熊 飛，劉新榮,3，冉 喬，李 濱，鐘祖良,3，楊忠平,3，周小涵,3

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 3.庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶)，重慶 400045；4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

在我國(guó)西南地區(qū)巖溶地貌分布廣泛，巖溶作用強(qiáng)烈、降雨集中、河谷深切，常形成高陡斜坡[1]。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用下，山體中形成了控制性深大裂隙結(jié)構(gòu)面[1]。深大裂隙是坡體穩(wěn)定的關(guān)鍵，一方面為采動(dòng)滑坡創(chuàng)造了有利條件，另一方面為地下水的匯集提供了空間，使地下水成為誘發(fā)大型山體崩滑的重要因素[2]。而采動(dòng)和裂隙水聯(lián)合作用下山體的失穩(wěn)破壞機(jī)制更為復(fù)雜。因此，深入研究采動(dòng)和水力作用下含深大裂隙山體的穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞特征顯得尤為重要。

采動(dòng)是導(dǎo)致滑坡的人為因素。地下開(kāi)采形成大面積采空區(qū)，引起上覆巖體移動(dòng)，應(yīng)力條件改變。開(kāi)采擾動(dòng)傳遞至上部坡體，造成坡體變形和破壞[3-5]。典型的采動(dòng)滑坡有武隆雞冠嶺滑坡[6]、武隆雞尾山滑坡[7-8]、湖北鶴峰紅蓮池鐵礦山體崩塌[9]、貴州馬達(dá)嶺滑坡[10-11]等。上述滑坡均是由開(kāi)采擾動(dòng)引起的大型巖質(zhì)滑坡。而巖質(zhì)滑坡中，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)揮重要作用[12-13]。馮振等[14]發(fā)現(xiàn)雞尾山滑坡視向滑動(dòng)的一個(gè)重要原因是軟弱夾層軟化，驅(qū)動(dòng)塊體沿軟弱夾層蠕滑擠壓關(guān)鍵塊體導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。層狀巖質(zhì)邊坡的破壞形式還受到巖層的內(nèi)摩擦角控制[15]。順層滑坡中，層面傾角10°～25°的坡體對(duì)順層巖質(zhì)滑坡貢獻(xiàn)率最高[16]。采動(dòng)作用下巖體結(jié)構(gòu)面最先破壞，其中控制性結(jié)構(gòu)面決定了采動(dòng)滑坡的形成方式[17]。開(kāi)采發(fā)生在巖層陡傾的坡體內(nèi)時(shí)，可使層面發(fā)生分離而降低斜坡的穩(wěn)定性[6]。目前關(guān)于結(jié)構(gòu)面控制型巖質(zhì)滑坡的失穩(wěn)機(jī)制已經(jīng)取得了一定的認(rèn)識(shí)[9]，但是對(duì)于采動(dòng)作用誘發(fā)坡體深大裂隙的擴(kuò)展、貫通導(dǎo)致的坡體失穩(wěn)破壞機(jī)制研究較少，還需進(jìn)一步工作。

另外，水是誘發(fā)滑坡的重要因素之一。研究表明，90%的滑坡與水有關(guān)，并有“十坡九水”之說(shuō)[18]。水的入滲，一方面使巖體質(zhì)量增大，滑體滑動(dòng)力增大；同時(shí)水的潤(rùn)滑、軟化、溶蝕和水-巖相互作用使巖體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低[19-20]。水在巖體結(jié)構(gòu)面中形成的靜水壓力、動(dòng)水壓力改變了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)面受到水的推力、揚(yáng)壓力和劈裂作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而使坡體的穩(wěn)定性劣化[21-22]。關(guān)于水力作用對(duì)巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制已得到了廣泛而深入的研究[23-25]。但是采動(dòng)聯(lián)合水力作用下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞機(jī)制鮮有報(bào)道。在我國(guó)西南山區(qū)，采礦活動(dòng)頻繁，地下水長(zhǎng)期賦存于山體內(nèi)，采動(dòng)和地下水耦合下山體的變形規(guī)律尚不清楚。鑒于此，筆者以貴州普灑“8·28”特大崩滑為研究對(duì)象，基于地質(zhì)調(diào)查資料，利用UDEC離散元數(shù)值軟件，建立含深大裂隙巖溶山體二維模型，模擬地下開(kāi)采和裂隙水滲流過(guò)程，研究采動(dòng)和裂隙水作用下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞特征，揭示采動(dòng)和水力聯(lián)合作用機(jī)制。

1 滑坡基本概況

1.1 基本地質(zhì)條件

2017-08-28貴州省畢節(jié)市普灑村老鷹巖發(fā)生特大崩滑。崩塌區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，坡頂標(biāo)高+2 147 m，坡底標(biāo)高+1 842 m，相對(duì)高差305 m[1,3]。崩塌體位于坡體上部，自然坡度為55°～75°，坡體下部為平緩的坡地，坡度10°～25°，是典型的“靴”型地貌(圖 1)[1,3]。

崩塌區(qū)地層由新到老主要為第四系(Q)，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興—大隆組(P2c+d)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)(表1和圖 2)。山體上部的T1y，P2c+d灰?guī)r、泥灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)強(qiáng)度高，下部的P3l泥巖、粉砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度較低，構(gòu)成上硬下軟工程地質(zhì)特征[1,3]。崩塌區(qū)下部發(fā)育2條斷層：F1和F2，均為逆斷層(圖2)。

