煤矿采空区山体诱发崩塌地质灾害形成机理分析及其应用 ——以大平煤矿为例
时间：2024-02-28 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
煤矿采空区山体诱发崩塌地质灾害形成机理分析及其应用
——以大平煤矿为例
0 引言
随着社会经济的不断发展，人们生产生活对能源的需求量越来越大。为了充分利用煤炭资源，煤矿企业对矿山进行了多种形式的开采和挖掘。其中，在山体下部进行开采作业会导致山体岩石被破坏，使岩石块体松散，导致出现危岩及不稳固块体。采空区一旦受到外界因素的影响，很容易诱发山体崩塌、下滑等地质灾害[1-2]。而山体崩塌灾害的发生速度较快，大面积岩石会沿着垂直方向坠落，在短时间内就会造成危及面积较大的灾难，对周边居民的生命和财产安全形成极大威胁。因此，针对煤矿采空区山体可能诱发的崩塌地质灾害进行相应的形成机理分析，从而作为山体岩石提前防护的依据十分必要[3]。
牛小明等[4]基于地质灾害的基本特征，分析了石人嶂矿莲花山采空区山体崩塌的特点，通过采用无人机遥感建立该区域的地表模型，完成了形成机理分析。然而该方法对形成崩塌灾害的主要成因分析未考虑山体崩塌的外部环境主要诱发因素，研究出的崩塌机理实际应用性有待提高；杨忠平等[5]根据山体裂隙及坡体的失稳破坏程度，针对性建立离散元数值模拟，研究采动作用下岩溶山体深大裂隙扩展贯通机理及诱发裂隙的扩展原因，完成了崩塌机理的研究，但该研究未考虑不规则形态的地质单元的力学特征，建立的数值模拟模型未结合破坏准则，因此分析结果上有提升空间；张辉等[6]提出纳雍鬃岭煤矿区高位崩塌灾害的机理分析，通过Frictional模型与Voellmy模型模拟崩塌运动特征研究崩塌机理，该分析没有将边坡上部危岩块体、临空状态、软弱结构等作为崩塌灾害的主要成因，分析结果也不够理想。
针对以上研究成果的不足，笔者针对郑州煤炭工业(集团)有限责任公司大平煤矿(以下简称“大平煤矿”)采空区的山体崩塌灾害形成原因进行了深度的研究和分析。首先，根据所选矿山的地质环境和条件进行了实地考察和勘测，并根据该矿山内的采矿活动及年限分析矿山目前的真实地质情况；其次，提取矿山所处环境的各方位影响因素及山体崩塌形成特征，创新地结合破坏准则构建地质灾害临界判别机理分析模型，完成了对矿山山体崩塌形成过程的机理分析；最后，在实际工程中应用该机理分析能有效稳定地质结构并减少崩塌地质灾害。
1 大平煤矿采空区工程概况
选择大平煤矿5号采区(内含采空区)作为工程应用研究区，该研究区山脉相对较高且坡度陡、沟壑深，自然形成坡度通常在50°～ 60°，是典型的构造剥蚀地形，矿体整体呈东高西低特点，西部是一个陡峭的悬崖，下面发育着一条河流，河流最低点对应高度为113 m。研究区所处山体的地质岩层实际状态如图1所示。
图1 研究区所处山体的地质岩层实际状态
在图1中，大平煤矿采空区所处山体的上半部分岩层属于豫北区下二叠统太原组(P1q)，为含不同层位的火山岩型结核状灰岩，厚度超过50 m；二叠系下统梁山组(P1L)位于中间部分，含有薄层炭黑的碳质页岩，其中以灰白色中厚层状岩为主，英砂岩为星点状黄铁矿，整体厚度大约为16.4 m；该层还包含泥盆系的上统经四组(D3x)，上层主要分布为厚层状灰岩体，岩体顶端则为黄绿色相间的薄层状页岩，中间部分为灰色层状泥灰岩和黄绿色薄层状页岩，下层部分为灰白细石英砂岩和粉砂岩，整体的厚度约80 m；山体下半部分主要为上统黄家河组(D3h)，上层分布着黄绿相间的页岩，中层分布着薄层状的带云母碎片页岩，包含发育期的赤铁矿及对应小晶体，其整体厚度为40.4 m。
