質災害最為嚴重，也是世界上山區斜坡失穩較為嚴重的地區之一。貴州省都勻市某區域煤洞坡范圍內存在多個生產礦井，主采A7、A9煤層，由于長期的采動影響，斜坡體出現了多處裂縫，甚至有個別小型崩塌發生。根據有關部門的地質調查發現，該煤洞坡存在“接娘坪”和“立山坡”兩個比較大的變形體單元，如圖1所示。其中，“接娘坪”變形體單元有4條比較寬的主裂縫，并發育出大量次級裂縫，整體變形劇烈;而“立山坡”變形體單元未形成寬的主裂縫，只有小型裂縫發育。總體而言，煤洞坡變形主要為裂縫，僅有個別崩塌發生。

經過調查研究發現，裂縫大致分布在地下采煤工作面形成的采空區上方或采空區邊界對應的地表區域，說明裂縫的發育與地下采煤的關系密切。進一步調查發現，“接娘坪”變形單元附近多為私企開采的小煤洞，而“立山坡”變形單元附近僅有規模開采的正規企業，說明小煤洞的亂采亂挖對地表裂縫的形成影響更大。本文在此基礎上，對煤洞坡變形體的形成機理進行分析。

2? ? 煤洞坡變形體形成機理分析

貴州省山區地貌為典型的峰叢地貌，在流水、強降雨等作用下容易發生滑坡、泥石流等地質災害，而在采動影響下，斜坡體變形機制變得更為復雜，破壞性也更強，地質災害的規模也更大。國內眾多學者對采動引起的煤洞坡變形特征及失穩機理也開展了大量研究，根據巖體結構、斜坡體構造、煤礦開采工況等條件不同，針對性地提出了煤洞坡失穩的多個模式，如谷德振等人提出金川露天礦邊坡變形失穩機制為“傾倒-滑移式”，孫玉科等人提出鹽池河山體變形失穩模式為滑移-傾倒崩塌，黃潤秋、林鋒、趙建軍等人提出的貴州省采礦誘發“采空區”控制型崩滑災害的形成機理等。概括而言，目前提出的煤洞坡失穩機理可分為4類，即：塌陷-拉裂-剪斷（滑移）、塌陷-拉裂-傾倒、拉裂-蠕滑-剪斷和拉裂-滑移-傾倒。從各失穩機理的描述過程判斷，本文上述提到的煤洞坡斜坡的變形失穩機理為“拉裂-蠕滑-剪斷”，其走向上的變形過程可分為四個階段，如圖2所示。

（1）開采擾動階段

由礦山壓力與巖層控制相關理論可知，煤洞坡區域長期開采A7、A9煤層，地下形成了大范圍的采空區，采空區上覆巖層在重復采動影響下受到嚴重擾動，使其在自重應力和采動應力的疊加作用下發生嚴重變形，進而在煤層上覆巖層中不斷形成裂縫，巖層之間出現離層等現象，誘發斜坡體內開始出現緩慢的變形現象。

（2）坡頂拉裂階段

由于該區域煤礦回采均使用全部垮落法處理采空區，隨著A7、A9煤層中工作面的不斷回采推進，采空區原有支護結構逐漸破壞，采空區上覆巖層在周期壓力的作用下逐步冒落或發生彎曲下沉，即形成采空區上覆巖層“三帶”。當關鍵層垮落后，采空區頂板自下而上形成的冒落區與裂縫區開始迅速沿陡傾結構面向上延伸，隨著垮落范圍越來越大，冒落區與裂縫區向上發展直至地表，在采空區邊界對應的坡頂區域形成裂縫，并不斷發展。

（3）變形加劇階段

當A7、A9煤層資源逐漸被回采完畢，多個煤礦開始回采A4煤層。A4煤層位于A7煤層上方，距離地表較近，回采前在下方A7、A9煤層的重復采動擾動下，煤體及頂底板巖層已經受到結構破壞。當A4煤層不斷回采后，原有冒落區和裂縫區進一步擴大，工作面之間留設的保護煤柱因不能承受高應力而被壓碎，加劇了冒落范圍繼續向地表的延展發育，煤層頂板裂縫繼續增大，在坡頂前緣局部出現拉裂傾倒失穩崩塌。受臨空面和采空區的影響，山體右側的坡頂開始出現朝向右側臨空面的裂縫。

