重复采动下陡岩变形破坏特征分析

唐建新，李 伟，张择靖，杜维毅，郑英建

（1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044；3.川煤集团 叙永一矿煤业有限公司，四川 泸州 646400）

国内外学者采用现场实测[1-2]、理论分析[3-4]、数值模拟[5-6]和相似材料模拟试验[7-8]等方法对矿山开采沉陷进行了大量研究并取得了丰硕成果，但针对山区地表的开采沉陷研究还不够，特别是对地下采煤诱发山区地质灾害的机理研究不足。因山区与平原的地貌特征相差太大，很多在平原地区得到的开采沉陷理论将不适用于山区[9-11]。数值模拟与现场勘测相比，可进行多种开采方案的对比研究且具有一定的预测性，能节约大量的人力物力，更可以全面直观的反应地表的破坏情况[12-14]。孙敬辉等[15]、宋波[16]、宋子贺等[17]采用了Rockfall 软件模拟出崩塌危岩的运动轨迹，并根据模拟结果提出相应的防治措施；Jia 等[18]通过理论力学与数值模拟方法确定了某金属矿塌陷区域，并提出了加固方案；梁少岗等[19]用现场实测和概率积分法，分析了韩城矿区山区地表移动规律；Wang 等[20]利用现场调查、现场监测和实验室测试分析了三峡库区建川洞危险岩体的变形和故障模式；Marschalko M 等[21]在研究山区沉陷的过程中，通过观察观测点的变化情况来得到山区地表的移动变形情况；蓝航等[21]采用FLAC3D数值模拟软件对山区含水风积沙地表采动沉陷规律预计进行了研究，得到了该地区的采动沉陷规律；杜强等[23]综合利用AutoCAD、surfer、rhino3D、ANSYS、FLAC3D进行山区煤矿开采模型模拟，提高了模拟结果的可信度；崔剑锋[24]采用数值分析，揭示了地下开采会使得地表斜坡原有的裂缝扩大发展和坡体失稳破坏的过程及机理。以上研究不足的是大多基于单次采动造成的影响，而对矿山地质灾害演化过程中的微地貌特征、岩体结构、地面潜在致灾地质体的变形破坏与井下采掘空间发展的时空关系少有研究。基于此，针对含软弱夹层的顺层陡岩受地下重复采煤的影响，采用离散元数值软件UDEC 模拟陡岩下方缓斜近距离薄煤层群区段上行开采，分析陡岩的应力变化、采动裂隙扩展、陡岩基底岩层和坡顶面的位移变化、陡岩的破坏形式及可能产生的失稳模式。

1 地质及工程背景概述

在西南山区较为常见的陡岩多为石灰岩山体夹薄层泥岩[25]，根据西南矿区常见的地层分布以及地貌特征，模拟的地质条件为陡岩内岩层临空外倾、倾角25°，陡岩坡面直立与岩层走向相同，陡岩坡高89 m、坡顶面基岩裸露，坡肩往内17 m 左右位置，有1条深度约15 m 的裂缝。距坡顶面20 m 处和陡岩基底处分别有厚度为1 m 和2 m 的泥岩，其余坡体为灰岩。陡岩下方有3 层可采煤层，从上到下分别为上煤层、中煤层和下煤层，相邻煤层平均层间距均为5 m，层间岩层为砂质泥岩，各煤层平均厚度均为1 m。从上煤层到陡岩基底的垂直距离为150 m，到陡岩坡顶垂直距离为239 m。煤（岩）层综合柱状图如图1。

图1 综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram

采矿方法为走向长壁采煤法，全部垮落法处理采空区。不同煤层采用下行式开采，即同一采区首先开采上煤层，然后开采中煤层，最后开采下煤层；为解决水害，同一煤层采用上行开采，上下开采边界距离模型左右两侧100 m。下开采边界在陡岩外距坡面水平距离255 m，上开采边界在陡岩内距坡面水平距离145 m。陡岩倾斜剖面图如图2。

图2 陡岩倾斜剖面图Fig.2 Inclined section of steep rock

2 顺层岩质陡岩变形破坏数值模拟结果

2.1 模型建立

本研究采用Itasca 公司推出的离散元软件UDEC6.0 进行数值模拟，根据矿井的实际条件建成水平全长600 m，最大高度为500 m，最小高度为155 m，陡岩高为89 m 的模型。为了消除模型边界对开挖的影响在模型左右边界各留100 m 边界煤柱。模型的左右两侧设置位移边界条件，限制水平位移；底部为固定边界，模型的上部为地表自由面。

