1、前 言
山區(qū)存在的地下采空區(qū)，引起山區(qū)地表移動和采動坡體的附加應(yīng)力的變化，加劇山體滑坡和崩塌，這些位移變形具有非連續(xù)和突發(fā)性，其移動變形的程度和分布形態(tài)難以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行準(zhǔn)確計算和預(yù)測，只能根據(jù)坡體巖性、形態(tài)和可能受到的采動附加應(yīng)力和應(yīng)變，用數(shù)學(xué)力學(xué)方法近似進(jìn)行預(yù)測和評價，從而制定邊坡或采空區(qū)的加固措施，或者采取避讓措施。
2、山西采空區(qū)簡述
山西省采煤沉陷地質(zhì)災(zāi)害是全國最嚴(yán)重省份，山西采煤形成的采空區(qū)已達(dá)到5000平方公里，相當(dāng)于山西1/8的國土面積，塌陷面積約3000 平方公里，受災(zāi)人口300萬。山西省國土資源廳提供的最新礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示，全省因采礦活動引發(fā)的崩塌、滑坡有754處，影響面積14萬畝，地面塌陷多達(dá)2976處，影響面積100多萬畝，僅2010年因礦山開發(fā)導(dǎo)致的地面塌陷及采礦場破壞土地就達(dá)20.6萬畝，其中12.99萬畝是耕地。
對于水資源破壞，每生產(chǎn)1噸煤破壞2.54m3水資源量，由于采煤造成的礦區(qū)漏斗，導(dǎo)致井泉水位下降或斷流共計四萬多個，影響水利工程433個，造成三千多個村莊人畜飲水困難。鐵路（高鐵）、公路建設(shè)運(yùn)行受到嚴(yán)重影響，地面造成崩塌、滑坡、沉陷和建筑物破壞。山西省目前計劃參考國有重點(diǎn)煤礦采煤沉陷區(qū)治理標(biāo)準(zhǔn)，從2014年到2020年基本完成全省采煤沉陷區(qū)治理任務(wù)。
地質(zhì)災(zāi)害猛于虎
采空區(qū)圖片
黃土覆蓋條件下的基巖是兩種物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差別的介質(zhì)，厚層黃土一方面降低了上覆地層綜合強(qiáng)度，另一方面為加劇沉陷變形創(chuàng)造了地形地貌和水文地質(zhì)方面的有利條件。同時山西黃土普遍具有嚴(yán)重濕陷性，地下水位埋藏很深，土層呈非飽和狀態(tài)，地表因采動產(chǎn)生的大量張拉裂隙，在裂縫尖滅深度以上，裂縫又成為地表水的下滲通道，使采動前地表水無法滲入的黃土深部產(chǎn)生浸水，地表水下滲遇到黃土層中有一定傾向的古土壤或泥頁巖隔水層，產(chǎn)生長期浸水，含水量增加，強(qiáng)度大幅降低，形成沿這些軟弱面的邊坡滑動。采動引起的張拉裂隙，使土體疏松，孔隙增大，地表土滲透能力大大增強(qiáng)，加劇了地表水下滲能力。山西省內(nèi)煤層賦存的沉積巖地層，巖層非均質(zhì)和各向異性十分明顯，地形地貌的特殊條件，導(dǎo)致山區(qū)地下采動引起地表移動非連續(xù)性和非對稱性，地下開采引起巖層移動變形，破壞了巖土體的地質(zhì)力學(xué)特性，開采引起的附加應(yīng)力改變了覆巖的原始應(yīng)力狀態(tài)，同時地下開采減弱了傾斜基巖的下臥支撐，誘發(fā)了具備滑坡地形地質(zhì)條件的山體產(chǎn)生采動滑坡。
4、采動滑坡的特點(diǎn)
4.1 采動滑坡性質(zhì)
采動滑坡是指地下采空區(qū)引起地面傾斜巖體以滑動形式向較低水準(zhǔn)面的位移，滑坡范圍不僅與采空區(qū)位置有關(guān)，更主要的取決于地形地貌及環(huán)境條件。