在现场勘测过程中发现大平煤矿采空区所在的山体中以岩溶裂缝含水层为主，仅有部分储水，在水结构的有利部位存在着压力自流水的分布，富水程度相对不均匀，主要是弱中等富水性，岩体表面存在发育性岩溶，以溶隙、溶蚀槽、落水洞为主要形式，其大小有一定的差别，并且无明显的空间分布规律。
煤脉存在于山体断层中，矿脉由伟晶岩、混合岩以及黑云母、花岗岩等多种不同的岩石结构组成，矿山的整体岩石硬度系数在8～10以上。
经过历史时间推算和考证，该区域从20世纪50年代至今就一直存在煤炭开采活动。该采矿工程的开采方式自上而下共分为9个阶段，每个阶段的开采高度为22～23 m，斜向长度为60 m，沿着煤层走向进行相应布置，开采幅度宽为1.5 m，煤矿空采顶柱高2 m，底柱高3 m，留取不规则矿柱辅助人工浆砌废石柱作为顶板支护，针对顶板碎裂较为严重的采场，已预留出足够数量的矿柱，另外通过锚杆进行维护。在2019年底，上部分的7个分段基本开采完毕，第8个分段约开采4/5，第9个分段仅完成个别矿房的开采。2017-2019年，山体断层部分的下部矿房顶板存在明显的下滑痕迹，下滑距离大约30 cm，煤柱由于受到块体间接牵引而发生剥落。
2 采空区山体崩塌破坏特征和影响因素
2.1 山体崩塌破坏特征分析
通过现场勘测和实际岩层比对可以发现，研究区具有以下山体崩塌破坏特征：
(1)研究区山体边坡上端为长期风化而形成的岩石，颜色特征呈现出土黄色或灰白色，并形成了断裂斜坡构造。在沿采空方向的软弱构造面贯通时，受重力或外力的影响，岩体贯通面逐渐出现近似弧形的切向滑动破坏特征。
(2)在风化作用不大的矿井内，由于开挖负载的作用，整个岩体中产生了大量的负荷裂缝，此时不仅岩石之间存在裂缝，岩体内部也存在结构面的裂隙。岩体出现断裂和体位倾斜情况，分析该岩石已形成危岩具有崩塌破坏特征。
(3)由于煤矿采掘施工不规范，一些边坡出现下伏基岩被掏空的状态，形成了不可逆的凹岩现象，在外力作用下斜坡的倾角几乎垂直于斜坡，产生了负荷裂缝，该斜坡所处凹岩的上部楔形构造面主要控制岩体的整体结构面，该结构面具有较好的支撑作用，但受地心引力及其他动力作用，裂缝逐步扩大并贯穿危险岩石开始变形，具有形成坠落式崩塌地质灾害的特征。
(4)研究区内的斜坡为一平坦的临空岩层，构造面平坦，部分岩石上充填粘土，其强度比一般的斜坡低，属于容易造成崩塌灾害的破坏特征。
(5)山体上大部分岩石均属于石灰岩一类坚硬的碳酸盐岩石，从而形成了陡峭的边坡，节理裂缝较多，侵蚀作用较大，对岩体的完整性造成了严重的损害，更容易形成崩塌灾害。
2.2 影响诱发因素分析
研究区岩质边坡滑坡崩塌的主要影响因素为地质环境和外部环境，地质环境影响因素主要包含边坡的高度、坡度岩体结构、状态和岩土体特性等，外部环境诱发因素包括降雨、地震和人为因素活动等[7]。
2.2.1 地质环境主要诱发因素
研究区边坡高度对山体诱发崩塌产生的作用和影响较大。部分高于30 m的坡体容易发生大规模的岩崩，崩塌源头主要集中在边坡的上半部分，这一部分受到的风化程度更强，石块破碎程度更大，容易发生崩塌[8]。
从研究区采空区的边坡坡度来看，主要采用圈椅式开挖方式直接造成了边坡的倾斜度较大，高陡峭度是危岩崩塌的主要条件，而凹岩形态也使危岩处于临空面环境，更容易发生山体崩塌灾害。
