老地溝煤礦采動斜坡危巖穩定性及防治研究

姬曉東，鮑大忠

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局二總隊，貴州 六盤水 553000）

1 概述

貴州省是我國南方煤炭儲量大省，素有南方“煤?！敝Q[1-3]，其中貴州西部山區的含煤地層分布較廣。在這些高陡山區，地下采煤極易引起上部高陡斜坡發生變形，產生高位崩塌、滑坡等地質災害[4]。近幾年已發生如納雍縣張家灣鎮普灑村崩塌[5]、凱里龍場鎮崩塌[6]等多起大型高陡采動斜坡高位崩塌災害，造成了大量的人員傷亡和財產損失。對于地下采煤引起潛在高位崩滑災害，具有哪些特征，成因機制如何，危害程度多大，備受國內外學者的關注。

目前對于采煤引起的高位崩滑地質災害的研究多集中于現場調查發育特征及誘發因素等方面，更為準確有效的查明潛在危巖體的穩定性分析及運動過程，對防治對策的實施尤為重要[7]。陳宙翔[8]等采用無人機傾斜攝影技術研究了強震區公路高位危巖崩塌的形成機制并開展穩定性評價。孫敬輝[9]采用數值模擬研究了重慶額子巖崩塌落石動力學特征，并基于模擬結果開展危險性分區。熊紹真[10]運用離散元方法模擬了普灑崩塌的破壞過程并與崩塌實際過程進行對比,證明了離散元方法研究崩塌過程的可靠性。

貴州老地溝煤礦便為典型的采礦引起的斜坡高位崩塌災害。該斜坡危巖體現具長大裂縫與變形破壞，威脅坡下的主工業場區、煤礦瓦斯發電站、玉馬公路及39 戶212 人的生命財產安全，存在嚴重安全隱患。本文將以老地溝煤礦采動斜坡為例，結合無人機調查，獲取危巖發育特征，并采用三維數值模擬方法對危巖體穩定性進行分析評價，最后提出防治對策，以期達到防災減災的目的，對類似采動斜坡高位崩滑災害的防治提供一定的參考價值。

2 地質背景

老地溝煤礦位于六盤水市水城區西偏南部勺米鎮坡腳村。區域內為切割劇烈的中山區，陡巖坡度在35°～85°之間，地勢北東高，南西低。區域出露地層有：二疊系峨嵋山玄武巖組（P2-3em）、龍潭組（P3l）、三疊系飛仙關組（T1f）、嘉陵江組（T1-2j）及第四系（Q）?？傮w地層走向NW，傾向NE。含煤地層受侵蝕切割，地形復雜，坡度稍緩，坡度在35°左右，煤層露頭一般標高1300～1600m。區內地勢北東高，南西低，最高點位于北東部斷崖山頂，高程2184.40m，最低點位于南東部，高程1321.4m，相對高差863.00m。研究區位于格目底向斜南翼東段。全區氣候溫和濕潤，雨量充沛。區域內采空區環境較為復雜，存在多期次開采歷史，留有較大規模的采空區，已造成上方山體裂隙及危巖體的加劇變形，部分危巖發生脫落，結構完整性及穩定性受到影響，嚴重威脅到所在地煤礦和村民的生命財產安全。

3 斜坡及危巖體現狀

3.1 斜坡基本特征

研究斜坡位于煤礦工業廣場北東側，頂部高程2089m，陡緩交接處2020m，底部緩坡河流高程約1350m。斜坡頂部上部為緩坡平臺，上部陡峭，坡度近直立陡崖，坡向約223°，其下緊接約20m寬的平臺。斜坡中部發育多條狹窄溝谷，坡度約35°～50°。斜坡底部為緩坡。陡崖出露地層為嘉陵江組（T1-2j）中厚層泥灰巖、灰巖、白云質灰巖和白云巖，產狀41°∠22°。巖體發育有兩組節理面，產狀為73°∠82°和221°∠59°，風化掉塊嚴重。斜坡中部出露巖體為飛仙關組（T1f）的細砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。地層巖性為上硬下軟，斜坡結構類型為存在軟弱基座的緩傾內陡坡。

