工作面布置方式对沟谷区采动斜坡变形破坏特征的影响研究

路 琦，吕义清，刘志辉

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024；2.山西冶金岩土工程勘察有限公司，山西太原 030024）

随着西部煤炭资源的开采，我国西部黄土沟谷区受到采动影响，滑坡，崩塌、地表沉降等地质灾害时有发生。对于不同开采方式下，采动斜坡的变形发展规律、破坏特征及稳定性预测分析，相关学者采用数值模拟结合理论分析的手段进行了研究[1-4]。对于沟谷区地质环境条件和地下开采、降雨、地震等影响斜坡稳定性的因素，有关学者也进行了大量的研究工作[5-6]。此外，针对沟谷区地下煤层开采时地表移动变形[7-8]，斜坡裂缝化规律[9]，开采沉陷与地表损害[10]也有较多的研究。现有研究中，采动斜坡下工作面的开采位置大多已经固定，且多垂直于沟谷走向[11]，对于平行于沟谷走向，不同的工作面开采位置对沟谷两侧斜坡的破坏研究较少。为此，以泰安矿区白家沟区域工程地质条件为基础，建立三维数值模型，研究开采不同位置工作面时，沟谷区地表位移规律，两侧斜坡变形破坏特征和破坏机理，为类似的沟谷区采动斜坡地质灾害防治提供参考。

1 研究区概况

矿区位于我国西部黄土高原一带，井田地处吕梁隆起北部，黄河东岸。区内地表起伏较大，由土质疏松的黄土覆盖，受风雨侵蚀，形成沟壑纵横，支离破碎的地貌形态。白家沟位于矿区东北侧，地表大范围被黄土、红土所覆盖，地面植被稀少，沟谷下方主要开采8#煤层，工作面开采方向与沟谷走向平行，采高5 m，回采工作面顶板采用全部垮落法管理。

沟谷为南北走向，东侧谷坡高80 m，坡体下陡上缓，平均坡度为25°，坡体后缘发育有多条裂缝，长度15～30 m，平行排列，走向和地下工作面开采方向一致，呈阶梯状下错，最大下错高度0.41 m。西侧谷坡高70 m，平均坡度36°，在坡体下部调查发现数条拉张裂缝，朝着沟谷方向下错，下错高度0.2～0.3 m，坡底存在松散堆积物。

2 数值模拟

2.1 数值模型

据白家沟区域的地形地质图，使用MIDAS GTX NX 数值模拟软件建立三维数值模型，红色x 轴、绿色y 轴和蓝色z 轴分别代表正东、正北和竖直方向。模型水平方向尺寸为600 m×810 m，竖直方向平均厚度为150 m。几何模型建立好后进行网格划分，三维模型共建立节点86 573 个，划分单元101 670个。模型设置边界约束条件，顶部为自由面，四周和底部设置为固定约束。模型根据岩层从上到下分为8 层，分为黄土、红土、砂泥岩、砂岩、泥岩、中砂岩、8#煤层和泥岩，岩层及其物理力学参数见表1。

表1 岩层及其物理力学参数Table 1 Rock strata and their physical and mechanical parameters

根据不同的工作面布置方式建立3 个三维模型，模型大小，地层划分，边界条件，静力荷载等条件全部相同，只改变工作面位置。3 个模型工作面都平行于白家沟沟谷走向，不同的是模型1 位于斜坡后方，模型2 位于斜坡下方，模型3 位于沟谷下方。开采的煤层为8#煤层，工作面呈矩形，宽度为100 m，推进长度为400 m，从南向北分10 次开挖，每次开采40 m。研究区地质模型如图1。

图1 研究区地质模型Fig.1 Geological model of the study area

2.2 沟谷区采动斜坡位移规律

工作面开采后，各模型地表总位移云图如图2。

由图2 可知，地表总位移全部呈以采空区为中心的近椭圆形，采空区影响范围分为2 部分：正上方地表和周围斜坡。正上方地表总位移等值线密集，以竖直位移为主，采空区中心处地表沉陷位移最大；四周斜坡总位移等值线疏松，以水平位移为主，表示四周斜坡受采空区影响，向采空区中心处倾斜移动。

