田延哲

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)位于中國(guó)地勢(shì)第一階梯與第二階梯過渡地帶，受新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，使得該地區(qū)成為我國(guó)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)[1-2]。該區(qū)發(fā)育著大量“上硬下軟”巖質(zhì)邊坡，其中上覆巖體以灰?guī)r、白云巖等硬質(zhì)巖為主，下伏地層巖性主要為泥巖、煤層等軟質(zhì)巖。西南地區(qū)煤炭資源開采具有開采層數(shù)多，開采時(shí)間長(zhǎng)、重復(fù)開采擾動(dòng)強(qiáng)度大和影響范圍廣等特點(diǎn)[3-4]，多煤層聯(lián)合下行開采過程中，各煤層間采動(dòng)存在應(yīng)力疊加影響區(qū)[5]，上層煤開采引起采區(qū)巖層應(yīng)力重分布，影響下煤層應(yīng)力的分布形態(tài)，應(yīng)力場(chǎng)活化現(xiàn)象明顯，造成多煤層開采造成的采空區(qū)巖層移動(dòng)變形破壞現(xiàn)象更加嚴(yán)重[6]，這決定了西南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境退化具有明顯的“累積”特征[7-8]。煤層多次重復(fù)采動(dòng)引發(fā)地表發(fā)生大范圍的沉降，進(jìn)而誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成了極為重大人員傷亡損失，引發(fā)社會(huì)的高度關(guān)注，如貴州開陽磷礦崩塌[9]、納雍縣佐家營(yíng)崩塌[10]、畢節(jié)市大方縣德興煤礦崩塌[11-12]、遵義市大千巖崩塌[13]、威寧縣下藤橋崩塌[14]等。

總結(jié)已有學(xué)者的研究成果，多煤層重復(fù)采動(dòng)呈現(xiàn)出的覆巖移動(dòng)特征不同于單一煤層開采影響[15-16]，山體下開采沉陷同時(shí)受邊坡效應(yīng)引起的滑移位移矢量與地下采動(dòng)引起的采動(dòng)位移矢量疊加影響[17-18]，重復(fù)采動(dòng)引起的附加水平移動(dòng)、水平變形會(huì)導(dǎo)致山體變形活動(dòng)更復(fù)雜[19]，現(xiàn)有研究大都突出地下采礦作用，未考慮坡體結(jié)構(gòu)特征，因此考慮坡體結(jié)構(gòu)開展高陡地形條件下多煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響的累計(jì)效應(yīng)分析對(duì)于西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本研究以貴州盤江地區(qū)發(fā)耳煤礦五采區(qū)地質(zhì)條件和采礦條件為依據(jù)，針對(duì)多煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響問題，采用節(jié)理裂隙調(diào)查、數(shù)值模擬等方法，首先根據(jù)組成坡體的巖性、節(jié)理裂隙特征、結(jié)構(gòu)面形狀及其充填物特征分析了坡體的結(jié)構(gòu)特征，基于離散元法探討多煤層重復(fù)開采過程中塑性分布、巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展、水平位移場(chǎng)和縱向位移場(chǎng)的變化規(guī)律，分析了多煤層重復(fù)開采沉陷對(duì)礦區(qū)環(huán)境的累積影響

1 工程概況

1.1 地形地貌

發(fā)耳煤礦2007年對(duì)一、三盤區(qū)進(jìn)行開采，開采過程中坡體產(chǎn)生大量采動(dòng)裂隙，上覆坡體發(fā)生剝落、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)礦區(qū)周邊村民生產(chǎn)生活造成威脅(圖1)。根據(jù)礦區(qū)規(guī)劃，擬開發(fā)五采區(qū)作為三盤區(qū)接替盤區(qū)。五采區(qū)位于灣河兩側(cè)，灣河北側(cè)山高坡陡，自河床至一井區(qū)五采區(qū)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r頂部最大高差為800m。隨著一井區(qū)五采區(qū)灣河北側(cè)山體下二疊系龍?zhí)督M煤層開采，上覆坡體內(nèi)部發(fā)生不連續(xù)的變形，尤其當(dāng)多煤層重復(fù)采動(dòng)時(shí)，大面積的采空區(qū)可能誘發(fā)和加劇地面塌陷和裂縫，不連續(xù)變形愈演愈烈，當(dāng)超過巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，坡體會(huì)發(fā)生垮塌破壞，垮塌巖體在重力作用下容易發(fā)生滾石災(zāi)害，影響山體下河流、道路安全。

圖1 發(fā)耳煤礦一、三采區(qū)開采后坡體破壞Figure 1 Slope damage after mining in No.1 and No.3 mining area of Fa’er Coal Mine