圖1 崩塌區(qū)地貌Fig.1 Landform of collapse zone

圖2 普灑崩塌工程地質(zhì)剖面示意[1-3]Fig.2 Engineering geological profile of the Pusa collapse[1-3]

1.2 氣象水文條件

納雍縣地處貴州西北部，多年平均氣溫13.6 ℃，平均降雨1 243.9 mm。暴雨一般集中在5—9月份，特大暴雨出現(xiàn)在6—7月份，月最大降水量520.5 mm，日最大降水量為131.2 mm[26]。

地下水受大氣降水的補(bǔ)給，雨水通過(guò)巖石裂隙、孔隙滲入。地下水的徑流、排泄受巖性、構(gòu)造及地形地貌控制，多沿裂隙、孔隙呈脈狀流及分散流的形式短距離徑流，以下降泉、散流的方式排泄于地表，最終匯入水公河。

區(qū)內(nèi)地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水為主，含水地層單元巖性為灰?guī)r、白云巖?；鶐r裂隙水次之，含水地層單元巖性為砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖等。松散巖類孔隙水主要賦存于殘坡積、沖洪積物的孔隙中。崩塌堆積區(qū)域緩斜坡地段，地表水徑流較豐富[26]。

1.3 巖溶及裂隙發(fā)育特征

老鷹巖上部為可溶灰?guī)r，下部為非可溶砂巖、泥巖。下部弱透水泥巖形成相對(duì)隔水底板，有利于地下水匯集[1,27]。地下水侵蝕、沖蝕著上部可溶灰?guī)r，形成大量的溶蝕管道、裂隙，裂隙擴(kuò)展貫通形成了跨度較大的深大裂隙(圖 3)，對(duì)坡體的穩(wěn)定性有著重要影響。

圖3 山體巖溶裂隙[1]Fig.3 Karst fissure in mountain[1]

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，崩塌后的坡體壁面為米黃色，可見(jiàn)清晰的溶蝕裂隙和管道(圖 4)，說(shuō)明灰?guī)r溶蝕強(qiáng)烈，且溶蝕和裂隙水壓力對(duì)此裂隙的擴(kuò)展有促進(jìn)作用。

圖4 崩塌后坡體壁面Fig.4 Wall of slope after collapse

1.4 采礦活動(dòng)

普灑煤礦礦區(qū)面積0.96 km2，煤層傾角在7°～12°。共6層可采煤層，從上到下分別為M6，M10，M14，M16，M18，M20(圖 2)，平均厚度1.6 m。煤層頂板巖性主要為砂巖類(夾薄層偽頂)和砂質(zhì)泥巖類。煤層直接頂較薄，多屬于不穩(wěn)定巖層，易出現(xiàn)冒頂、掉塊等情況[1,3]。

區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采M10，M14和M16煤層。M10號(hào)煤層厚度0.79～2.95 m，平均2.12 m，直接頂一般為粉砂質(zhì)泥巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖；M14煤層厚度0.77～1.95 m，平均厚度1.23 m，直接頂板一般為粉砂質(zhì)泥巖，直接底一般為淺灰色團(tuán)塊泥巖；M16號(hào)煤層厚度0.76～2.04 m，平均厚度1.48 m，煤層直接頂大多為粉砂巖、細(xì)砂巖，直接底一般為粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖。開(kāi)采煤層屬于薄及中厚煤層。

根據(jù)煤層特點(diǎn)，普灑煤礦采用斜井開(kāi)拓，礦井采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，全部垮塌法管理頂板，回采工藝為炮采，掘進(jìn)工藝為炮掘[1,3]。從2007年到2010年12月，普灑煤礦主要開(kāi)采M16號(hào)煤層，開(kāi)采面積約6.95×104m2。M16采空區(qū)整體位于斜坡前部，對(duì)斜坡變形影響較小[3]。從2013年11月至2017年8月崩塌發(fā)生，普灑煤礦主要開(kāi)采M10和M14煤層，總開(kāi)采面積約18.22×104m2。M10和M14采空區(qū)整體位于坡體正下方，如圖2所示。M10和M14煤層開(kāi)采后山體變形劇烈直至崩塌[3]。

2 坡體變形失穩(wěn)過(guò)程

根據(jù)歷史勘測(cè)資料，崩塌發(fā)生前，崩塌源區(qū)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的變形過(guò)程。從山體開(kāi)始變形到崩塌的發(fā)生，山體的演變過(guò)程可分為2個(gè)階段：沉陷-拉裂變形和山體整體潰屈。

2.1 沉陷-拉裂變形階段

老鷹巖自2006年開(kāi)始變形，2009年山體內(nèi)形成了一條走向?yàn)镹30°～35°E的長(zhǎng)大裂縫，切割出潛在崩塌體[2]。由于開(kāi)采沉陷、降雨和溶蝕作用，至2014年時(shí)山體后緣已發(fā)育數(shù)條裂縫，如圖 5所示[2]。其中，2009年形成的1號(hào)裂縫延伸至180 m左右，寬度達(dá)到34 m。2號(hào)和3號(hào)裂縫位于崩塌體正后方，4號(hào)和5號(hào)裂縫位于崩塌體左后方。在7號(hào)裂縫下部堆積了崩塌堆積物。山體持續(xù)變形，裂隙擴(kuò)展，2016年山體變形加劇，小型崩塌頻繁發(fā)生，山體表面植被已被刮產(chǎn)干凈。2017年坡腳已被崩塌堆積物完全覆蓋(圖 1(a))。此階段一直持續(xù)到崩塌發(fā)生前。

