煤層開挖對槐扒滑坡穩(wěn)定性的影響

蘇超鵬，王貴生

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008）

近年來，不規(guī)范煤層開挖引起的地質(zhì)災害越來越頻繁，人類的工程活動已經(jīng)成為地質(zhì)災害的主要誘因。對于三門峽槐扒滑坡，以往學者研究多集中于滑坡體探測、滑坡體處理技術(shù)以及滑坡體組成成分[1]性質(zhì)的分析上，對滑坡誘發(fā)因素的影響涉及較淺，尤其是對煤層開挖對滑坡變形的影響研究較少。本文以三門峽槐扒滑坡[1-3]現(xiàn)場勘探資料、試驗數(shù)據(jù)和變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，建立了滑坡煤層開挖有限差分分析模型，分析了滑坡渡槽毀壞區(qū)域在煤層開挖作用下的變性分布特征，并與地表實測沉降數(shù)據(jù)進行了對比分析，為槐扒滑坡治理提供了一定依據(jù)。

1 滑坡簡介

研究滑坡位于河南省三門峽市澠池縣和義馬市境內(nèi)，滑坡呈圈椅狀，南北長約495m，東西長約370m，滑體面積約20.0 萬m2，體積約400 萬m3，屬于大型中深層巖土質(zhì)滑坡。滑坡后緣地形較陡，中部平緩，前緣西南地形較陡，而西北地區(qū)受人為活動（鋁礦露天開采礦區(qū)）影響，地形較為平坦。滑坡變形邊界兩側(cè)陡坎極其明顯。

2 滑坡成因分析

2.1 滑坡變形現(xiàn)狀

裂縫因所處地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等的不同，在滑坡的形成中表現(xiàn)為剪切裂縫、鼓張裂縫和張拉裂縫三大類型。

2.2 滑坡變形機理分析

2.2.1 內(nèi)在原因

（1）地形地貌：滑坡區(qū)的地貌單元屬侵蝕、剝蝕中低山，地勢南高北低，坡向約298°，平均坡度約20°，滑坡上部坡面較陡約為30°，下部坡面較平緩，滑坡前緣臨空條件較好，巖土體表現(xiàn)出退滑現(xiàn)象。滑坡兩側(cè)沖溝發(fā)育，地形較陡，左側(cè)沖溝切割深度較深。

（2）地層巖性：地層巖性自上而下分別為第四系上更新統(tǒng)沖積的重粉質(zhì)壤土、第四系中更新統(tǒng)沖洪積的重粉質(zhì)壤土（中間夾有老滑坡體的全、強風化的基巖）以及全風化的基巖。

（3）水文地質(zhì)條件：滑坡周界是地形陡峻的環(huán)形中山，雨季地表水由外圍山體呈馬蹄狀匯入坡體內(nèi)。滑坡體后緣，存在人工開挖的排水溝，并堆放開礦礦渣，坡體表面的拉張裂縫、剪切裂縫、鼓脹裂縫縱橫交錯，地表水極易滲入，內(nèi)部排水條件較差，汛期來臨，降雨量逐漸增大，整個坡體逐漸容易呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)，致使斜坡體內(nèi)部動水壓力激增誘發(fā)滑坡。

2.2.2 外在原因

滑坡變形范圍內(nèi)，人類工程活動頻繁，多為鋁土礦、煤的開采[4]。滑坡前緣由于受到人為開采礦石的影響，逐漸形成南北長約220m，東西長約180m 的礦坑，開挖深度約20.0m，深度最深可達30.0m，開挖方量約為70.0 萬m3。滑坡內(nèi)共有7 眼人工開挖的礦井，井深較深，多為鋁土礦礦井，小煤窯30 余處，煤礦采空區(qū)上部地面經(jīng)常發(fā)生沉陷，對坡體穩(wěn)定性極不利[1]。

滑坡坡腳鋁土礦的開采造成前緣形成高差達20m 以上的臨空面，且滑坡后緣山頂開礦堆放的礦渣，滑坡體內(nèi)存在的礦井，以及巷道與采空區(qū)的變形，共同破壞了坡體的自然平衡條件。采空區(qū)引起巖土體的變形效應較為復雜，殘余變形時間較長，累積變形量逐漸加大，且改變了原有的應力平衡、地下水、坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)等[5,6]。

3 煤層開挖穩(wěn)定性分析

3.1 研究對象

煤層開挖[7,8]造成的采空區(qū)是滑坡發(fā)生的主要誘因之一，采空區(qū)的分布特征與礦體的分布特征具有一致性，礦體呈現(xiàn)層狀產(chǎn)出。根據(jù)收集的資料，槐扒提水工程渡槽毀壞段的工程場區(qū)下部多分布有煤礦、鋁土礦的巷道及采空區(qū)。煤層M-1、M-2 為主采煤層。煤層M-1 局部可采，埋藏深度14.7～16.2m，煤層開采底板標高285.14～286.64m，可采范圍內(nèi)煤厚0.50～1.50m。煤層M-2 局部可采，埋藏深度31.5m 左右，煤層開采底板標高277.0m 左右，可采范圍內(nèi)煤厚0.50～1.10m。

渡槽毀壞段，由于開采煤礦資源，使其基礎大部采空，從主巷道及兩側(cè)采空部分觀測，巷道高1.7～2.0m，寬度達5～7m，巷道分布呈“F”型，工程區(qū)兩側(cè)10～20m 范圍內(nèi)基本采空。從圖1 可以看出，煤層巷道主要分布于滑坡4-4'剖面的后半段，因此，本文主要對槐扒滑坡研究區(qū)域4-4’剖面運用有限差分軟件FLAC3D 進行數(shù)值計算分析。

