山区平缓倾内采动斜坡变形破坏机制研究——以贵州普洒崩塌为例

梁 风，史文兵，钱孝龙，余逍逍，熊绍真

（1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025；
2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州贵阳 550025；
3.贵州省山地地质灾害防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550025）

地下采矿常常诱发崩塌、滑坡、地面沉陷等地质灾害［1-2］。随着地下开采活动的增强，采矿诱发的崩滑地质灾害也越发频繁［3-5］，造成重大人员伤亡和财产损失。例如，1903年加拿大的Frank滑坡造成76人死亡［6］；
1980年盐池河崩塌造成284伤亡［7］。因此，深入研究采动崩滑灾害形成机制，有助于此类崩滑灾害的预警预报和防治。

采动斜坡问题层出不穷，很有必要研究此类斜坡的变形破坏机制。赵建军等［8-9］采用物理模拟、数值模拟手段探讨采动滑坡地质力学模式与形成机制。郑光等［10］初步分析了普洒崩塌的形成机理。Zhu等［11］用动态模型（DAN3D）模拟崩塌形成过程，详细分析崩塌的形成机理和动力学特征。采动斜坡变形破坏机制研究主要采用理论分析、物理模拟与数值试验等方法［12-15］。Benko［16］采用数值方法，探讨开采方法、深度及构造特征对其斜坡变形破坏的影响。汤伏全［16］采用沉陷学理论研究采动斜坡变形机理，结果表明开采改变了原岩应力状态，破坏其平衡状态，从而裂缝产生和发展，最终导致灾害产生。崔杰等［17］运用底摩擦试验探讨地形与岩土性质对其采动滑坡的影响。史文兵等［18］采用离散元数值模拟探讨不同临空面坡度对采动斜坡的影响，得出临空面对斜坡变形破坏具有“放大效应”。近年来，虽然学者们采用理论分析、物理模拟与数值模拟对采动斜坡的变形破坏机制取得了不少成果，但是对于多煤层开采、开采范围等采矿状况影响斜坡变形破坏机制的研究较少。

相比于平原地区，西南岩溶山区斜坡通常具有“上硬下软”、地形高陡、岩层平缓倾内、岩溶裂隙发育等特点［19］，在地下采动的影响下，斜坡变形破坏机制变得更加复杂。例如贵州龙场崩塌［20］、重庆甄子岩崩塌［21］、云南赵家沟滑坡［22］、贵州普洒崩塌［10］等灾害造成重大的人员伤亡和财产损失，对社会产生了较大影响，研究地下采动诱发的此类地质条件组合斜坡的变形破坏机制具有重要意义。本文以贵州省普洒崩塌为例，在现场调查的基础上，采用底摩擦试验研究采动斜坡内部变形破坏机制，进一步揭示了此类斜坡的变形破坏规律。

1.1 地质环境条件

研究区位于贵州省纳雍张家湾镇，处于云贵高原向黔中山原过渡地带，为中山侵蚀-溶蚀斜坡。总体地势南高北低，山脉沿南西向沿伸，高陡山脊贯穿全区。区域处于亚热带季风气候区，降雨丰富。斜坡坡脚处发育两条正断层F1、F2，北侧发育一条F3逆断层，根据调查，断层对于山体影响较小；
在崩塌区附近存在河流水公河，小型溪沟较为发育，但无大型河流（图1）。

图1 普洒崩塌工程地质平面图Fig.1 Engineering geological map of the Pusa avalanche

斜坡上陡下缓，顶部为陡崖，下部为缓坡。崩塌后缘高程约为2 145 m，坡脚高程约为1 922 m，相对高差约220 m。斜坡出露的地层从新到老分别为：第四系残坡积（Qel+dl）粘土、砂质粘土；
三叠系下统夜郎组（T1y）：上部薄至中厚层状灰岩夹泥灰岩，中下部为紫红、灰色砂质泥岩夹粉砂岩、泥质砂岩、页岩；
二叠系上统长兴-大隆组（P3c+d）：上部深灰、灰色泥质灰岩；
下部灰色中厚层状、薄层状灰岩夹粘土岩、页岩，与龙潭组呈连续过渡关系，该组顶部与三叠系下统夜郎组（T1y）呈整合接触；
二叠系上统龙潭组（P3l）为煤系地层。

