基于渗流-应力耦合的采动堆积层滑坡变形分析_樊辉.pdf
Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 煤炭是我国能源的主要形式,与世界上其他国 家相比,我国煤矿多采用井工开采方式 (约占 97) , 且受多山地形条件的影响, 开采条件复杂, 因 此,由地下采动引发的地质环境问题较为突出, 采 动滑坡是其中危害性很大的一类[1]。 从概念上来讲,采动滑坡是指在地下开采的影 响下, 由上覆岩 (土) 体变形破坏引起的山体滑坡, 其类型主要有黄土滑坡、堆积层滑坡、基岩的顺层 滑坡和切层滑坡等[2-3]; 堆积层滑坡属于土质滑坡, 它是指第四系地层中除了黄土、黏土以及其他软土 层以外的松散堆积层 (包括人工堆积物) 的滑坡[4], 基于渗流-应力耦合的采动堆积层 滑坡变形分析 樊辉 1, 吕义清1, 郑劭铎2 (1.太原理工大学 地球科学与工程系, 山西 太原 030024; 2.建设综合勘察研究设计院有限公司, 北京 100007) 摘要 以陵川县某采动堆积层滑坡为例, 通过理论计算推导出了考虑水力坡脚因素时的降雨 入渗孔隙水压力差公式, 并结合渗流-应力耦合模型进行分析论证。 结果表明 渗流-应力耦合条 件下, 地下开采是该采动堆积层滑坡应力场调整的主导因素, 渗流及降雨仅影响应力场调整范 围, 不影响趋势, 这种影响具有 “附加性” ; 降雨通过形成随着降雨历时变化的暂态饱和区, 影响 堆积层有效应力分布, 这一过程在雨后还会持续导致堆积层有效应力增加, 且在考虑水力坡脚 的条件下, 增加程度更大; 推断出了采动堆积层滑坡失稳的 3 个特征阶段 结构改造、 塑流-拉 裂、 蠕滑-拉裂阶段。 关键词 堆积层滑坡; 采空区; 渗流-应力耦合; 降雨入渗; 变形分析 中图分类号 TD824.7文献标志码 A文章编号 1003-496X (2020 ) 11-0281-05 Analysis of Landslide Deation in Mining Accumulation Based on Seepage-stress Coupling FAN Hui1, LYU Yiqing1, ZHENG Shaoduo2 (1.Department of Earth Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying, Beijing 100007, China) Abstract A mining accumulation landslide in Lingchuan county is taken as an example, the theoretical calculation is used to de- duce the water pressure difference ula of rainfall infiltration pore by considering the hydraulic slope foot factor, and the seep- age-stress coupling models are used for analysis and demonstration. The results show that the underground mining is the dominant factors of the stress field adjustment of mining accumulation landslide under the condition of seepage-stress coupling, the seepage and rainfall only affects stress field adjustment range, does not affect the trend, and this kind of influence has the feature of “addi- tivity” . Rainfall affects the distribution of effective stress in the accumulation layer by ing a transient saturated zone that varies with rainfall duration, and this process will continue to lead to the increase of effective stress in the accumulation layer after rain. Three characteristic stages of landslide instability in mining accumulation are deduced, including structural transation, plastic fluid-tension fracture, creep-tension fracture. Key words accumulation landslide; goaf; seepage-stress coupling; rainfall infiltration; deation analysis DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.057 樊辉, 吕义清, 郑劭铎.