4.2 采動滑坡移動特征
移動變形值主要取決于開采強(qiáng)度及覆巖與土層特征。采動滑坡是巖體連續(xù)性的根本破壞，破壞面一般是明顯的外傾式軟弱層理面或斷裂結(jié)構(gòu)面。對于地表有厚層黃土的采動邊坡，圓弧滑動的潛在滑動面，可以根據(jù)內(nèi)摩擦角滑坡后壁張性裂隙發(fā)育深度確定。采動邊坡場地穩(wěn)定性與地下開采條件、地表移動變形特征、煤（巖）柱穩(wěn)定性有關(guān)系，但還取決于地表地形、地貌環(huán)境及其他誘發(fā)因素。
4.3 采動滑坡移動變形分布特點(diǎn)
采動邊坡一般可分為“拉張變形區(qū)”、“擠壓下沉區(qū)”、“剪切下沉區(qū)”、“鼓脹隆起區(qū)”。其中，“拉張變形區(qū)”位于采空區(qū)外側(cè)坡肩側(cè)，產(chǎn)生拉張變形裂隙；“擠壓下沉區(qū)”位于采空區(qū)上方，地表下沉值最大，有小量擠壓變形，一般不出現(xiàn)裂縫；“剪切下沉區(qū)”位于采空區(qū)兩側(cè)，產(chǎn)生壓縮、剪切變形；“鼓脹隆起區(qū)”位于采空區(qū)外側(cè)坡腳，產(chǎn)生水平剪切及鼓脹變形。
4.4 采動滑坡危害特征
采動滑坡具有突發(fā)性，波及范圍大，不易準(zhǔn)確預(yù)測等特點(diǎn)，比一般滑坡危害大得多。
5、采動邊坡穩(wěn)定性評價
采動邊坡穩(wěn)定性評價應(yīng)該在確定邊坡破壞模式的基礎(chǔ)上，采用工程地質(zhì)類比法、結(jié)構(gòu)面組合判斷法、極限平衡法、數(shù)值分析法進(jìn)行綜合評價，有條件時可以進(jìn)行模型試驗。采動邊坡坡腳作為建設(shè)場地時，對坡腳的鼓脹、隆起變形對工程建設(shè)的適宜性進(jìn)行評價。
5.1 采動邊坡穩(wěn)定性極限平衡法驗算
采動邊坡的穩(wěn)定性極限平衡法驗算，是在對一般性的滑坡穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上，考慮采動附加應(yīng)力而進(jìn)行的。
采動附加應(yīng)力包括采動坡體的附加水平力Fε，附加剪切力Fι，附加垂直張力Fω，而與穩(wěn)定性計算直接相關(guān)的則是附加水平力Fε，把采動強(qiáng)度與附加應(yīng)力建立相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而用一般的分析方法對坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
采動附加應(yīng)力與采厚、采深、坡體下方開采寬度、坡體巖性、坡體傾角、坡頂邊緣傾斜和水平變形值等參數(shù)有關(guān)。
5.2 采動強(qiáng)度系數(shù)計算
式中P：采動強(qiáng)度系數(shù)；
H0：坡體下方煤層平均開采深度；
M：開采厚度；D：開采寬度；
α：坡面平均傾角；F：與坡體巖土層性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，可按參考資料取值，范圍1~3。
5.3邊坡采動評價
一般５＜P≤10，為極嚴(yán)重采動；３＜P≤５，為嚴(yán)重采動；１＜P≤３，為中等采動；0.5＜P≤1，為輕微采動； P≤0.5，為極輕微采動；P值的計算應(yīng)遵守如下原則：D、
H0、M應(yīng)按相同的長度單位（m）計算，P值為無量綱系數(shù)。
6、工程實例簡介