崩塌体位于普洒煤矿矿区南侧，规模化开采历史可追溯到2001年。主要的开采煤层为M10、M14、M16三层煤，开采顺序为M16→M14→M10；
其中M16埋藏最深，M14次之，M10最浅（图2）。M16、M14煤层完全开采，M10煤层部分开采，M16采空面积达17 700 m²。M16煤层厚1.51 m，M14煤层厚1.19 m，M10煤层厚1.46 m，M10与M14相距约14 m，M16与M14相距约24 m。三层煤均采用长壁采煤法，炮采工艺，全部垮落法管理顶板。

图2 普洒崩塌全貌及运动特征Fig.2 General view and motion characteristics of the Pusa avalanche

普洒崩塌发生于2017年8月28日上午10时30分，为采空控制型崩塌，崩塌方量约为82.3×104m3，摧毁两个居民组和部分建筑物，35人死亡，8人受伤［10］。

1.2 崩塌特征

斜坡坡面总体倾向为330°，平均坡度约为55°，岩层产状为170-180°∠5-10°，为典型平缓倾内斜坡。硬岩主要为灰岩、泥质灰岩与砂岩，受节理发育和强烈溶蚀作用影响，岩体较为破碎；
软岩为泥岩、页岩及煤层，坡面风化强烈，岩体破碎，呈碎裂结构。受“上硬下软”岩体结构的影响，其坡体总体呈上陡下缓，顶部为陡崖，近90°，中上部为陡坡，其坡度约50～60°，下部为缓坡主要用于耕地，坡度约10～15°。

斜坡岩体节理裂隙发育，通过野外裂隙测量统计分析，斜坡共有3组优势结构面，分别为：（1）N50-60°E/SE∠80～90°、（2）N81-84°W/NE∠80～90°、（3）N10-15°E/SE∠80～90°（图3）。岩体中三组节理互相切割，呈不规则“三棱柱体”，又由于斜坡总体三面临空，为崩塌提供变形与运移空间条件。

图3 结构面赤平投影图Fig.3 Stereographic projection of structural plane

据现场调查及无人机航拍，崩塌范围可明显的划分为崩塌源区（Ⅰ）、下落铲刮区（Ⅱ区）、流通堆积区（Ⅲ）和变形区（Ⅳ）（图4）。

图4 普洒崩塌分区及特征Fig.4 Pusa avalanche zoning and characteristics

崩塌源区（Ⅰ）位于老鹰岩山体中上部，剪出口位于二叠系上统长兴-大隆组（P3c+d）与三叠系上统夜郎组（T1y）界面附近，距坡顶约60～90 m，其岩性主要为砂岩、泥质粉砂岩和泥质灰岩。崩塌源区后缘岩壁呈土黄色溶蚀，可见溶沟及凹岩腔。崩塌岩体平均高约85 m，宽约145 m，厚约40 m，总方量为49.3×104m³，主要岩性为灰岩、泥质粉砂岩、泥灰岩等硬岩。下落铲刮区（Ⅱ）位于老鹰岩山体下部，受上部崩塌源区崩塌体携带巨大的重力势能和动能沿坡面以碎屑流方式运移的影响，铲刮沿途表面岩体与坡脚的松散堆积物，铲刮方量约为2.1×104m³。流通堆积区（Ⅲ）位于相对宽阔平缓地带，坡度约10～15°，由于距陡崖下方约600 m处存在一个小山包，崩积物碎屑流在此分流向两侧，堆积呈不规则的扇形，摧毁坡脚大树脚组和桥边组部分房屋。堆积区呈现中部宽，前后缘窄的特点，水平距离约800～820 m，厚约4 m。物质在运移过程中，相互碰撞解体、耗散能量，导致大块体率先停积，小粒径岩体继续运移，整体上呈现随运移距离的增加块体粒径逐渐变小的趋势。扰动变形区（Ⅳ）根据所处位置可细化为3个区域：后缘扰动区（Ⅳ1）、北侧扰动区（Ⅳ2）和南侧扰动区（Ⅳ3）。后缘扰动区（Ⅳ1）主要受下沉与拉应力作用，生成多条近平行于坡向的拉裂缝和深大拉陷槽；
北侧扰动区（Ⅳ2）变形迹象较弱，发育一处小型崩塌；
南侧扰动区（Ⅳ3）主要受崩塌失稳岩体的拖拽作用，发育多条裂缝。