基于渗流-应力耦合的采动堆积层滑坡变形分析 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (11 ) 281-285, 289. FAN Hui, LYU Yiqing, ZHENG Shaoduo. Analysis of Landslide Deation in Mining Accumulation Based on Seepage-stress Coupling [J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (11) 281-285, 289.移动扫码阅读 基金项目 山西省自然科学基金资助项目 (201701D121015) 281 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 两者在概念上互有交叉,但是于研究中却各有突出 重点。 采动滑坡的研究,有学者早期从地下开采沉陷 学角度出发,建立滑坡学和开采沉陷学的联系, 分 析采动滑坡的发生机理[2]。随着技术水平的提高, 近 几年则形成了采用监测、 数值模拟、 物理模拟、 数值 分析等手段研究采空区滑坡的变形发展过程及其形 成机制的新方法[5-7]。但是由于不同种类采动滑坡在 不同影响因素的作用下会有不同的致灾机理与演化 过程,因此对采动滑坡中的各类滑坡进行针对性研 究将会更契合实际。如余学义等[8]提出了松散堆积 边坡下的开采方案与抗滑段及主滑段比值有关, 孙 魁, 李永红等[9]探讨了采动影响下黄土沟壑区 “对滑 型” 滑坡的形成条件, 总结了坡向、 回采方向及 “对 滑型”滑坡类型三者的内在联系,这是对采动滑坡 中黄土滑坡的进一步细化, 更具有针对性。 在堆积层滑坡研究上,早期有学者通过大量统 计提出长江上游堆积层滑坡占滑坡总数的 64, 地 下水、暴雨及地震是诱发滑坡不可忽视的因素, 这 是当前滑坡灾害预测与防治领域亟待研究与解决的 难点与关键问题[10-11]。随后, 大批学者将目光聚焦在 堆积层滑坡的形成与地下水位变动及降雨的关系 上,如加卸载响应比理论、地下水位加卸载响应比 位移动力学预测模型等在堆积层滑坡的位移失稳规 律研究上的应用[12-14]。近年来, 随着新手段的应用, 国内外学者通过现场监测实验,建立数值力学模 型等方法,对堆积层滑坡开展了更深入的研究, 倾 向于克服纯数学方法的不足之处[15-16]。 综上所述,目前采动滑坡的研究主要通过监测 与力学分析、 物理模型试验、 数值模拟试验 3 方面手 段,从开采方式、地质环境条件角度来分析采动滑 坡的影响因素和致灾机理,但是对不同类型采动滑 坡来讲,还缺乏一些更加具有针对性的研究,这也 是目前采动滑坡研究的趋势;堆积层滑坡的研究主 要聚焦在降雨、地下水、地震等因素的诱发机制与 滑坡预测上,其研究方法也已经逐渐从经验、统计 方法提升到了物理-力学分析、 监测、 模型实验、 数 值计算方法,但是,堆积层滑坡研究在多因子综合 方面存在不足,非线性滑坡系统在不同影响因素的 作用下会有不同的致灾机理与演化过程,在考虑地 质-力学模型的基础上对堆积层滑坡进行多因子研 究更契合实际[17]。 为此以陵川县某矿区采动堆积层滑坡为例, 从 地下采动、 边坡渗流、 降雨 3 个角度出发, 建立三维 地质模型,对采动堆积层滑坡进行渗流-应力耦合 分析,对渗流及降雨情况下的堆积层孔隙水压力进 行推导计算,解释采空区上方堆积层滑坡的独特形 成机制与失稳过程, 对采动堆积层滑坡进行研究。 1工程地质条件 研究区位于山西省晋城市,明显变形情况初见 于 2018 年 8 月并持续至今,滑坡区属中低山地貌, 北部高、 南部低, 最低点位于坡底, 高程 1 207 m, 最 高点位于北部的测绘观测点, 高程 1 297 m, 相对高 差 90 m。滑坡发育于南北走向的山脊线南端, 区域 构造 S1向斜北翼, 晋城市降水多集中在 69 月, 多 年平均降水量为 606.5 mm,最大年降水量为 965.5 mm,最大日降水量为 111.6 mm,最大时降雨量为 66.5 mm。 滑坡区地层上部为陆相碎屑沉积,风化破碎严 重, 肉眼可见砂泥岩风化呈砂状。地层主要为 石炭 系上统太原组 (C3t) 石灰岩、 砂泥岩及 15煤层; 二叠 系下统山西组 (P1s) 砂泥岩及 3煤层; 二叠系下统下 石盒子组 (P1x) 砂泥岩; 二叠系上统上石盒子组 (P2s) 陆相沉积的砂泥岩,上部松散堆积层为人工堆积的 卵石土、 杂填土, 岩层倾向 210, 倾角 3~5。 