圖5 2014年3月普灑村崩塌源區(qū)后部的裂縫特征[2]Fig.5 Characteristics of cracks in the back of the collapse source area of Pusa Village in March 2014[2]

2.2 山體整體潰屈階段

隨著坡體變形累計(jì)和深大裂隙擴(kuò)展，坡體進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。圖6為右側(cè)視角的坡體潰屈崩滑過(guò)程，對(duì)應(yīng)圖 7的正面視角[2]。首先，在上部坡體重力作用下，坡體中部開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，并伴隨局部崩塌(圖6(a)，7(a))。坡體進(jìn)一步變形，坡體上部巖體沿后壁下座，頂部出現(xiàn)凹陷；坡體中、下部巖體受上部坡體擠壓破碎形成裂縫帶，剪出口產(chǎn)生大量裂縫(圖6(b)，7(b))。最后，坡體下部巖體完全破碎潰屈，無(wú)法承受上部坡體重力，上部坡體鼓出，向坡外傾倒，最終形成傾倒崩滑(圖6(c)，7(c))。

圖6 山體失穩(wěn)過(guò)程(右側(cè)視角，紅色線為滑體形態(tài))[2]Fig.6 Mountain instability process(right perspective,the red lines represent the slip body shape)[2]

圖7 山體失穩(wěn)過(guò)程(正面視角)[2]Fig.7 Mountain instability process(positive perspective)[2]

3 采動(dòng)-裂隙水耦合下含深大裂隙巖溶山體破壞數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 UDEC數(shù)值模擬方案

3.1.1模型和基本參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖(圖2)，建立崩塌前山體二維UDEC數(shù)值模型，如圖 8所示。二維模型節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)一取310°∠7°，并設(shè)置次級(jí)正交節(jié)理。根據(jù)崩塌前后的地質(zhì)資料，在二維模型上設(shè)置4條深大裂隙(圖 8)，以研究采動(dòng)和裂隙水耦合下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞機(jī)制。煤、巖體選用Mohr-Coulomb模型，節(jié)理采用摩爾-庫(kù)倫面接觸滑動(dòng)模型。巖體、層面、節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[3]，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告[26]和工程類比[28-30]取得，見(jiàn)表2，3。約束斜坡模型左、右邊界的水平位移和底邊界的豎直位移，上邊界為自由邊界。

圖8 普灑滑坡二維概化計(jì)算模型Fig.8 Two dimensional generalized calculation model of Pusha

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2煤層開(kāi)采工況

普灑煤礦屬于薄及中厚煤層開(kāi)采。薄層開(kāi)采主要特點(diǎn)為工作面采高低、工作面條件差，煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)薄煤層工作面生產(chǎn)影響大，對(duì)地層影響方面，薄煤層開(kāi)采后“三帶”范圍較小，地表沉陷程度較小[31-33]。

數(shù)值計(jì)算模擬2013—2017年M10和M14號(hào)煤層的開(kāi)采。先開(kāi)采M10煤層，后開(kāi)采M14煤層，順坡開(kāi)采。每個(gè)煤層開(kāi)采長(zhǎng)度均為90 m，開(kāi)挖步距為30 m，則開(kāi)采工況依次為M10-1→M10-2→M10-3→M14-1→M14-2→M14-3，如圖 9所示。開(kāi)挖時(shí)不留設(shè)煤柱，每個(gè)工況開(kāi)采結(jié)束后進(jìn)行應(yīng)力平衡計(jì)算，平衡后進(jìn)行下一工況的開(kāi)挖。

表3 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖9 煤層開(kāi)挖順序Fig.9 Sequence diagram of coal seam excavation

3.1.3裂隙水工況

斜坡所處地區(qū)溶蝕強(qiáng)烈，降雨充沛，深大裂隙內(nèi)水補(bǔ)給主要為降雨。為研究采動(dòng)和裂隙水共同作用下深大裂隙擴(kuò)展規(guī)律，煤層開(kāi)采前，在二維模型4條裂隙內(nèi)設(shè)置了穩(wěn)定水頭，滲流穩(wěn)定后進(jìn)行開(kāi)采模擬。關(guān)于坡體裂隙內(nèi)水頭高度，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)[22,34]和研究區(qū)內(nèi)氣象條件，在模擬中設(shè)置裂隙內(nèi)水頭高度為2/3裂隙高。坡腳及以下的粉砂質(zhì)泥巖透水性弱[1,27]，假定為不透水層，水滲流僅發(fā)生在坡體上部的灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理中(圖8)。坡表和坡體右邊界為透水邊界，泥巖隔水層為隔水邊界(第2類邊界條件)，如圖8所示。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，各層節(jié)理的滲透系數(shù)均取為1×108(MPa·s)-1[35-37]。完整巖塊滲透系數(shù)極小，不透水。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1采動(dòng)作用下山體變形分析