图2 各模型地表总位移云图Fig.2 Total surface displacement nephogram of each model

为了监测地表变形，在模型地表布置监测点，工作面开采后，由地表总位移可知，位于模型中部的采空区上方地表变形最为严重。选取模型中部y=400 m 的典型沟谷剖面，研究沟谷两侧采动斜坡的地表变化规律。

分析地表下沉规律，y=400 m 剖面地表位移下沉量如图3。

图3 y=400 m 剖面地表位移下沉量Fig.3 Surface displacement subsidence of profile y=400 m

由图3 可知，3 个模型中部剖面地表竖向位移曲线变化趋势基本一致，呈“倒峰型”，曲线两侧位移变化较缓，在采空区边缘处出现拐点，变化随之变陡，在采空区中心处位移达到顶峰。采空区位置从沟谷中间到斜坡下部再到斜坡后部的过程中，下沉曲线峰值逐渐减小，表明随着采空区距离地表的深度增加，地表下沉值呈减小趋势。

研究地表位移特征，各模型y=400 m 剖面位移云图如图4。

由图4 可知，沟谷区地下工作面开采后，斜坡的水平方向位移主要受采空区影响，竖直方向位移主要受采空区和重力作用共同影响。其中，当工作面位于斜坡后方时，水平方向上，采空区两端上方岩土体产生指向采空区中心处的位移，位移范围和大小基本一致。竖直方向上，受采空区和重力作用的影响，采空区上方岩土体向下弯曲沉降，此时，采空区上方中心处沉降最大，为-0.69 m，距采空区中心越远则沉降越小，不均匀沉降在地表形成地面塌陷和塌陷裂缝，坡体位移大致呈对称分布；当工作面位于斜坡下方时，在水平方向上，东侧斜坡坡脚处产生向坡体内部的位移，最大值为0.18 m，坡顶处产生指向临空面方向的位移，最大值为-0.19 m，和坡脚处相比，数值更大且地表移动范围更广。在竖直方向上，东侧斜坡上部不均匀沉降最大，坡体产生后缘裂缝且裂缝顺坡向发育，这说明沟谷东侧由于存在斜坡临空面，使得坡体位移呈非对称分布状态，整体表现为东侧上部坡体沿临空面向下位移。当工作面位于沟谷中间时，沟谷两侧坡脚在水平方向上向临空面移动，在竖直方向上形成不均匀沉降并产生顺坡向的裂缝，在采空区和重力作用共同影响下，整体表现为沟谷两侧坡脚沿临空面向下移动，坡体位移大致呈对称分布。

图4 各模型y=400 m 剖面位移云图Fig.4 Profile displacement cloud images of each model y=400 m

2.3 沟谷区采动斜坡破坏特征

当斜坡内部最大剪应力超过其抗剪强度时，坡体会发生破坏，因此，可以把斜坡坡体内部剪应变增量大小作为潜在滑移面判断的依据，剪应变增量较大的位置，坡体发生滑移破坏的可能性就大，反之，剪应变增量较小的位置，则不会发生变形破坏。各模型y=400 m 剖面的剪应变增量云图如图5。

图5 各模型y=400 m 剖面的剪应变增量云图Fig.5 Shear strain increment nephogram of the y=400 m profile of each model

由图5 可知，3 幅云图的共同点在于采空区边界区域剪应变增量都较大，表明上覆岩体在工作面开采后均沿采空区边界剪切下错。不同之处在于，当工作面布置位置不同时，采空区上部剪应变增量区域不同，对沟谷区两侧斜坡的影响也不同。

当采空区位于斜坡后部时，在采空区上方出现剪应变增量集中，但由于周围岩层边界的限制，不容易发生剪切滑动，所以不会影响到斜坡；当工作面位于斜坡下方时，东侧斜坡上部出现贯通良好的剪切带，斜坡容易沿此剪切带发生滑动破坏；当工作面布置在沟谷下方时，沟谷两侧斜坡坡脚处出现剪应变增量集中，表明坡脚区域容易发生剪切破坏。由此可知，沟谷区斜坡受工作面布置位置影响，当位于斜坡下方时，东侧斜坡上部先发生滑动，继而带动整个斜坡滑动破坏，而位于沟谷中间时，两侧斜坡是下部先发生滑动，导致上部斜坡受到牵引发生滑动破坏。