研究区开采历史可追溯到 1958 年, 建矿后批准 开采 3煤层, 原采煤工艺落后, 曾独井开采, 采用房 柱式采煤方法, 放炮落煤, 自然垮落法管理顶板。大 规模开采于 2013 年, 主要开采 15煤, 区内 15煤层 一般发育有 0~0.03 m 厚的泥岩伪顶,极不稳定, 随 采随落; 15煤层无直接顶; 其基本顶为石灰岩, 厚度 平均在 7.50 m 左右, 层位较稳定, 顶板总体较完整, 裂隙不发育。 煤矿现开采二盘区, 工作面由南向北布置, 往北 大约每 150 m 距离布置 1 个工作面,由南到北依次 于 2016、 2017 年开采 (已回采) , 2018 年开采过程中 因建筑群出现地物变形而停采, 截止停采时间, 工作 面已推进 163 m。 2堆积层滑坡结构特征 研究区主断面图如图 1。研究区位于坡腰部位, 现存 2 级人工修筑的堆积体平台,坡向约为 222, 坡度自下而上分别为 36、 40、 30。 研究区滑坡体主要为人工堆积层,下伏岩层为 上石盒子组 (P2s) 陆相沉积的砂泥岩互层, 裸露岩体 表面风化破碎呈砂状,堆积层滑坡整体顺层发育于 向斜北翼, 岩层倾角 3~5。 282 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2暂态饱和区渗流示意图 Fig.2Seepage diagram of transient saturated zone 由图 1 可以看出, 2 级平台衔接处由采矿作用 诱发 1 条地裂缝, 宽约 15 cm, 由西到东延伸至主剖 面部位, 2 级堆积层平台上部建筑变形破损严重, 已 发现地物变形裂缝 58 条, 地基局部鼓包变形。 3渗流分析 引入暂态饱和区概念对采动堆积层滑坡的渗流 情况进行理论推导。ZhongZhou 等[14]通过实验证明, 降雨后主要变形区位于土层以下 0~4 m 深度。 林国财 等[18]通过试验验证发现, 降雨后先在边坡表面形成 暂态饱和区,随着降雨的进行,暂态饱和区逐渐扩 大, 停止后, 暂态饱和区内的水分会持续向下渗透。 因此, 根据饱和土体有效应力原理, 单位断面积 的饱和土体在垂直方向所受的总应力为有效应力与 孔隙水压力之和, 即 σ=σ′+uw(1) 式中 σ 为总应力, kPa; uw为孔隙水压力, kPa; σ′为效应力, kPa。 先将堆积层上方土层简化为静水环境[19], 暂态 饱和区渗流示意图如图 2。 土体表面以下 h2处的 N 点在水土质量作用下 受到的总应力 σ 与孔隙水压力 uw分别为 σρwgh1ρsatgh2(2 ) uwρwg (h1h2)(3) 式中 h1为土体表面水深, m; h2为土表面到点 N 的距离, m; ρw为水的密度, t/m3, ρsat为土体饱和密 度, t/m3。 则 N 点有效应力 σ′为 σ′ρsatgh2-ρwgh2ρ′gh2(4 ) 式中 ρ′为浮密度, t/m3。 暴雨环境下, 地表水向下渗透, 表面形成随着降 雨历时而扩大的暂态饱和区,将其简化为如图 2 (b) , 此时孔隙水压力为 uwρwg (h1h2-△h)(5 ) 有效应力为 σ′ρ′gh2-ρwg△h(6) 式中 △h 为土体表面水位变化量, m。 在考虑水力坡脚后,推导出与静水环境下相同 深度处孔隙水压力差为 uwρwg (h1h2) sin 2 β(7) 式中 β 为水力坡脚,() 。 由上述公式可以明显看出,孔隙水压力相对降 低时, 土体中有效应力增大, 使土体压密变形, 在考 虑水力坡脚的情况下,孔隙水压力更小,这种变形 随着暂态饱和区的扩大而加大。 4数值模拟 4.1模型建立 依据研究区实测地形图、 剖面图及钻孔资料、 野 外踏勘资料, 采用 MIDAS GTS 数值模拟软件还原的 研究区三维地质模型如图 3。地下采动过程依据灾 害发生前最新采掘资料, 按照开采时间划分为 3煤 工作面, 15煤 2016、 2017、 2018 3 个年度工作面, 每 个工作面以 20 m 设置 1 个开采阶段, 共计, 31 个开 采阶段。 为了考虑水力坡脚,渗流边界条件采用节点水 头, 依据勘察资料, 在地表以下 13.8 m 深处节点上 建立地下水位边界条件; 根据研究区最大时降雨量, 采用曲面流量方法,在模型表面设置降雨入渗边界 条件, 降雨入渗历时 10 h。 