6.1 太原煤氣化公司古交爐峪口煤礦風(fēng)峁頂采動邊坡
①概況
太原市煤氣化公司古交爐峪口煤礦風(fēng)峁頂采動邊坡，位于山西省古交市西北約13Km，爐峪口村東部山梁風(fēng)峁頂西側(cè)一帶，屬太原西山煤田西北邊緣，地貌為中低山區(qū)，地表多為黃土覆蓋，植被稀少，經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕，溝谷縱橫，多呈“V”字形，山頂黃土廣布，溝谷兩側(cè)基巖裸露，屬典型的溝谷侵蝕地貌單元，區(qū)內(nèi)西北部緊臨獅子河床，地勢陡峻，地形坡度基巖區(qū)最大坡腳48°，黃土區(qū)最大坡腳60°，東南部地勢較為平緩，呈東高西低，最高處風(fēng)峁頂標(biāo)高1145m，西部爐峪口村所處汾河灘標(biāo)高1030m，最大相對高差115m。出露地層至下而上為二疊系山西組，下石盒子組、上石盒子組和第三系保德組，第四系離石組，馬蘭組，全新統(tǒng)地層，前者主要分布于獅子河支流兩側(cè)山坡溝谷地帶，后者主要分布于山梁和河床地帶。含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，主要采空區(qū)開采2+3#煤層。
采動邊坡已出現(xiàn)較大變形，在山頂主要表現(xiàn)為張拉變形，形成塌陷臺階，在山腰主要表現(xiàn)為向外擠壓下沉，在坡腳主要表現(xiàn)為鼓脹隆起變形。
?、诿旱V采空區(qū)特征
礦山采用綜合開拓式開采，在風(fēng)峁頂山體下部進(jìn)行采煤活動，在F17斷層下盤形成采空區(qū)。采空區(qū)采煤沉陷是風(fēng)峁頂不穩(wěn)定地質(zhì)體活動的引發(fā)因素。同時洗煤企業(yè)工業(yè)污水通過地面下滲流向F17斷層上盤2+3#煤層采空區(qū)，造成采空區(qū)積水。
?、鄣孛鏋?zāi)害及裂縫調(diào)查
2008年9月中旬至10月下旬，山體出現(xiàn)寬約200m，長約230m的裂縫密集分布帶，形成地面隆起或下陷，導(dǎo)致爐（峪口）~嘉（樂泉）鐵路專用線爐峪口至鎮(zhèn)城底段1Km+450m處鐵路線地表下沉30~50mm，水平移動8~15mm，水平變形0~1mm/m，鐵路線外移，公路路基開裂，排水溝上隆，護(hù)坡變形，護(hù)墻外傾，蓄水池歪斜，山頂移動信號轉(zhuǎn)播塔傾斜，企業(yè)生產(chǎn)用房地基下沉，房屋外傾成為危房，嚴(yán)重威脅著公路、鐵路和附近居民的生命財產(chǎn)安全。
本區(qū)共發(fā)現(xiàn)較明顯裂縫25條，走向北東—西南方向，一般呈線性沿采空區(qū)展布，部分略呈波狀延伸，其中延伸長度為50~100m的地裂縫7條，大于100m的3條，最長的139m，一般寬2cm，最寬15cm，山頂?shù)貛У亓芽p共見有11條，規(guī)模大。山腰地帶裂縫共見有7條，發(fā)育較差。大致計算采動強(qiáng)度P值為1.2，為中等采動。
?、軘?shù)值模擬分析
采用RFPA-SRM軟件分別對地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析風(fēng)峁頂不穩(wěn)定地質(zhì)體的形成機(jī)理及其穩(wěn)定性如下圖：
圖1地質(zhì)模型圖
圖2 現(xiàn)狀變形圖
圖3 最終變形圖
受斷層構(gòu)造的影響，在巖（土）體自重作用下首先對斷層帶進(jìn)行壓密，且在