计算采用的模型为摩尔-库伦塑性模型，节理面接触库伦滑移模型。根据前人的研究成果岩层物理力学参数取值以及各岩层的节理物理力学参数见表1 和表2[26]。

表1 岩层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

表2 岩层节理物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock joints

由图2 可知，在上层煤上方150 m 处的基底岩层布置1 条测线，同时在陡岩表面布置6 个测点以分析陡岩的稳定性。

2.2 基底岩层位移与应力模拟结果

2.2.1 基底岩层应力

煤层开采后，基底岩层下沉值直接影响陡岩的稳定性，因此，基底岩层的应力与位移对陡岩的稳定性分析具有重要意义。基底岩层在煤层开采过程中受到的垂直应力如图3。由图3 可知，开采不同煤层过程中，基底岩层的垂直应力的整体分布趋势相似，呈波状起伏变化且各曲线的应力值相差不大。模型左边界受边界影响垂直应力最大随后开始逐渐减小，在100 m 和200 m 附近垂直应力达到最大值，在高陡边坡的坡脚以外垂直应力急剧减小。

图3 基底岩层垂直应力曲线Fig.3 vertical stress curves of basement strata

基底岩层的剪应力变化如图4。各个煤层开采后，基底岩层的剪应力曲线变化趋势相同且相差不大，在0～75 m 的范围内，在坐标轴正负之间波动较小，在75 m 以外剪应力波动较大，在150 m 和200 m 附近剪应力最大但方向相反，在陡岩坡脚以外剪应力迅速减小。

图4 基底岩层剪应力曲线Fig.4 Shear stress curves of basement rock stratum

2.2.2 基底岩层位移

基底岩层的下沉量曲线如图5。由图5 可知，在开采不同煤层时，基底岩层的下沉量曲线均呈现一致的走势，即由平缓到下沉最后再趋于平缓的过程，岩层层面整体呈现出“平稳—下沉—平稳”的反“S”形变化。在基底0～50 m 的范围内，坡体上部距离工作面较远，受采动的影响比较小，基底岩层的下沉量较小。在50 m 的位置处，下沉量曲线开始呈现出非线性增加，基底受到了地下采动的影响产生变形，并且在240 m 坡脚处下沉值达到最大后趋于稳定，在达到稳定状态的下沉值分别是0.8、2.1、3.2 m。煤层的倾角为25°，3 个煤层在法线方向的总厚度为3 m，在垂直方向的总厚度为3.3 m。在陡岩坡脚处基底岩层除产生垂直位移外还有向外的水平位移，因此使得该处的垂直位移增大，导致了各煤层开采后，最终下沉值接近甚至超过累计采高，煤层的重复采动会加剧地表的下沉量。

图5 基底岩层下沉曲线Fig.5 Subsidence curves of numerical simulation basement strata

基底岩层的水平位移曲线如图6。开采不同煤层过程中，基底岩层的水平位移曲线均出现“增大—减小—平缓”的整体趋势，并且变化的范围一致。在50 m 处，中层煤与下层煤开采后水平位移开始急剧增大，在100 m 附近，开采各煤层的水平位移达到最大值，随后开始减小，在200 m 处水平位移最小，之后位移逐渐回升，在240 m 陡岩坡脚以外趋于稳定。基底岩层水平位移值的增大与煤层累计采高的增大呈现正相关关系。

图6 数值模拟基底岩层水平位移曲线Fig.6 Horizontal displacement curves of numerical simulation basement strata

2.3 陡岩变形破坏过程

2.3.1 裂缝发展及陡岩稳定性

UDEC 可以模拟出裂缝的发展情况，上层煤开采后模型的破坏图如图7。当上层煤开采完成后，原陡岩坡肩附近深度为15 m 的卸荷和风化裂缝因采动影响继续往下延伸与下方软弱夹层贯通，在坡肩形成危岩体。后期地表水沿裂缝进入到软弱夹层，在水的作用下软弱夹层软化且抗剪强度降低，危岩体沿软弱夹层下滑，当危岩体重心超出陡岩临空支承面时，危岩发生翻转坠落，产生危岩崩塌。