3 沟谷区采动斜坡变形破坏机理

通过数值模拟，在研究沟谷区采动斜坡位移规律和破坏特征之后，得出不同工作面位置下，沟谷区采动斜坡不同的变形破坏机理。斜坡变形破坏特征如图6。

由图6 可知，

图6 斜坡变形破坏特征Fig.6 Characteristics of slope deformation and failure

1）当工作面位于斜坡后方时，在斜坡后方的工作面开采后，采空区上部岩土体失去支撑而向下弯曲沉陷，由于不均匀沉降而形成塌陷坑，两侧的岩土体向采空区中心处倾倒，在两侧形成拉张裂缝。东侧斜坡后缘发育的裂缝延伸方向和斜坡坡向相反，表明东侧斜坡受到向采空区方向的拉应力，没有向临空面滑动的趋势，西侧斜坡距离采空区较远，基本不受影响，沟谷两侧斜坡状态稳定，采动斜坡变形特征如图6（a）。

2）在工作面位于斜坡下方时，在斜坡下方的工作面开采后，采空区上部覆岩垮落导致上部岩土体弯曲下沉，产生塌陷裂缝，斜坡右侧受到指向采空区的拉伸应力，斜坡后缘发育拉张裂缝，裂缝逐渐沿内部延伸，斜坡上部沿裂隙带向下滑动，使得坡脚处受到挤压而产生剪切裂缝，随着工作面的开采，前缘后缘裂缝逐渐贯通，贯通后滑动面如图6（b）中红线所示，斜坡失稳坡体沿裂隙带整体下滑，破坏模式为推移式滑坡。

3）当工作面位于沟谷中间时，在沟谷中间的工作面开采后，沟谷上方岩土体会垮落弯曲，两侧斜坡会受到指向采空区的拉伸应力，斜坡表面因拉伸应力不同而产生不均匀沉降，在坡脚处发育有拉张裂缝，随着工作面的开采，裂缝沿坡体内部软弱面发展直至贯通，贯通后滑动面如图6（c）中红线所示，坡脚失稳下滑，上部岩土体失去支撑而向下变形滑动，直至斜坡整体失稳，破坏模式为牵引式滑坡。

根据现场观测，沟谷两侧斜坡裂缝发育情况和坡体位移破坏特征与上述模拟结果基本一致，但相较于牵引式滑坡，推移式滑坡处裂缝发育更深，滑坡失稳范围更大。需要注意的是，降雨也是影响滑坡失稳的因素。当工作面位于斜坡下方时，斜坡后缘先发育的拉张裂缝有利于雨水入渗，从而降低岩土体的粘聚力和内摩擦角，削弱了斜坡的抗剪强度并增大了下滑力，加剧了坡体的下滑；而工作面位于沟谷中间时，斜坡坡脚先发育裂缝，有利于地下水的排出，降雨对于牵引式滑坡的影响相对较小。

4 结 语

1）沟谷区不同位置工作面开采后，地表下沉区域都呈以采空区为中心的近椭圆形，中心处下沉最大，且地表下沉值和采空区与地表的距离有关，随着距离的增加地表下沉值随之减小。

2）工作面布置位置会影响沟谷区采动斜坡破坏类型和稳定性。在沟谷区，工作面布置在一侧斜坡后方时，沟谷两侧斜坡所受影响较小，斜坡稳定性较好；布置在一侧斜坡下方时，工作面上方斜坡从坡顶处开始破坏，继而推动斜坡产生整体破坏，破坏类型为推移式滑坡，而沟谷另一侧的斜坡基本不受影响，保持稳定状态；布置在沟谷中间时，两侧斜坡从坡脚处开始破坏，继而引起上部坡体失去支撑而滑动破坏，破坏类型为牵引式滑坡。此外，受降雨影响，推移式滑坡破坏程度往往比牵引式滑坡更严重。

3）为防止沟谷区斜坡破坏，保护矿区人员的生命财产安全，建议矿区人员于斜坡地表设置监测点，监测地表沉降情况，并根据不同的工作面布置位置推测采动斜坡的破坏类型，并采取对应的工程措施进行防治。