（4）蠕滑變形階段

A4煤層中的工作面保護煤柱在長期應力作用下也逐漸被壓碎，導致A4煤層頂板由彎曲下沉開始產生冒落，原有的采空區邊界裂縫繼續擴大。覆巖在多次高強度重復開采擾動后，內部裂隙發育，降雨沿坡表裂縫滲入坡體內，并在采空冒落區匯集，促使斜坡以裂縫為界向兩側臨空面蠕滑變形。覆巖向左側蠕滑過程中受到了山體的阻擋，向右蠕滑則受到巖體裂隙發育程度低和坡表邊界煤柱的限制。見圖2。

同理，煤洞坡變形體在傾向上形成過程也可以分為開采擾動階段、坡頂拉裂階段、變形加劇階段、蠕滑變形階段四個階段，但在蠕滑變形階段裂縫的性質上有所差別。在進入變形加劇階段以后，A4煤層頂板由彎曲下沉開始產生冒落，導致采空區邊界裂縫繼續擴大，裂縫同時向采空區和臨空面方向移動，但由于受到反傾向巖層的限制，裂縫以向采空區移動為主。降雨沿坡表裂縫滲入坡體內，并在采空冒落區匯集，促使斜坡以后緣裂縫為界向臨空面蠕滑變形。

3? ? 影響煤洞坡變形失穩的地質因素分析

以往的研究表明，巖體結構、巖層性質及其組合、地形地貌、工作面開采條件、地質構造等因素均對受采動影響的斜坡體變形失穩產生顯著影響。貴州山區以峰叢地貌為主，斜坡變形失穩往往具有突發性，事故發生前變形較小不易察覺，因此在一定程度上增加了事故災害防治的難度，也增加了事故發生的危險性。

結合西南地區近40年來發生的其他采動相關的地質災害點的資料，對地形、坡體結構、節理面、臨空面、變形跡象、崩滑方向、斜坡巖體結構類型、坡體結構、地下開采狀況、災害發生前降雨情況、巖層產狀、失穩模式等因素進行統計分析，以期探究對煤洞坡變形失穩產生顯著影響的地質因素及其規律。

自然條件下采動坡體會沿2組控制性結構面發育有卸荷裂隙或溶蝕裂隙，如貴州腰巖腳崩塌體、貴州龍場崩塌體發育有溶蝕裂隙或溶洞。但在下部或深部采礦情況下，坡體內的裂隙會加速擴展，而且變形裂縫與采空區的邊界呈對應關系，14個統計的崩滑地質災害點在發生前具有變形裂縫，有的甚至還會出現小型崩塌和滑坡;坡頂會發育有與采空區邊界的變形裂縫，而且裂縫隨著采空區面積的擴大及開采強度的提高會延伸到采空區，若裂縫與臨空面近于平行或小角度斜交，那么這組裂縫發育速度會加快，14個災害點中均發育有與臨空面平行的裂縫，而且都是控制斜坡穩定的主控裂縫。

煤礦企業的技術條件，如開采方法、采掘機械、開采規模、開采順序、采高等因素，對煤洞坡的變形失穩也產生明顯影響。一般而言，煤礦開采多個煤層，采高往往與煤層厚度相同，并且該區域內有多個煤礦同時生成，每個煤礦一般同時回采的2個工作面，重復采動效應疊加影響。特別是經過長期且高強度的回采，采空區范圍越來越大，加劇了斜坡的變形失穩破壞，甚至發生滑坡、坍塌等災害，如貴州馬達嶺滑坡、湖鹽池河崩塌、貴州洋水河崩塌帶等。

4? ? 結語

煤洞坡的顯著特征是斜坡上部巖性較硬，而下部巖性較軟，受多個煤礦的重復采動影響，斜坡體變形機制復雜，變形過程可分為開采擾動、坡頂拉裂、變形加劇、蠕滑變形等四個階段。

參考文獻

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