研究区岩体的组成结构也是内在因素的组成部分，破碎和分散的岩体结构导致其完整性不足，易形成不稳定的块体。根据勘探结果发现研究区采空区内的边坡岩体节理裂缝多、完整性差，因风化而形成疏松的岩石，在自然风化或极端环境下，极易导致松散岩块从岩石母体中脱离并发生山体崩塌灾害[9]。
2.2.2 外部环境主要诱发因素
从降雨方面的因素来考虑，强降雨对地质灾害的影响较大，降水最密集的时期和地段是崩塌灾害频繁发生的时段[10-12]。大平煤矿所在新密市属温带季风气候，每年有3个月左右时间处于雨季，降雨量最高能达到1 200 mm。该研究区采空区山体岩石的负荷裂缝较多，且多处于发育期，在雨季雨水很容易渗入其中，进一步瓦解岩层，引起矿山采空区的危岩崩塌灾害。
除此之外地震也是引发崩塌坡灾害的主要原因，地震作用力会引起岩体的构造状况发生改变，容易发生危险的岩体坍塌。大平煤矿处于地处华北平原地震带频发区域，辖区内的盘谷寺-新乡断裂和凤凰岭断裂横贯东西，容易受到地震诱发。
研究区在进行采矿和施工等相应活动时，很容易破坏已有的压力均衡，对边坡的稳定性有不利影响。该采区形成采空区后，仍有个别矿房进行开采，2017-2019年，山体断层部分的下部矿房顶板存在明显的下滑痕迹，是打破山体岩石平衡结构的主要诱因。
3 采空区崩塌地质灾害临界判别机理建模研究
分析采空区地形结构的力学特征，结合破坏准则计算破坏准则参数，构建地质灾害临界判别机理分析模型作为采空区崩塌地质灾害临界判别的基础。
采空区山体后缘除了岩石表面以外，还有多组节理和以上构造面强烈切割而形成的裂缝，在后山岩体中存在一部分破碎且不连续的岩石块体如图2所示。
图2 采空区山体后缘岩石块体
经过现场细致勘察发现，采空区山体的后沿斜坡陡峭且伴有卸荷开裂发育，裂缝扩展度为0.2～1.0 m，深度为2～7 m。经过分析负荷裂缝是造成这种前缘和后缘分离的主要原因，致使条形或圆柱形危岩悬垂，其底部为稳定性较大的底座岩石[13]。
由于研究区地形结构较复杂，地势起伏较大，山脉沟壑自然形成坡度通常在50°～60°，且斜坡多为临空岩层，受到来自山体各方向多向力的作用，结构性质不稳定，容易引发崩塌、滑坡等地质灾害。若临空岩层一旦发生崩塌、滑坡等地质灾害，由于其所在的高空位置及其冲击力，会对周围环境和生命安全造成不良影响。因此，在分析该区域地质灾害临界判别机理前，需要考虑当地地形结构的力学特征(不规则形态的地质单元)，结合破坏准则，获得相应的破坏准则参数。将这些参数应用到地质灾害临界判别机理分析模型中，可以更准确地预测地质灾害的发生可能性和规模，以此保障判别机理分析模型的全面性与实际应用性。
在上述条件下建立煤矿采空区山体崩塌和矿柱破坏的临界判别模型。首先假设矿柱的抗压强度为σ，对应的破坏准则表示见式(1)：
(1)
式中：η1——矿柱受到破坏后的最小面积采空率，%；
N——崩塌面上的正压力，MPa；
σ——矿柱的抗压强度，MPa；
S0——煤矿采空区内准崩塌面面积，m2。
山体岩石在发生崩塌时的最小面积采空率主要受到岩体的安全系数影响，并可以根据极限值推导得出式(2)：
(2)
式中：η2——崩塌发生时的面积采空率，%；
F——准崩塌体对应的致滑力，MPa；
A、B——山体岩石材质有关的常数[14-16]。
在得到η1、η2后，根据采空区岩体结构，选择适用性较强的Mohr-Coulomb破坏准则，分析采空区山体及支撑柱的受力情况，得到破坏准则的力学参数见式(3)和式(4)：