圖10為各個(gè)開(kāi)采工況后的坡體位移云圖，箭頭指示位移方向，箭頭大小代表位移值大小。

由圖10 (a)可知，開(kāi)采M10-1后，對(duì)采空區(qū)上覆巖體影響比較小，位移主要發(fā)生在深大裂隙Ⅱ兩側(cè)的巖橋部位，巖橋向坡內(nèi)傾倒，深大裂隙Ⅱ上部逐漸閉合。開(kāi)采M10-2后(圖 10 (b))，采區(qū)上覆巖層下沉，采動(dòng)引起的位移影響區(qū)域開(kāi)始向上傳遞，坡體除巖橋部分外，整體下沉，而巖橋繼續(xù)向坡內(nèi)傾倒。開(kāi)采M10-3后(圖 10(c))，煤層頂板塌落，頂板最大位移增大至2.32 m。此時(shí)，坡體位移發(fā)生明顯變化：深大裂隙Ⅱ閉合，坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移；坡體中部巖體則傾斜向鄰空面移動(dòng)。坡體后緣位移依然較小，原因是深大裂隙Ⅱ底部擴(kuò)展裂隙，阻斷了位移影響區(qū)向后緣傳遞。此后，隨著M14煤層各工況的開(kāi)采，坡體整體位移趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生較大變化，如圖 10(d)～(f)所示，只是最大位移值逐漸增大，到M14-3開(kāi)采結(jié)束時(shí)，采空區(qū)頂板最大位移達(dá)到3.58 m。

圖10 位移云圖Fig.10 Displacement nephogram

從坡體位移變化來(lái)看，采動(dòng)對(duì)上部坡體變形的影響是一個(gè)不斷調(diào)整的過(guò)程。當(dāng)開(kāi)采到M10-2時(shí)，坡體發(fā)生整體沉陷，被深大裂隙切割的巖橋向坡體后緣傾倒(圖 10 (b))。開(kāi)采到M10-3時(shí)(圖 10 (c))，深大裂隙Ⅱ閉合，坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ下滑，而坡體中部因坡頂巖體下滑受到擠推，同時(shí)坡表鄰空，因此該部分巖體有被鄰空擠出的趨勢(shì)。坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移的同時(shí)，在該裂隙底部產(chǎn)生向右下方擴(kuò)展的裂隙，擴(kuò)展的裂隙阻斷了采動(dòng)位移影響區(qū)向坡體后緣的傳遞，因此坡體后緣逐漸形成了類懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖 10(c)～(f)所示。M10-3開(kāi)采結(jié)束時(shí)，坡體整體位移趨勢(shì)已經(jīng)穩(wěn)定，具備整體滑移條件。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，采空區(qū)逐漸增大，坡體位移進(jìn)一步增大。當(dāng)坡體中部巖體無(wú)法承受來(lái)自坡頂巖體的推力時(shí)，則被鄰空擠出，最終形成崩滑。另外，坡頂巖體是沿深大裂隙Ⅱ向下滑移，原因是該裂隙最長(zhǎng)，是坡體變形的主控裂隙。綜上，采動(dòng)作用下坡體的變形過(guò)程可概括為：坡體沉陷變形—巖橋向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—坡體中部擠出。

坡表測(cè)點(diǎn)的水平位移、垂直位移隨工況的變化曲線如圖11所示。由圖11可知，在開(kāi)采M10-1和M10-2時(shí)，坡表測(cè)點(diǎn)的位移值很小。主要的位移發(fā)生在工況M10-3及之后。由圖 11(a)可看出，坡頂測(cè)點(diǎn)1在采動(dòng)后，位移向正向發(fā)展，并逐漸增大，這說(shuō)明坡體頂部向坡內(nèi)傾倒。坡體中部測(cè)點(diǎn)2和3的水平位移向負(fù)向發(fā)展，并隨著開(kāi)采不斷增加，說(shuō)明中部巖體被鄰空擠出。在工況M10-3之后，底部測(cè)點(diǎn)3的水平位移值始終大于坡體中部測(cè)點(diǎn)2的位移值，說(shuō)明越靠近坡體下部，擠出越明顯。在坡表的垂直位移中，坡頂測(cè)點(diǎn)1和坡體中部測(cè)點(diǎn)2隨著開(kāi)采始終保持下沉趨勢(shì)，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，位移值逐漸增大。在工況M10-3之后，坡頂測(cè)點(diǎn)1的沉降值遠(yuǎn)大于坡體中部測(cè)點(diǎn)2，表明坡體上部巖體下滑嚴(yán)重。測(cè)點(diǎn)3的垂直位移變化與測(cè)點(diǎn)1和2有所不同：開(kāi)采工況到M10-2結(jié)束時(shí)，測(cè)點(diǎn)3保持下沉趨勢(shì)；而當(dāng)M10-3開(kāi)采時(shí)，測(cè)點(diǎn)3位移出現(xiàn)回升，此后在一個(gè)水平保持穩(wěn)定。原因是測(cè)點(diǎn)3靠近坡腳位置(圖8)，坡體中、下部巖體被擠出時(shí)，下部巖體主要發(fā)生水平位移(圖11(a))。下部巖體在水平擠出時(shí)，受到傾向坡內(nèi)的巖層控制，其在擠出時(shí)沿巖層爬升，因此其垂直位移有回升現(xiàn)象。而爬升空間有限，所以回升后，在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖11 坡表測(cè)點(diǎn)位移Fig.11 Displacement of slope surface monitoring points