F20斷層頂端出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨后應(yīng)力轉(zhuǎn)移到山腳處集中，采空區(qū)形成后，開始并未對應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，在
F20斷層下盤軟弱層（泥巖層、層間接觸帶等）巖體和山腳處巖體內(nèi)出現(xiàn)破裂，破裂范圍逐漸增大并形成裂縫，且公路垂直邊坡上部的巖體被擠出，采空區(qū)頂板及其上部巖（土）體開始向下塌落和移動，頂板附近巖體及
F17斷層上盤巖體出現(xiàn)破裂，逐漸形成裂縫，并向兩端延伸。
隨著采空區(qū)的塌實，在山腳處巖體、
F20斷層上盤巖體和
F17斷層上盤巖體內(nèi)形成了多條裂縫并相互貫通，如圖3所示。坡腳處巖體內(nèi)的裂縫與軟弱層內(nèi)裂縫貫通后又向上延伸至鐵路地表，形成滑移面，最終導(dǎo)致鐵路與公路間的坡體產(chǎn)生滑坡。
?、萜麦w采動變形預(yù)測分析
目前，由于采空區(qū)的影響，風(fēng)峁頂不穩(wěn)定地質(zhì)體處于應(yīng)力松弛階段，即出現(xiàn)反滑現(xiàn)象。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，待采空區(qū)頂板完全塌落后，會再一次對
F20斷層下盤巖體產(chǎn)生擠壓，在山腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，在軟弱層（泥巖層、層間接觸帶等）內(nèi)和坡腳附近發(fā)生巖體破裂，坡腳處產(chǎn)生鼓脹、隆起變形及裂縫，采空區(qū)上部和
F17斷層頂端地表擠壓、剪切下沉區(qū)也會形成沉陷，
F17斷層外緣產(chǎn)生張拉裂隙。在持續(xù)擠壓作用下，坡腳處裂縫與軟弱層內(nèi)裂縫貫通并向上延伸至鐵路地表，形成滑移面，在鐵路垂直邊坡上部巖（土）體形成不穩(wěn)定區(qū)，導(dǎo)致鐵路與公路間的坡體發(fā)生滑坡。
因此，目前在地表上表現(xiàn)出的特征為不穩(wěn)定斜坡的水平位移量沿反坡向方向逐漸增大，當(dāng)采空區(qū)頂板與底板完全接觸后，水平位移量又會順坡向逐漸增大，直到滑坡發(fā)生。
6.2 山西霍州煤電呂臨能化公司龐龐塔煤礦采動滑坡
①概況
位于山西省臨縣的山西霍州煤電呂臨能化公司龐龐塔煤礦是山西霍州煤電集團(tuán)建設(shè)的1000萬噸/年的大型礦井。2010年以來，在該礦工業(yè)廣場南部山頂發(fā)現(xiàn)多條裂縫，局部地段已形成崩塌及滑坡，嚴(yán)重影響礦山安全運(yùn)行。
礦區(qū)位于呂梁山脈中段西部中低山丘陵區(qū)，為典型的梁峁?fàn)铧S土丘陵地貌，地形切割劇烈，溝谷多呈“V”字形，長年干旱少雨，植被稀少，水土流失嚴(yán)重。
井田大部分地段由第三、第四系松散層覆蓋，局部有二疊系上石盒子組地層零星出露，地層情況由下至上主要有奧陶系下、上馬家溝組及峰峰組；石炭系本溪組、太原組；其中太原組9#煤是主要可采煤層。二疊系山西組；上、下石盒子組；石千峰組。其中山西組5#煤是主要可采煤層，3#煤局部可采。三疊系：劉家溝組、和尚場組、二馬營組。新生界第三系，中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。
?、诓煽諈^(qū)特征
根據(jù)龐龐塔煤礦提供煤井上、井下對照圖，可以初步確定5#、9#煤的采空邊界范圍。
采空區(qū)主要由四個時間階段形成，分別為：
上世紀(jì)80~90年代，本區(qū)煤礦開采多為小型煤礦。在東部邊緣煤層埋藏較淺的區(qū)域開采，開采5#煤層，采空區(qū)面積4km2（包括古采空區(qū)）。