圖1 槐扒滑坡研究區(qū)域工程地質(zhì)4-4'剖面圖

3.2 計算剖面

計算剖面如圖1，各土層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，網(wǎng)格采用以六面體為主的混合網(wǎng)格劃分方式，劃分時自動匹配相鄰面。計算剖面長197.2m，高132m，寬10m，模型概況如圖2。

圖2 槐扒滑坡研究區(qū)域工程地質(zhì)4-4'剖面模型概況圖

3.3 計算工況

本次模擬主要針對于在現(xiàn)有地層情況下，未開采煤礦時的坡體變形與采空局部煤層時的坡體變形場進行對比分析。

3.4 計算參數(shù)

根據(jù)小浪底庫區(qū)工程地質(zhì)條件類似、滑帶土性質(zhì)相近的庫岸滑坡等工程實例，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，提出滑坡各個土層抗剪強度參數(shù)建議值見表1。

3.5 計算結(jié)果

設置好監(jiān)測點和收斂比，對模型進行計算。

從圖3 可以看出，未開挖煤層時，研究區(qū)域主要變形區(qū)位于坡體后緣和中部，最大變形量為4.97cm，總變形區(qū)與沉降區(qū)域分布基本一致，最大沉降量為4.8cm。

圖3 研究區(qū)域未開挖煤層時總變形與沉降云圖

從圖4 可以看出，煤層開挖后，坡體變形區(qū)主要集中于兩層煤層采煤巷道頂板處至地表處，其中M-1 煤層右側(cè)采煤巷道頂板處變形最大，最大變形量為33.84cm，總變形區(qū)域略大于沉降區(qū)域，最大沉降量為33.82cm。

圖4 研究區(qū)域開挖煤層后總變形與沉降云圖

從圖5 可以看出，未開挖煤層時，坡體后緣處變形先上升后趨于穩(wěn)定，沉降量與約為4.7cm；坡體中部和前緣處變形先上升后趨于穩(wěn)定，沉降量與約為4.7cm，各處采煤巷道頂板和底部沉降量基本為0 值。

圖5 研究區(qū)域未開挖煤層時監(jiān)測點沉降曲線圖

從圖6 可以看出，煤層開挖后，坡體后緣處變形先上升后趨于穩(wěn)定，沉降量與約為4.7cm；第一層M-1 煤層采煤巷道底部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為0.33cm/月，最大沉降量約為5cm，巷道頂部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為1.40～2.22cm/月，最大沉降量約為21.0～33.3cm；第二層M-2 煤層采煤巷道底部沉降量基本為0 值，巷道頂部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為1.31～1.86cm/月，最大沉降量約為19.6～27.9cm。上層M-1 煤層采空區(qū)及巷道因頂板為軟質(zhì)風化巖，并且埋深淺，深厚比小，很容易沉陷松弛變形，變形范圍和變形值較大，而下部的M-2煤層采空區(qū)及巷道頂板為厚約6.5m 的硬質(zhì)灰?guī)r，形成有效的支撐頂板，變形相對較小。

圖6 研究區(qū)域開挖煤層后監(jiān)測點沉降曲線圖

煤層開挖后，明槽改渡槽段1#、2#樁頂在2008年12 月23 日到2010 年7 月22 日沉降動態(tài)觀測資料處理后得圖7。從圖7 可以看出，12 月23 日之后，坡體前緣渡槽破壞位置1#樁頂沉降量為19.1cm，2#樁頂沉降量為28.9cm，數(shù)值計算中，2#樁頂處沉降量為28.3cm，數(shù)值模擬與實際監(jiān)測沉降量一致。

圖7 槐扒滑坡渡槽破壞段1#、2#樁頂與模擬監(jiān)測對比沉降曲線圖

4 結(jié)論

（1）礦區(qū)開挖不規(guī)則、采空區(qū)分布廣泛、礦渣的隨意堆放以及巖土體所受推動力的復雜性，造成槐扒滑坡滑動后裂縫雜亂，存在橫向裂縫和縱向裂縫，但多以表層的淺部半圓形張拉裂縫為主。

（2）煤層開挖形成的采空區(qū)是三門峽槐扒滑坡主要誘因之一，煤層開挖后，坡體后緣處變形先上升后趨于穩(wěn)定，沉降量與約為4.7cm；第一層M-1煤層采煤巷道底部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為0.33cm/月，最大沉降量約為5cm，巷道頂部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為1.40～2.22cm/月，最大沉降量約為21.0～33.3cm；第二層M-2 煤層采煤巷道底部沉降量基本為0 值，巷道頂部沉降呈線性上升趨勢，沉降速率為1.31～1.86cm/月，最大沉降量約為19.6～27.9cm。

上層M-1 煤層采空區(qū)及巷道因頂板為軟質(zhì)風化巖，并且埋深淺，深厚比小，很容易沉陷松弛變形，變形范圍和變形值較大，而下部的M-2 煤層采空區(qū)及巷道頂板為厚約6.5m 的硬質(zhì)灰?guī)r，形成有效的支撐頂板，變形相對較小，變形分布規(guī)律為槐扒滑坡的治理提供了一定依據(jù)。

（3）2018 年12 月23 日之后，坡體前緣渡槽破壞位置1#樁頂沉降量為19.1cm，2#樁頂沉降量為28.9cm，數(shù)值計算中，2#樁頂處沉降量為28.3cm，數(shù)值模擬與實際監(jiān)測沉降量一致■