結(jié)合圖11各測(cè)點(diǎn)的水平位移和垂直位移來(lái)看，開(kāi)采結(jié)束時(shí)，坡頂測(cè)點(diǎn)1的垂直位移值遠(yuǎn)大于其水平位移，說(shuō)明坡體上部主要為沉降變形；坡腳測(cè)點(diǎn)3產(chǎn)生的水平位移值達(dá)到1.68 m，而垂直位移值最大僅為0.13 m，表明坡體下部主要為水平位移，被鄰空擠出。

M10工作面上覆巖層測(cè)點(diǎn)的水平位移和垂直位移隨開(kāi)采工況變化曲線如圖 12所示。由圖12可知，上覆巖層測(cè)點(diǎn)位移在工況M10-3之前變化很小，在該工況之后產(chǎn)生較大變化。坡體頂部測(cè)點(diǎn)4的水平位移向正向發(fā)展，并隨開(kāi)采逐漸增大，同樣說(shuō)明坡體頂部向坡內(nèi)傾倒。測(cè)點(diǎn)5，6和7受坡體擠出位移影響而出現(xiàn)較大的水平位移值。其中測(cè)點(diǎn)6位于坡體中下部，所以位移值大于測(cè)點(diǎn)5和7的位移值。測(cè)點(diǎn)8位于M10采空區(qū)頂板，其發(fā)生的位移主要為垂直位移，因此其水平位移較小。測(cè)點(diǎn)4，5，6，7和8的垂直位移如圖12(b)所示，由圖12(b)可知，測(cè)點(diǎn)位移值隨著開(kāi)采逐漸增大。測(cè)點(diǎn)4，5和6與采空區(qū)高差大，產(chǎn)生的位移值較小且相近。測(cè)點(diǎn)8位于采空區(qū)頂板，因此產(chǎn)生的豎向位移最大，測(cè)點(diǎn)7位移值次之，這符合地下開(kāi)采沉陷中的“三帶”位移分布規(guī)律[3]。

綜合整個(gè)開(kāi)采過(guò)程來(lái)看，開(kāi)采M10-1和M10-2時(shí)，對(duì)坡體產(chǎn)生的影響較?。婚_(kāi)采M10-3時(shí)，坡體位移產(chǎn)生較大突變，說(shuō)明M10煤層的開(kāi)采對(duì)坡體變形影響巨大。

3.2.2采動(dòng)作用下坡體裂隙演化分析

圖 13給出了從裂隙充水到開(kāi)采完成整個(gè)過(guò)程中坡體裂隙演化過(guò)程，紅線代表張開(kāi)的節(jié)理裂隙。由圖13(a)可知，裂隙充水滲流穩(wěn)定后，坡體部分節(jié)理張開(kāi)，張開(kāi)的節(jié)理主要為豎向節(jié)理。這一方面是水壓力作用，另一方面是巖體受壓出現(xiàn)張性破壞導(dǎo)致。破壞的節(jié)理較為均勻的分布于坡體內(nèi)。開(kāi)采后，坡體裂隙首先出現(xiàn)在煤層上覆巖體中(圖13(b))。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，采動(dòng)裂隙寬度和高度增加，如圖13(c)所示。此時(shí)，上覆巖體出現(xiàn)離層現(xiàn)象，采動(dòng)裂隙向上發(fā)育與坡體原有裂隙接觸，同時(shí)開(kāi)采沉陷導(dǎo)致坡體產(chǎn)生新裂隙，坡體新生裂隙區(qū)域?yàn)樗睿c采動(dòng)裂隙區(qū)域形成雙塔疊置形態(tài)。工況M10-3結(jié)束時(shí)(圖13(d))，大范圍開(kāi)采沉陷引起坡體前部裂隙極其發(fā)育，坡體內(nèi)塔狀裂隙區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展，寬度和高度增加，與深大裂隙Ⅰ，Ⅱ及坡表接觸。坡腳在上部坡體擠壓下破壞也出現(xiàn)新裂隙，深大裂隙Ⅲ和Ⅳ底部也開(kāi)始擴(kuò)展。此時(shí)，坡體中下部巖體已較為破碎。此后，隨著M14煤層開(kāi)采，坡體裂隙增加較少(圖13(f)～(g))，原因是M14煤層埋深較深，開(kāi)采高度較小，對(duì)坡體的擾動(dòng)較小。坡體主要的破壞是M10煤層開(kāi)采引起，M14煤層開(kāi)采后主要使坡體變形增大，前期裂隙開(kāi)度增大。從開(kāi)采過(guò)程中坡體破壞程度看，開(kāi)采對(duì)坡體的擾動(dòng)強(qiáng)度先增加后減小。

圖12 M10工作面上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.12 Displacement of monitoring point of overburden in M10 working face

圖13 坡體裂隙發(fā)育示意(紅色線代表張開(kāi)的節(jié)理)Fig.13 Diagram of fracture development in the slope(The red lines represent open joints)