1.2 地質(zhì)條件

發(fā)耳煤礦五采區(qū)位于貴州高原西部，最大高差800m。地層走向N55°～60°E，傾向北西，傾角8°～28°，為平緩的單斜構(gòu)造。

地層主要有上二疊統(tǒng)玄武巖組、龍?zhí)督M、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組及第四系。坡積層及崩積層多分布在同向坡、溝谷及斜坡平臺(tái)上，坡體上部出露的地層為陡坡-反傾的永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r，坡體近于直立，下部為緩坡-反傾的飛仙關(guān)組泥砂巖，構(gòu)成西南地區(qū)典型的“上硬下軟”型二元坡體結(jié)構(gòu)。

1.3 采礦條件

發(fā)耳煤礦五采區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t/a。開采煤層為二疊系龍?zhí)督M1煤、3煤、5煤、7煤，煤層厚度0.88～3.61m，層間距5～35m，埋深120～1 250m，傾向長(zhǎng)壁采煤法，工作面長(zhǎng)度180m，年推進(jìn)長(zhǎng)度1 500～2 200m，全部垮落法管理頂板。相關(guān)煤層特征見表1。

表1 五采區(qū)可采煤層特征

1.4 采礦設(shè)計(jì)方案

發(fā)耳煤礦五采區(qū)分為五上采區(qū)和五下采區(qū)，采用下山開采。按設(shè)計(jì)開采1#、3#、5#、7#煤層，自上而下逐層開采。工作面接續(xù)由中部向南北方向雙翼交替開采，避免形成孤島開采。

2 坡體結(jié)構(gòu)特征

2.1 工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)坡體地形地貌、地層巖性等影響因素，將五采區(qū)邊坡分為6個(gè)區(qū)域(圖2)。

2.2 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)

巖體節(jié)理裂隙的分析是工程地質(zhì)評(píng)價(jià)巖體特征的重要依據(jù)。本次野外調(diào)繪主要對(duì)五采區(qū)發(fā)耳河北側(cè)出露的飛仙關(guān)組砂巖和永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。通過分析得出坡體出露地層飛仙關(guān)組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為190°∠83°及90°∠76°，永寧鎮(zhèn)組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為247°∠73°及152°∠80°。

2.3 五采區(qū)坡體巖體結(jié)構(gòu)特征

通過對(duì)五采區(qū)工程地質(zhì)條件、煤層開采條件、斜坡結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙發(fā)育特征和巖土體強(qiáng)度變形參數(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，在工程地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上得到發(fā)耳煤礦五采區(qū)分區(qū)地表變形與破壞模式(表2)。

圖2 五采區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)Figure 2 Engineering geological division of the No.5 mining area

表2 五采區(qū)坡體巖體結(jié)構(gòu)特征分析

3 多煤層重復(fù)開采沉陷地表變形特征研究

灣河北側(cè)山體地形起伏巨大，地表坡向與坡體下地層傾向呈反傾結(jié)構(gòu)，坡體下煤炭資源重復(fù)開采引起上覆巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，在地層原生節(jié)理裂隙和采動(dòng)裂隙共同作用下，坡體結(jié)構(gòu)特征符合材料力學(xué)中不連續(xù)工程地質(zhì)問題。本次數(shù)值模擬采用udec離散元法對(duì)多煤層重復(fù)開采誘發(fā)地表變形進(jìn)行模擬研究。

3.1 計(jì)算方案

3.1.1 模型建立

依據(jù)發(fā)耳煤礦五采區(qū)工作面布置特征及北翼山體形態(tài)，建立了計(jì)算模型如圖3所示。

3.1.2 本構(gòu)關(guān)系及力學(xué)參數(shù)

通過巖石物理力學(xué)試驗(yàn)(表3、表4)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查修正，針對(duì)五采區(qū)煤層開采過程中的塊體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。針對(duì)多煤層重復(fù)采動(dòng)形成的節(jié)理裂隙采用接觸-庫侖滑移本構(gòu)模型。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)

表4 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 計(jì)算順序

依據(jù)五采區(qū)采礦設(shè)計(jì)，開采煤層為1#、3#、5#及7#煤層，走向長(zhǎng)壁式開采，下行式開采。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

本次通過udec模擬了1#、3#、5#、7#4個(gè)煤層開采過程中巖質(zhì)坡體變形破壞特征，分別從塑性區(qū)分布、巖體產(chǎn)生破裂位置、水平位移與縱向位移角度區(qū)分析多煤層重復(fù)開采沉陷地表的變形特征。