3.2 危巖體發育特征

危巖體在地形上處于山梁突出位置。后緣（頂部緩坡平臺）發育有兩條大的裂縫LF1和LF2。潛在崩塌體前端縱向長度約80m，橫向寬度約60m，厚度約21m，危巖體的體積方量約10×104m3。潛在崩塌后端縱向長度約20m，橫向寬度約20m，厚度約7m，危巖體的體積方量約0.28×104m3。

危巖前端的右側邊界（左右以面向崩塌運動方向判斷），后端的右側邊界尚未形成。坡表存在由上部向下推擠形成的壓碎破壞，形成局部崩塌。部分形成表觀裂縫，尚未貫通。危巖前端的已存在由破壞巖體形成的陡崖和底部剪出滑面，揭示破壞形式為后緣的拉裂—底部的陡傾角剪出破壞。中上部巖體為鑲嵌—塊裂結構，后緣拉裂面已貫通。下部巖體為壓碎帶，巖體破碎，但尚未形成貫通性的破壞面，為鎖固段。

危巖前端的左側邊界揭示巖體厚度有一定變化，頂部巖體厚約15m，底部厚度約29m。中上部邊界貫通性較好，主要表現為傾倒形成的雁列式拉張裂縫，中下部尚未形成貫通性破壞面，為巖體的鎖固段。危巖體出現局部崩塌掉塊現象，崩塌掉塊巖體堆積于危巖帶下部平臺及落石槽中。見圖1。

圖1 斜坡及高位危巖全貌圖

3.3 監測數據

危巖體上部的GNSS監測儀器結果顯示，自9月以來，已發生明顯的下降和橫向位移，且隨時間而不斷加速位移。累積下降位移量達到1272.10mm，累積橫向位移量達到427.60mm。記錄到12月初，位移曲線的變化趨勢仍在繼續。見圖2。

圖2 坡表位移監測曲線

4 穩定性分析

危巖前端的中上部裂縫基本形成且貫通，右側出現下錯現象，整體穩定性較差，危險性高；左側至右側的剪切滑動面尚未貫通，存在鎖固段，目前仍處于累進性變形階段，尚未達到整體破壞的條件。巖體右側裂縫貫通性好且底部巖體壓碎已出現局部破壞，左側主要為中上部的傾倒拉張破裂而底部巖體仍處于壓碎累進變形，右側穩定性相對左側穩定性差，且右側巖體破碎松動，已出現局部掉塊崩塌。危巖后端穩定性受前端影響較大，前緣具有壓腳鎖固作用，當前端失穩或被全部清除后，后端的穩定性將受到較大影響，若前端失穩，將形成新的陡崖及新的潛在崩滑體。

4.1 危巖體穩定性

由于采礦因素的影響還沒有成熟的定量計算方法，研究根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZT0219-2006），采用折線型傳遞系數法計算危巖體的穩定性。計算考慮天然、暴雨工況。暴雨狀態只考慮水對巖體參數的弱化和裂隙水壓力，暴雨狀態下裂隙充水高度取1/3h（根據裂隙發育情況和匯水情況而定）。底部滑面段巖體強度參數按結構面連通率80%進行取值，計算參數見表1。結構面根據巖性特征和野外調查結果，抗剪強度參數取值參考《工程巖體試驗方法標準》（GB/T-50266-99），天然狀態下結構面結合程度為結合一般，暴雨狀態下結合程度為結合差。本次計算根據危巖體形態特征和物質組成，選擇I-I′剖面、II-II′剖面和III-III′剖面作為計算剖面（圖3），潛在滑面主要依據現場調查、裂隙發育情況綜合確定。

表1 巖體參數取值表

圖3 穩定性計算選取剖面線

計算結果（表2）得出，天然工況下危巖體整體處于極限平衡狀態，暴雨工況下極容易失穩，容易發生滑移式破壞，其中危巖前端已出現局部破壞。若考慮采礦引起的拉應力集中，危巖體在天然工況下整體穩定性差，可能使危巖體產生由陡傾坡外兩組結構面控制的傾倒拉裂—滑移式崩塌破壞。

表2 穩定性結果

4.2 危巖體崩塌運動模擬

為了研究危巖體破壞運動對下方梭沙村、工業廣場、瓦斯發電站及其附近居民點的影響，采用PFC模擬方法研究了危巖體及局部破壞的部分落石運動路徑?？紤]2 種工況：①危巖前端整體滑移式破壞，體積10×104m3物質的運動。②危巖前端整體滑移式破壞，并帶動下部平臺堆積體，體積13×104m3物質的運動。