图7 上层煤开采后模型的破坏图Fig.7 Failure diagram of model after upper coal mining

中层煤和下层煤开采后模型的最终破坏图如图8。由图8 可知，当中层煤、下层煤都开采完成后，除原来的裂缝Ⅰ继续往下延伸外，还平行的产生了裂缝Ⅱ、裂缝Ⅲ和裂缝Ⅳ，这几条大的裂缝基本上达到或接近陡岩的基底岩层，形成了较大范围的山体断裂，后期在地震、暴雨等各种自然力的作用下有可能发生山体垮塌。

图8 中层煤和下层煤开采后模型最终破坏图Fig.8 Final failure diagram of model after mining of middle coal and lower coal

2.3.2 陡岩坡顶位移

通过分析坡顶各监测点的位移变化情况来确定陡岩的稳定性，坡顶各监测点CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 竖直位移时程曲线如图9。上层煤开采过程中，开挖完区段1 和区段2 后，采空区与地表陡岩的坡脚相距较远，陡岩上各点的竖直位移变化均很小；随着工作面继续推进，各点的竖直位移逐渐增大，当上层煤采完后，测点1 的下沉量为1.03 m，测点2 的下沉量为0.95 m，测点3 的下沉量为0.93 m，测点4 的下沉量为0.78 m，测点5 的竖直位移为0.57 m，测点6 的竖直位移为0.50 m；测点均出现下沉，测点1～测点4 的曲线下沉幅度较大，测点5、测点6 的下沉幅度较小。这是因为测点1～测点4 处于坡肩裂隙附近，受采动的影响，该裂隙进一步拉裂，导致裂隙附近的岩体出现明显的下沉。

图9 陡岩监测点y 方向位移时程曲线图Fig.9 Displacement time history curves in y direction of steep rock monitoring point

在开采中层煤区段1～区段3 过程中，陡岩上各测点均按原下沉曲线斜率产生沉降，开采最后100 m 时，测点1～测点3 的下沉量剧增，测点4～测点6基本按原下沉曲线斜率产生沉降。中层煤开采完成后，测点1～测点6 的下沉量为1.9、1.7、1.6、1.3、0.8、0.7 m。对比上一阶段发现，测点1 下沉量的增加最大，增加了0.9 m，增加值接近采高，陡岩临空面附近的岩体受采动影响最大。

在开采下层煤区段1～区段3 过程中，陡岩上各测点均仍按原下沉曲线斜率产生沉降，开采下煤层区段4 时，由于重复开采，采空区范围达到最大，这个阶段陡岩上各测点的竖直位移有明显的增大，特别是测点1 的下沉量明显大于其他各点，说明裂缝外的危岩体有明显的向外倾斜的现象。

陡岩监测点CD-1、CD-2、CD-3、CD-4、CD-5、CD-6 水平方向位移时程曲线如图10。陡岩坡顶各点的水平位移有2 个规律：①重复采动过程中，随着采空区范围的增加，坡顶各点的水平位移明显增大；②以坡顶裂缝为界，在裂缝以外的测点1、测点2 的移动速度明显高于其他各点。说明裂缝外坡肩处的岩体明显的脱离了裂缝后方的母体。最终测点1、测点2 的水平位移分别为4.2 m 和3.89 m，已经大于煤层的累积开采厚度，测点3～测点6 的水平位移分别为1.71、1.49、1.29、0.93 m。说明危岩体已经形成并产生了明显的向外的移动。

图10 陡岩监测点x 方向位移时程曲线图Fig.10 Time history curves of displacement in x direction of steep rock monitoring points

3 结 论

1）在重复采动过程中，开采不同煤层时，基底岩层的下沉曲线、水平位移曲线、垂直应力曲线以及剪应力曲线的变化趋势基本相同；重复采动使得基底岩层在垂直和水平方向的位移增大。

2）上层煤开采后，坡肩处裂隙向下延伸贯穿软弱夹层，在坡肩形成危岩体，这是危岩崩塌的前提条件。中、下层煤继续开采后陡岩裂缝进一步向下延伸，当裂缝接近或达到基底岩层时形成山体断裂，这是山体垮塌的前提条件。

3）随着各煤层回采区段进入陡岩内部后，在基底岩层下沉和陂肩裂缝扩展的共同作用下，裂缝以外靠临空面的测点的水平位移比裂缝以内的其他测点明显增大，危岩体有向陡岩临空面移动的趋势。