坡體上部裂隙發(fā)育特征如圖 14所示。M10-2開(kāi)采結(jié)束時(shí)(圖14(a))，由于巖橋1向坡體后緣傾倒產(chǎn)生拉應(yīng)力，裂隙I底部先開(kāi)始擴(kuò)展，并向著深大裂隙Ⅱ貫通。傾倒的巖橋1塌落在深大裂隙Ⅱ的壁面上，裂隙Ⅱ頂部閉合。塌落的巖橋1使巖橋2變形劇烈，在巖橋2的中部位置產(chǎn)生張拉開(kāi)裂，開(kāi)裂裂紋向著深大裂隙Ⅲ底部擴(kuò)展。工況M10-3結(jié)束時(shí)(圖 14(b))，采動(dòng)對(duì)坡體造成嚴(yán)重破壞，深大裂隙Ⅱ開(kāi)始擴(kuò)展，擴(kuò)展方向?yàn)橛蚁路健U(kuò)展的裂隙阻斷了采動(dòng)位移影響區(qū)向坡體后緣傳遞，如圖 10所示。同時(shí)，在坡體中部位置產(chǎn)生2條潛在滑面，潛在滑面的延伸方向?yàn)樯畲罅严盯?，Ⅱ底部，這是由于上部坡體沿深大裂隙Ⅱ下滑所致。當(dāng)開(kāi)采14-2時(shí)，坡體沿潛在滑面滑動(dòng)，位移增大，中部坡表巖體被剪出，節(jié)理發(fā)生錯(cuò)動(dòng)(圖14(c))。當(dāng)M14-3開(kāi)采結(jié)束時(shí)，采動(dòng)影響下坡體位移進(jìn)一步增大，已擴(kuò)展的裂隙長(zhǎng)度和寬度均有所增加。潛在滑面1和2均進(jìn)一步發(fā)育。深大裂隙IV底部開(kāi)始擴(kuò)展、發(fā)育裂隙，但裂隙發(fā)育程度較小。

從坡體上部裂隙發(fā)育的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，深大裂隙Ⅱ決定著坡體的破裂演化形式。前期采動(dòng)作用使坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移，擠推中、下部坡體，在坡體中部形成了潛在滑面，潛在滑面向深大裂隙Ⅱ底部擴(kuò)展。同時(shí)，開(kāi)采沉陷導(dǎo)致深大裂隙Ⅱ向右下方擴(kuò)展，阻斷了采動(dòng)位移影響區(qū)向后緣傳遞，導(dǎo)致靠后的深大裂隙Ⅲ和Ⅳ在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中活動(dòng)不明顯。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，坡體位移增大，形成的潛在滑面向著深大裂隙Ⅱ擴(kuò)展，當(dāng)滑面完全貫通時(shí)，造成坡體的整體失穩(wěn)破壞。以上說(shuō)明深大裂隙Ⅱ是坡體變形和破壞的主控裂隙。

圖14 山體上部裂隙發(fā)育示意Fig.14 Schematic diagram of fissure development in upper part of mountain

3.2.3坡體滲流特征分析

開(kāi)采過(guò)程中，坡體的滲流速度矢量圖如圖15所示。由圖15(a)可知，深大裂隙充水后，水向坡外和坡內(nèi)流動(dòng)。深大裂隙附近滲流速度較大，而坡體其他部位節(jié)理內(nèi)滲流速度均勻變化。隔水層上方中心位置流速最小，沿坡外、坡內(nèi)和上方，流速增大。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，坡體滲流速度開(kāi)始變得不均勻(圖15(b)～(c))。當(dāng)M10-3開(kāi)采結(jié)束時(shí)(圖15(d))，潛在滑面和裂隙擴(kuò)展區(qū)域的滲流速度顯著增大，這是因?yàn)榱严堕_(kāi)裂，隙寬增加。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，滲流速度較大的區(qū)域變化不大(圖15(e)～(f))。滲流速度最大值隨開(kāi)采有所增加，這是因?yàn)槠麦w位移增大，裂隙寬度增加。

坡體節(jié)理內(nèi)孔隙水壓力隨開(kāi)采過(guò)程變化如圖 16所示。裂隙充水后，孔隙水壓力最大處位于泥巖隔水層上方中心位置，最大孔隙水壓力為0.81 MPa(圖 16(a))。工況M14-2結(jié)束時(shí)，最大孔隙水壓力增加至0.97 MPa。這是因?yàn)殚_(kāi)采后，坡體裂隙發(fā)育，裂隙開(kāi)度增加，坡體滲流增強(qiáng)，導(dǎo)致隔水層上方最大孔隙水壓力增大。當(dāng)M14-3開(kāi)采結(jié)束時(shí)，坡體最大孔隙水壓力為0.94 MPa，略微減小，原因是隨著開(kāi)采的進(jìn)行，坡體變形增大，部分開(kāi)裂的裂隙被壓密，滲流相對(duì)減弱。

圖15 坡體滲流方向Fig.15 Seepage vector in slope

圖16 孔隙水壓力Fig.16 Pore water pressure

3.3 采動(dòng)和裂隙水作用下含深大裂隙巖溶山體失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