式中：
岩体强度参数；
ϖ——岩体在受力载荷超过量S0范围时的内摩擦角系数；
c——土体力学影响因子；
sin t——岩体抗剪切强度值；
岩体变形参数；
u∂——采空区岩体压缩模量；
uζ——采空区岩体弹性模量；
uΦ——采空区岩体形变模量。
利用获取的破坏准则力学参数，对研究区域受力情况与产生形变、位移的范围进行全面分析，限定不同时段山体结构变化与受力条件，细化引发地质灾害的成因。采空区山体在矿柱破坏之前发生崩塌的条件见式(5)：
η2≤η≤η1
(5)
根据以上条件，采空区崩塌地质灾害崩塌的临界判别模型具体见式(6)：
(6)
式中：α——矿脉发生崩塌的真实倾斜角，(°)。
通过式(5)和式(6)可以证明在采空区某一特定位置存在对应的软弱层[17-19]，当矿柱的实际矿压能力满足式(5)和式(6)条件时，山体岩石可能会发生岩移模式，矿柱发生崩塌，由此完成采空区崩塌地质灾害临界判别机理分析，作为崩塌地质灾害形成机理分析的依据。
4 基于模型的大平煤矿采空区崩塌地质灾害形成
机理分析
根据以上临界判别模型和崩塌破坏特征分析，对研究区的崩塌地质灾害形成机理进行分析。
4.1 山体的优势发育机理
煤矿采空区的山体岩层呈110°∠48°，随着岩层分布会相继发育出较多的薄软夹层，将实地勘测的岩层角度等数据输入地质灾害临界判别机理分析模型中，获得采空区山体的优势发育机理分析结果，主要分为3个阶段：首先产状机理的角度维持在295°～310°∠60°～65°之间时[20-21]，间距为3.0～3.5 m，机理延伸长度为15～18 m；当产状机理角度在210°∠65°时，间距维持在2.0～2.5 m，机理的延伸长度在18～28 m，此时山体岩层机理之间的裂隙延伸长度较大，但能保持平直光滑；当产状机理角度在155°∠45°之间时，间距将缩小至1.5～3.0 m，此时岩体状态多呈棱块状态，实际完整度相对较差，该阶段是引发山体崩塌的阶段。这是因为棱块状的岩体通常位于坡地或山体中，受到重力和坡度的影响，当坡度较大或受到其他外力作用时，岩体上的应力会累积并超过其抗剪强度。这会导致岩体内部的断裂扩展和破碎，使棱块状态的岩体更容易发生崩塌。
4.2 山体的崩塌发育机理
对山体的崩塌发育机理进行分层分析：山体的上统黄家河组(D3h)部分主要富含铁砂岩矿，最早开始的露天开采，主要分布于道路东向50 m区域范围，露采区沿矿体的走向长度为115 m，在高点970 m处形成宽18 m、高20 m的露天采矿坑，分析该矿坑的地质情况可知裂缝主要沿着岩层方向延伸[22]。2000年初期，煤矿开采活动逐渐转向地下矿井开采模式至今，主要分为1号和2号矿井进行地下横向开采，因此矿山山体的顶部陆续开始出现4条较大裂缝，宽度为0.8～1.8 m，深度为22～32 m，在岩顶裂隙较大的区域出现较为明显的弯曲倾覆断裂破坏痕迹，目前观测发育深度约为25 m。这是因为岩石体受到构造应力和人为开挖应力的作用，当岩层中存在裂隙时，该区域容易发生应力集中，当应力超过岩石强度时，岩石体会发生断裂和变形。岩顶裂隙较大是因为岩石受到剪切、抬升或拉伸等力学作用而发生了断裂。在地下横向开采应力和重力双重影响下，岩石体裂缝会斜向扩展和延伸，发生倾斜和断裂滑动。这种滑动导致了明显的弯曲倾覆断裂破坏痕迹的形成。将山体的崩塌发育机理进行分层分解预测，山体崩塌发育剖面分析如图3所示。