工況1中，落石主要沿二級平臺下三處泥石流溝開始向下運動（圖4中黑色箭頭方向）。西邊滑動最大距離為660m，無威脅對象；東至勺米鎮中學處泥石流沖溝，滑動距離為1134m；南部滑落至工業廣場及其西部居民房屋處，最大滑動距離為1001m。崩塌體落石直接穿過的建筑物及公路范圍，主要為工業廣場及其左邊溝谷區的居民房屋。

圖4 PFC數值模擬結果

工況2中，落石主要沿二級平臺下四條泥石流溝開始向下運動（圖4中黑色箭頭方向）。西邊滑動最大距離為832m，無威脅對象；東至勺米鎮中學右部泥石流沖溝，滑動距離為1094m；南部滑落至工業廣場及其西部居民房屋處，最大滑動距離為1000m。崩塌體落石直接穿過的建筑物及公路范圍，直接威脅區域為工業廣場、瓦斯發電站。少量崩塌落石滑落區域及泥石流范圍，在其運動路徑上存在建筑物或防護措施的攔截，并未受到落石撞擊的直接威脅，但仍在影響范圍內。

5 防治對策思考

為了應對危巖體崩塌可能形成的嚴重災害，根據其發育特征，按照防治原則，提出“削方減載+被動防護”的防治對策。在崩塌危險源區，對危巖體削方減載，提高危巖體穩定性系數；在落石運動堆積區，分級被動攔防，降低或消除落石危害。

削除危巖體1/2高度，削方高度為40m。采用四級放坡設置，最低點馬道高程2076m，高程每增加10m設置一個馬道，位于變形體內的馬道寬度設置為10m，位于變形體外的馬道寬度設置為3m，坡高比1∶0.75，馬道高程、邊坡輪廓保持不變，兩側以水平方向45°角向陡崖邊緣修整，削方體水平投影面積3574m2，削方方量約為7×104m3。削方減載后穩定性計算結果為：I-I′剖面天然工況下穩定性系數為2.13、暴雨工況下穩定性系數為1.71；II-II′剖面天然工況下穩定性系數為1.50、暴雨工況下穩定性系數為1.15；III-III′剖面天然工況下穩定性系數為1.47、暴雨工況下穩定性系數為1.13。經過削方減載后，危巖穩定性明顯提高。

設計防治對策布置思路為：在危巖體頂部及下方設置位移及裂縫監測點，在斜坡下方溝道內設置混凝土攔石墻和落石槽，在斜坡頂部后方平臺上設置土石臨時轉運場。此外，在削方期間對坡下部分居民點、老地溝煤礦工業場地，梭沙村泥石流溝底進行臨時避讓。

6 結論

老地溝煤礦上部危巖體為具有軟弱基座的緩傾內陡斜坡。危巖體后緣裂縫開裂變形嚴重且有下錯現象，穩定性差。下部尚存在未剪斷的鎖固段。處于累進性變形階段。穩定性計算結果說明右側穩定性比左側穩定性差。天然工況下危巖體整體處于極限平衡狀態，暴雨工況下極容易失穩，容易發生破壞。若考慮采礦引起的拉應力集中，危巖體在天然工況下整體穩定性差，可能使危巖體產生由陡傾坡外兩組結構面控制的傾倒拉裂—滑移式崩塌破壞。

危巖體破壞后的運動模擬結果顯示，10×104m3時落石可能會直接穿過工業廣場及其左邊溝谷區的居民房屋；13×104m3時落石可能會穿過工業廣場、瓦斯發電站，并且少量落石將滑落至泥石流溝道范圍，因在其運動路徑上存在建筑物或防護措施攔截，并未受到落石撞擊的直接威脅，但仍在影響范圍內。防治對策思路主要為削方減載+被動防護，削方后的危巖體能處于穩定狀態。在斜坡下方溝道內設置混凝土攔石墻和落石槽，增設土石臨時轉運場。注意在削方期間對可能受影響的部分居民點、老地溝煤礦工業場地、梭沙村泥石流溝底進行臨時避讓。此外，仍需加強對危巖體的監測。