3.3.1采動(dòng)作用

納雍普灑崩滑災(zāi)害的形成與演化是內(nèi)因與外因共同作用的結(jié)果。開(kāi)采沉陷、溶蝕和裂隙水作用在山體中形成了4條深大裂隙，其中延伸最長(zhǎng)的裂隙Ⅱ?qū)ι襟w的穩(wěn)定性起到了控制性作用，為主裂隙。采動(dòng)是崩滑的主要因素。結(jié)合前文分析，采動(dòng)作用下坡體的演化過(guò)程主要分為2個(gè)階段：變形階段和破壞階段，如圖 17所示。

(1)變形階段。采動(dòng)初期，上覆巖層下沉，坡體主要發(fā)生沉陷變形。同時(shí)，坡頂和被裂隙切割的巖橋向坡內(nèi)傾倒，使主裂隙閉合，如圖 17(a)所示。

(2)破壞階段。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，采動(dòng)位移影響區(qū)增大，坡體位移趨勢(shì)發(fā)生變化。坡體上部巖體沿閉合的主裂隙向下滑移，擠推坡體中部巖體，坡體中部鄰空而被擠出，并被擠壓破碎，在坡體內(nèi)形成了潛在滑移破裂面。同時(shí)，開(kāi)采沉陷導(dǎo)致深大裂隙Ⅱ開(kāi)裂擴(kuò)展，擴(kuò)展方向?yàn)橛蚁?，使坡體后緣形成類懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖 17(b))。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，坡體中下部巖體進(jìn)一步破碎，潛在滑面擴(kuò)展，并與深大裂隙Ⅱ底部貫通，導(dǎo)致坡體崩滑。

總結(jié)上述過(guò)程，采動(dòng)下坡體的整體失穩(wěn)過(guò)程可概括為：坡體沉陷變形—坡頂向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—主裂隙開(kāi)裂—坡體中部擠出—中、下部巖體破碎—潛在滑面貫通—崩滑形成。變形和破壞過(guò)程與第3節(jié)分析較為吻合。

圖17 采動(dòng)作用下坡體變形破壞示意Fig.17 Schematic diagram of deformation and failure of slope under mining

3.3.2裂隙水作用

水通過(guò)在坡體節(jié)理裂隙內(nèi)產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力使裂隙開(kāi)裂、巖體變形而影響坡體的穩(wěn)定性。深大裂隙充水后，裂隙壁受到水的推力作用，同時(shí)水沿巖層、節(jié)理流動(dòng)，產(chǎn)生的孔隙水壓力作用于塊體上使坡體變形增大。在坡體破壞時(shí)，水流在新產(chǎn)生的裂隙內(nèi)流動(dòng)形成的水壓力加劇裂隙的擴(kuò)展和貫通，促進(jìn)了坡體失穩(wěn)。為分析裂隙水及其滲流對(duì)采動(dòng)坡體的作用規(guī)律，對(duì)無(wú)裂隙水條件下的山體進(jìn)行了開(kāi)采模擬，其他參數(shù)和工況與含裂隙水條件完全相同。模擬結(jié)果顯示，無(wú)裂隙水條件下坡體的變形破壞特征與含裂隙水條件類似，見(jiàn)3.3.1節(jié)。主要區(qū)別是坡體變形量值不同。崩滑是以滑體產(chǎn)生較大的垂直位移為災(zāi)害基本特征，因此以坡頂測(cè)點(diǎn)1的垂直位移為指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)比分析水力作用。

圖 18給出了坡頂測(cè)點(diǎn)1在無(wú)裂隙水條件和含裂隙水條件下的垂直位移隨開(kāi)采工況變化。由于2種條件下各開(kāi)采工況計(jì)算步不同，因此主要對(duì)比各工況節(jié)點(diǎn)的位移差值。由圖18可知，無(wú)裂隙水條件下坡頂測(cè)點(diǎn)1的垂直位移與含有裂隙水條件下的變化規(guī)律相同。隨開(kāi)采工況的進(jìn)行，位移值逐漸增大，且在開(kāi)采M10-3時(shí)位移突變。不同之處在于含裂隙水條件下測(cè)點(diǎn)1的垂直位移值大于無(wú)裂隙水條件。圖 18中也給出了2種條件下各開(kāi)采工況節(jié)點(diǎn)的位移差值曲線(藍(lán)色點(diǎn)線)。由圖18可知，在M10-3工況之前，2者差值較小，在0.028 m以內(nèi)。在工況M10-3時(shí)，差值陡增，增加至0.28 m，說(shuō)明此階段水力導(dǎo)致坡體變形作用發(fā)揮明顯。原因是此階段坡體受采動(dòng)影響發(fā)生了劇烈的裂隙擴(kuò)展，水力在此階段加劇了坡體的開(kāi)裂和變形，導(dǎo)致位移差值驟增。此后，位移差值變化較小，是因?yàn)槠麦w在M10-3工況時(shí)已發(fā)生主要破壞，后續(xù)工況坡體巖體進(jìn)一步破壞的程度較小，水力對(duì)坡體變形的促進(jìn)作用減弱，導(dǎo)致位移差值變化較小。

圖18 無(wú)裂隙水和含裂隙水條件下測(cè)點(diǎn)1的 垂直位移及2者差值隨開(kāi)采工況變化Fig.18 Variations in vertical displacement of measuring point 1 under the conditions of non-water and fissure water,and the variation in the difference between two conditions with the mining process