图3 山体崩塌发育剖面分析
由图3可知，山体近脉部分存在较为明显的蚀变分带，底部的蚀变相对更加强烈。蚀变宽度变化强度较大，大多数保持在0.2～0.3 m左右，也存在几厘米的小型蚀变。经过蚀变后矿脉上岩石的相对强度发生明显的降低，致使煤矿采空区产生软弱夹层，遭受降雨等诱发因素后发生崩塌。这是因为软弱夹层通常由蚀变作用导致的较弱、不均匀的岩石区域组成。在煤矿开采过程中，这些软弱夹层往往成为应力集中和失稳的区域，因为它们无法提供足够的支撑和刚度。在遭受降雨等诱发因素时，由于软弱夹层的存在，这些区域更容易发生崩塌。当降雨渗入软弱夹层时，雨水会进一步洗刷沉积物、破坏岩石的完整性，增加岩体的饱和程度。这会导致软弱夹层的强度降低，进而造成局部崩塌或滑动。由地质层级分析，煤矿脉络所处的上覆山体被矿脉的几个断层从母体岩石中割离出并形成了较大的楔体，在此基础上又被其他的断层分别切割成为8块较小的楔体，对应的采空区断层结构如图4所示。
图4 采空区矿脉断层岩体结构
图4中，山体断层部分的Ⅴ号块体对应的下部矿房顶板在2017-2019年间存在明显的下滑痕迹，沿着F0、F6之间的交线逐渐向下倾滑了大约30 cm，一些已存在的煤柱由于受到间接牵引而发生剥落。这是因为断层活动会导致上盘岩体和下盘岩体之间发生相对位移和滑动。如果下部矿房顶板刚好位于断层的上盘岩石上，断层活动和下滑会对矿房顶板造成影响，产生明显的下滑痕迹。当断层滑动时，上盘岩体和下盘岩体之间的相对位移会对煤柱施加不均匀的应力。这种应力会导致煤柱发生剪切和变形，最终导致部分煤柱剥落。结构面力学特征参数见表1。
表1 结构面力学特征参数
岩体名称产状倾向/(°)倾角/(°)断层性质充填物抗剪强度/MPaF6180^21020^25压扭性斜冲泥、糜棱岩、石英矿脉12.762 3F3321^35548^85压扭性辉绿岩脉、泥17.395 6F21244^27571^89张扭性辉绿岩脉67.253 2F2260^8660^88扭性辉绿岩脉29.835 2F060^8756^68扭性泥、辉绿岩脉12.375 4F3020^6955^88扭性辉绿岩72.398 3F26315^34558^79张扭性辉绿岩64.589 1F226^4571^85压扭性斜冲糜棱岩、破碎岩11.623 3
将上述参数代入地质灾害临界判别机理分析模型中获得采空区崩塌地质灾害分析结果，得出结构面中的F6、F21、F22、F26超出判别临界值。由上述崩塌地质灾害形成机理分析可知，为了有效防止山体的持续滑坡诱发崩塌，应减少并停止该板块的煤矿开采工作，针对山体实施放顶并通过人工修筑矿柱等方法，增大矿山岩体的接触面积，提高矿井开采区的应力分布。该工程施工部门根据分析结果，进行了停工和山体加固，目前煤矿采空区的上覆山体基本稳定，没有继续出现下滑或是崩塌的迹象。
5 结语
地下采矿容易引起上覆山体的移动，造成山体下沉、崩塌等地质灾害，笔者以大平煤矿为例研究了煤矿采空区山体诱发崩塌地质灾害形成机理，通过实地考察和勘探，研究实例矿脉的山体结构、地质条件、周围环境等多方面因素；分析山体崩塌的破坏特征和影响诱发因素；通过量化影响因素指标，结合破坏准则，构建地质灾害临界判别机理分析模型，完成山体崩塌的形成机理分析。笔者分析的机理应用于该矿区改造中，能更好地避免和减少山体诱发崩塌地质灾害的发生。
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