3.2.1 塑性區(qū)分布特征

由圖4可知，1#煤層開采完成后，坡體塑性破壞為泥砂巖地層局部破壞，尚未影響至永寧組灰?guī)r區(qū)域；3#煤層全部采出，坡體塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，仍以泥砂巖地層移動(dòng)盆地為主；5#煤層開采完成后，坡體塑性區(qū)發(fā)育范圍擴(kuò)大至永寧組灰?guī)r高陡巖體，隨著7#煤層開采完成后，塑性區(qū)分布范圍占據(jù)整個(gè)山體。

圖3 研究區(qū)計(jì)算模型Figure 3 Numerical simulation model of study area

a.1#煤層

b.3#煤層

c.5#煤層

d.7#煤層圖4 研究區(qū)計(jì)算模型Figure 4 Numerical simulation model of study area

3.2.2 巖體裂隙擴(kuò)展特征

由圖5可知：1#煤層開采完成后，坡體巖體裂隙不發(fā)育，尚未影響至永寧組灰?guī)r區(qū)域；3#煤層全部采出，坡體裂隙范圍逐步擴(kuò)大，可能發(fā)生局部淺層滑坡；5#煤層開采完成后，坡體裂隙發(fā)育程度顯著增加，影響坡體的整體穩(wěn)定性；隨著7#煤層開采完成后，永寧組灰?guī)r內(nèi)部拉張裂隙非常發(fā)育，潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)巨大。

a.1#煤層

b.3#煤層

c.5#煤層

d.7#煤層圖5 不同煤層開采完成后巖體裂隙擴(kuò)展Figure 5 Fracture expansion of rock mass after mining of different coal seams

3.2.3 水平位移特征

由圖6可知，1#煤層開采完成后，地表水平位移較小；3#煤層全部采出，坡體水平位移逐步擴(kuò)大，水平位移與縱向位移小于15cm；5#煤層開采完成后，坡體頂部水平位移量超過1.5m；隨著7#煤層開采完成后，地表水平位移達(dá)-4m。

a.1#煤層

b.3#煤層

c.5#煤層

d.7#煤層圖6 不同煤層開采完成后水平位移Figure 6 Horizontal displacement of different coal seams after mining

3.2.4 縱向位移特征

由圖7可知：1#煤層開采完成后，坡體表現(xiàn)為沉降變形，縱向位移較，尚未影響至永寧組灰?guī)r區(qū)域；3#煤層全部采出，縱向位移增大，可能發(fā)生局部淺層滑坡；5#煤層開采完成后，縱向位移3m，整體形成了大范圍的滑坡；隨著7#煤層開采完成后，地表縱向位移最大為7.1m，易發(fā)生大規(guī)模的崩滑災(zāi)害。

a.1#煤層

b.3#煤層

c.5#煤層

d.7#煤層圖7 不同煤層開采完成后縱向位移Figure 7 Longitudinal displacement of different coal seams after minin

4 結(jié)論

1)在發(fā)耳煤礦五采區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，通過野外節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)、巖土體物理力學(xué)參數(shù)分析，對(duì)五采區(qū)不同分區(qū)的地表變形與破壞模式進(jìn)行了分析，得出灣河南側(cè)(S-Ⅰ區(qū)、S-Ⅱ區(qū))巖體結(jié)構(gòu)為緩坡-順傾-軟巖，破壞模式為塌陷沉降盆地，塌陷地裂縫；五采區(qū)灣河北側(cè)(N-Ⅲ區(qū)、N-Ⅳ區(qū))坡體結(jié)構(gòu)為緩坡-反傾-軟巖，破壞模式為砂巖段以局部“傾倒破壞”為主，泥巖段以表層剝離，滑塌為主，五采區(qū)灣河北側(cè)(N-Ⅰ區(qū)、N-Ⅱ區(qū))坡體結(jié)構(gòu)為陡坡-反傾-硬巖，破壞模式為上硬巖層下軟巖基座-大規(guī)模傾倒破壞。

2)高陡山體下多煤層重復(fù)開采引起的地表沉陷是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間和空間過程，具有明顯的開采累積效應(yīng)，重復(fù)采動(dòng)引起高陡山體的附加水平移動(dòng)、水平變形會(huì)導(dǎo)致山體變形活動(dòng)更復(fù)雜。

3)高陡山體下多煤層重復(fù)開采誘發(fā)巖質(zhì)斜坡變形破壞過程：?jiǎn)我幻簩娱_采擾動(dòng)—上覆巖體變形—多煤層重復(fù)采動(dòng)—上覆巖體變形加劇—坡體沉陷開裂—坡體局部塌陷和崩塌”，經(jīng)歷了煤層開采初始變形、多煤層重復(fù)采動(dòng)誘發(fā)坡體不均勻沉陷開裂，巖質(zhì)斜坡整體垮塌失穩(wěn)3個(gè)階段。