將各開(kāi)采工況節(jié)點(diǎn)的位移差值與相應(yīng)開(kāi)采工況節(jié)點(diǎn)無(wú)裂隙水條件下的位移絕對(duì)值的比值定義為位移差值百分比。位移差值百分比隨開(kāi)采工況變化曲線如圖 19所示。在開(kāi)采前，坡體裂隙內(nèi)施加穩(wěn)定水頭后，坡頂測(cè)點(diǎn)1產(chǎn)生了微小的垂直位移，位移為-1.57 mm，而無(wú)裂隙水時(shí)該測(cè)點(diǎn)的垂直位移極小，為-0.9 mm，此時(shí)位移差值百分比較大，為75%左右，說(shuō)明此時(shí)裂隙水對(duì)坡體變形的影響占主導(dǎo)地位，但并未對(duì)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。當(dāng)M10-1開(kāi)采后，位移差值百分比驟降，這是因?yàn)殚_(kāi)采后采動(dòng)對(duì)坡體變形的影響開(kāi)始占主導(dǎo)地位。M10-1開(kāi)采結(jié)束后，位移差值百分比降至20%。此后，隨著開(kāi)采的繼續(xù)進(jìn)行，位移差值百分比先增加后減小。在工況M10-3和M14-1期間保持在較高水平，在36.80%～39.42%。在工況M14-2和M14-3期間，位移差值百分比下降，最終回落至23.94%。從3.2.2節(jié)得知，開(kāi)采對(duì)坡體的擾動(dòng)強(qiáng)度先增加后減小。工況M10-3階段，坡體受采動(dòng)影響產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，裂隙大量發(fā)育，并引起上部原有裂隙擴(kuò)展和貫通，開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)烈。在此過(guò)程中，水力作用發(fā)揮明顯，加劇了坡體變形和破壞，因此導(dǎo)致位移差值百分比較大。當(dāng)開(kāi)采M14-1時(shí)，一方面坡體進(jìn)一步破壞，但破壞程度有限，另一方面前一工況坡體破壞后的應(yīng)力和變形在此階段調(diào)整，導(dǎo)致此階段水力作用依然顯著，因此位移差值百分比依然在較高水平。此后，隨著繼續(xù)開(kāi)采(工況M14-2和M14-3)，坡體進(jìn)一步破壞和變形的程度較小，開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)度也相對(duì)減小，因此水力作用的發(fā)揮程度降低，導(dǎo)致位移差值百分比減小。由此，可得出，采動(dòng)是引起坡體變形和失穩(wěn)的主要因素。開(kāi)采后，當(dāng)坡體受到強(qiáng)烈擾動(dòng)發(fā)生嚴(yán)重破壞時(shí)，水力促進(jìn)坡體變形的作用會(huì)顯著提高；而采動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)度較低時(shí)，這種水力作用也有所減弱。換句話說(shuō)，開(kāi)采擾動(dòng)越劇烈，水力導(dǎo)致坡體變形的作用越顯著，反之，則水力作用越弱。

圖19 測(cè)點(diǎn)1的位移差值百分比(位移差值/無(wú)裂隙 水條件下位移值)隨開(kāi)采工況變化曲線Fig.19 Change curve of displacement difference percentage(displacement difference/displacement value under the condition of non-water) of measuring point 1 with mining process

4 結(jié) 論

(1) 采動(dòng)對(duì)巖溶山體的穩(wěn)定性起著重要作用，主要表現(xiàn)在采動(dòng)裂隙發(fā)育、誘發(fā)原有裂隙擴(kuò)展貫通和坡體的整體變形。采動(dòng)對(duì)坡體變形的影響是一個(gè)隨開(kāi)采不斷調(diào)整的過(guò)程，隨著開(kāi)采進(jìn)行，坡體變形由坡體整體下沉轉(zhuǎn)變?yōu)槠麦w中部鄰空擠出。

(2) 巖溶山體的深大裂隙對(duì)坡體的變形和破壞起到了控制作用，其中延伸最長(zhǎng)的主裂隙決定了坡體的破裂演化形式。坡體破壞時(shí)，坡頂巖體沿主裂隙滑移，擠推中、下部坡體，在中、下部坡體內(nèi)形成潛在滑面，潛在滑面向主裂隙底部擴(kuò)展并貫通，為整體崩滑提供了條件。

(3) 采動(dòng)作用下含深大裂隙巖溶山體的整體失穩(wěn)破壞過(guò)程為：坡體沉陷變形—坡頂向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—主裂隙開(kāi)裂—坡體中部擠出—中、下部巖體破碎—潛在滑面貫通—崩滑形成。

(4) 開(kāi)采前，裂隙水是引起坡體變形的主要因素，但對(duì)坡體穩(wěn)定性影響不大。開(kāi)采后，采動(dòng)對(duì)坡體的變形起主導(dǎo)作用，水力對(duì)坡體變形和破壞的貢獻(xiàn)取決于開(kāi)采階段。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，開(kāi)采對(duì)坡體的擾動(dòng)強(qiáng)度先增加后減小，水力促進(jìn)坡體變形的作用也先增加后減小。開(kāi)采擾動(dòng)越強(qiáng)烈，水力作用越顯著，反之水力作用越弱。