4.2参数选取 岩土材料采用弹塑性力学模型, mohr-coulomb 图 1研究区主断面图 Fig.1Main section diagram of the study area 283 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 3三维地质模型 Fig.3Three-dimensional geological model 图 5监测点垂向应力图 Fig.5Vertical stress of monitoring point 图 4变形分区示意图 Fig.4Deation partition diagram 表 1岩土体参数 Table 1Rock-soil body parameters 地层 弹性 模量 /GPa 泊松 比 黏聚力 /MPa 内摩 擦角 / ( ) 密度 / (t m-3) 饱和 密度 / (t m-3) 渗透 系数 / (m s-1) 堆积体 砂岩 泥岩 煤 石灰岩 0.007 14.300 10.840 5.300 23.500 0.440 0.200 0.147 0.320 0.200 0.032 12.110 1.200 0.800 20.000 25.2 39.2 40.0 30.0 36.0 1.420 2.630 2.530 1.420 2.873 2.02 3.04 3.10 2.01 3.00 810-4 610-2 110-4 810-4 110-7 强度准则,参考土工试验结果进行参数确定,岩土 体参数见表 1。 4.3数值模拟 变形分区示意图如图 4。 根据开采后变形情况, 将斜坡变形区划分为 3 种 塌陷区 (A) 、 弯曲沉陷 区 (B) 和拉裂倾倒区 (C) 。 监测点垂向应力图如图 5。从图 5 可以看出, 2016、 2017 年 15煤开采过程中, 堆积层上部应力总 体处于聚集过程, 直至 2018 年开始开采后, 聚集的 应力达到顶点然后释放,而后随着开采工作面的继 续推进, 应力又开始了新一轮的聚集。 对比图 5 (a) 、 图 5 (b) 可以看出, 控制堆积层应力场变化趋势的主 要因素是开采长度,而地下水与降雨对堆积层应力 场的影响主要体现在应力场波动振幅的大小上。 通过监测点垂向应力与垂向位移对比,可以发 现, 采矿扰动是堆积层位移变化的控制因素, 而地下 水与降雨没有影响位移变化趋势,仅影响了总位移 量的大小, 且影响程度小于采动影响。 为了进一步说明上述规律, 对 6 个监测点 31 个 开采度阶段上的垂向位移量进行 Pearson 相关性分 析, 2 种条件下位移相关性散点图如图 6。结果发 现,考虑渗流条件与不考虑渗流条件下,监测点垂 向位移数据在 0.01 上相关系数|r|∈ [0.99, 1.00] , 极 强相关。 5滑坡形成机制 数值模拟结果表明,地下水及降雨因素影响的 是应力场波动的振幅及位移量的大小,所以采动是 斜坡上覆堆积层失稳的主控因素,但是地下水及降 雨引起的应力、位移峰值差也是滑坡形成中不可忽 284 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 视的 1 个因素, 在考虑水力坡脚的情况下, 该因素更 显著。由于采动后覆岩移动的时间效应,斜坡失稳 也具有渐变性, 具体滑坡机制可以分为 3 个阶段 1) 结构改造阶段。煤层采掘后, 应力重分布, 顶 板失去支撑弯曲拉裂,覆岩破断移动,在地表形成 弯曲-沉陷区, 并在两侧形成拉裂-倾倒区, 采空区 形成后的应力调整是这一阶段的主导因素,该阶段 最明显的特征是采空区上方形成的 “砌体梁” 结构, 简支的关键层岩体形成较大水平挤压作用,从而形 成明显的应力拱壳。 2) 塑流-拉裂阶段。受第 1 阶段影响, 采空区上 方岩层塌陷、 弯曲拉裂, 位于拉裂-倾倒区的坡面发 育 1 条张性地裂缝, 坡面堆积层产生塑性变形, 同时 孔隙比、 渗透系数增大, 受降雨影响, 雨水向下渗入 堆积层,降低堆积体的岩土物理力学性质,增加土 颗粒间有效应力,加速变形过程,在山区地下水条 件复杂地带, 水力坡脚越大, 变形过程越快, 在松散 堆积层滑坡上体现更明显。 3) 蠕滑-拉裂阶段。岩层进一步破坏, 导致堆积 层压缩,在坡体上部建筑群荷载的共同作用下, 坡 体沿裂缝张开方向向坡外运动,形成潜在滑动面, 同时坡体持续蠕滑,变形加大,致使后缘上部地物 裂缝加宽、 前缘鼓胀隆起, 发生滑坡。 6结论 1) 矿区堆积层滑坡与库岸区堆积层滑坡的致灾 机理存在不同,在地下开采诱发的堆积层滑坡中, 采矿扰动是堆积层应力场调整的主要因素,渗流及 降雨影响应力场调整范围,在考虑水力坡脚的情况 下, 这种影响更加显著。 2) 渗流及降雨对矿区堆积层滑坡的影响是具有 “附加性” 的, 降雨通过在堆积层上形成随着降雨历 时扩大的暂态饱和区, 影响堆积层孔隙水压力, 进而 影响到应力分布。 3) 通过分析, 将堆积层失稳过程分为结构改造、 塑流-拉裂、 蠕滑-拉裂 3 个阶段。 4) 减少这类灾害发生的关键是增强顶板的永久 支撑或者采用矸石回填采空区, 在已发生地区, 需在 地表移动趋于稳定后再采用土体加固、抗滑桩等手 段加固堆积层。 参考文献 [1] 丁百川.我国煤矿主要灾害事故特点及防治对策 [J] . 煤炭科学技术, 2017, 45 (5) 109-114. 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