原縣營煤礦2000年2月至2004年3月，在工業(yè)廣場南部山體的南坡外側(cè)，開采形成采空區(qū)，開采方式為房柱式，這個采空區(qū)距裂縫處距離60~70m，距地表深度220~250m，是引起地表裂縫的主要采空區(qū)。
2005年至2006年，龐龐塔煤礦采用長壁式大面積開采5#上、9#煤，采空區(qū)距裂縫距離220m，是引起地表裂縫的重要采空區(qū)。
2009年后開采9#煤，采空區(qū)距裂縫距離250m，采用長壁式開采，是引起地表裂縫的次要采空區(qū)。
?、哿鸭y分布情況
出現(xiàn)裂縫的山體為土質(zhì)山體，地表可見裂縫基本與2000年2月至2004年3月采空區(qū)邊界相平行，局部崩塌滑坡、錯臺式下沉、裂縫，裂縫至2009年秋天開始出現(xiàn)，為張拉裂隙，形狀較為平整，地表呈直線或弧線狀，周圍山體出現(xiàn)不同程度臺階錯臺。
Lf01裂縫：距采空區(qū)邊界55m，經(jīng)人工填埋，呈直線型，長度80m，為2009年秋季雨季形成。山頂?shù)貙幽甏鸀镼3、Q2，上部為淺黃色粉質(zhì)粘土，垂直節(jié)理發(fā)育，下部為淺紅色粉質(zhì)粘土，間夾多層鈣質(zhì)結(jié)核，主要為5#煤采空引起張拉變形區(qū)的張拉裂縫。
Lf02裂縫：距采空區(qū)邊界70m，局部表現(xiàn)為錯臺，地表裂縫呈弧形，與采空區(qū)邊界基本平行，長度420m，縫寬5~10cm，可見深度1~2m，西高東低錯臺，錯臺高30cm，2009年秋季雨季形成，地表為Q3粉質(zhì)粘土，為5#煤采空引起的張拉裂隙。
Lf03裂縫：距采空區(qū)邊界40m，長度55m，縫寬10~50cm，上下錯臺30cm，與Lf02裂縫距離25~35m，為5#煤采空區(qū)裂縫浸水坍塌引起的剪切下沉。
在采空區(qū)西南側(cè)形成了長度約300m，高度約10m的臺階，與采空區(qū)邊界基本平行，為5#煤采空區(qū)形成的擠壓下沉及剪切下沉。采空區(qū)的西北角，2011年6月形成了長度約100m的滑坡，高度75m，上寬10m，下寬50m，面積2863m2，現(xiàn)場做了臨時擋墻進(jìn)行了處理。
④采空區(qū)對于坡體的采動影響分析
通過分析認(rèn)為5#煤采空區(qū)距地表約220m，距裂縫水平距離70~60m，地面傾角平均約32度，經(jīng)計算采動強(qiáng)度P約為1.6，為中等采動?？梢哉J(rèn)為5#采空區(qū)是產(chǎn)生采動變形的主要附加應(yīng)力。9#煤采空區(qū)距地表約260m，距裂縫水平距離250m，地面傾角比較平緩，平均約10度左右，經(jīng)計算采動強(qiáng)度P約為0.5，為輕微采動，對地表坡體影響較小。
圖4 采動影響分析模型
?。?） 地下采空區(qū)對于地面邊坡工程的影響具有多方面復(fù)雜因素，地面邊坡的地形地貌和結(jié)構(gòu)構(gòu)造也是主要控制條件。
?。?）用采動強(qiáng)度對采動影響進(jìn)行綜合評價，具有較好的代表性。
?。?）采動強(qiáng)度評價參數(shù)，應(yīng)該更多考慮邊坡工程的穩(wěn)定性評價指標(biāo)，邊坡的傾向、傾角，潛在滑動面位置及滑動面強(qiáng)度參數(shù)；更要考慮邊坡與采空區(qū)的相對位置關(guān)系等等。
（整理自2016年海峽兩岸巖土工程/地工技術(shù)交流研討會分會場報告，匯報人：荊和平）
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