为了探讨西南岩溶山区斜坡在采动条件下斜坡变形破坏规律，开展了以普洒崩塌为原型的底摩擦试验［23］，研究此类采动斜坡变形破坏演化过程与机制。

2.1 相似常数及配比确定

参考前人成果［24］，确定其相似材料为重石晶粉、石英砂、液体石蜡、膨润土，其相似材料具体配比如表1。

表1 相似材料成分配比表Table 1 Composition ratio of similar materials

以相似理论为依据，综合考虑地质原型、岩体的物理力学参数（表2）及试验设备尺寸确定其相似常数为800，模型大小为80 cm×75 cm，容重相似比与应力相似比分别为

表2 普洒崩塌岩石物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks of the Pusa avalanche

式中：C为相似系数；
L为几何尺寸；
γ为材料的容重；
σ为应力；
P和M分代表原型和模型。

2.2 试验方案设计

底摩擦试验能定性判别斜坡岩体在自重条件下的变形破坏过程，但不能进行精确的位移定量分析。本文引入DPDM技术［25］（岩土变形数字照相量测方法）进行了位移监测。

本次试验仪器的型号为DMC-1000变频调速底摩擦试验机，变频调速底摩擦试验机仪器的模板尺寸为800 mm×1 000 mm；
调速范围为0～100 r/min；
摩擦力为0～1 000 N。底摩擦试验以相似理论为理论基础，以几何相似为前提，使其模型与目标对象物理现象相似。根据圣维南原理，当模型足够薄时，摩擦力将均匀作用于模型。将相似材料制作的斜坡模型平铺在皮带上，机器转动时模型受到皮带滑动带来均匀摩擦力，此时将摩擦力可近似为重力，用于模拟斜坡在自重条件下的变形破坏。

模型以普洒崩塌主剖面为原型（图5）。由于坡体岩性结构复杂，综合考虑研究的目的及试验的可操作性，将模型进行一定的概化。斜坡概化为图6所示：T1y2概化为灰岩，T1y1概化为粉砂岩，P3c+d概化为灰岩，P3l概化为泥岩，煤层为M16、M14、M10三层煤。

图5 普洒崩塌工程地质剖面（Ⅰ-Ⅰ"）Fig.5 Pusa avalanche engineering geology section（Ⅰ-Ⅰ"）

图6 煤层开挖布置及测点布置图Fig.6 Coal seam excavation layout and survey point layout

模型堆制时，先按地层堆制，随后用小刀刻画层理与节理。经多次试验，硬岩合理层理间距为1.5 cm，软岩层理间距为1.0 cm，用煤线标记煤层位置，以便煤层开挖。

根据调查和收集资料，煤层开采顺序为M16→M14→M10。M16煤层设置三采区，开采顺序为1＃→2＃→3＃，M14煤层设置两采区，采空顺序为4＃→5＃，其中采区尺寸为10 cm×1 cm，煤柱尺寸为4 cm×1 cm，M10设置两采区，采空顺序为6＃→7＃；
同时在坡面、坡顶及坡体内部布置监测点（图6）。

在模型进行开挖之前，需要对模型进行预固结，以弥补先前因刻画模型的扰动。模拟结果表明：

在M16煤层开采后，采空区顶板产生卸荷作用，在重力作用下出现微小的变形，最大位移约1 mm，变形主要集中在采空区附近，如图7（a）、（g）所示；
M14煤层完全开采后，采空区顶板岩层轻微卸荷，并在重力与卸荷作用下出现弯曲下沉，最大总位移量达到2 mm，但模型整体未有明显变形迹象，如图7（b）、（h）所示。

图7 斜坡底摩擦试验变形破坏过程Fig.7 Deformation and failure process of slope bottom friction test

开挖M10煤层第一区段（6＃）时，顶板轻微下沉，层间离层现象明显，最大可达1 mm，老鹰嘴处裂隙有被拉开的趋势，如图7（c）、（i）所示；
开挖第二区段（7＃），随着采空区面积变大，顶板开始垮落，采空区覆岩形成冒落带（5 cm）及裂隙带（7 cm）；
随着时间的推移，覆岩变形加剧并向上拓展，甚至影响坡表。老鹰嘴山体出现明显的变形，最大位移达到7 mm，其位移方向朝临空面偏下，以竖向位移为主。M10采空边界坡顶附近也形成拉裂缝Lf1，宽约3 mm，呈“V”形，冒落带裂缝则呈倒“V”字形。斜坡整体最大位移为12.16 mm，位于M10采空区顶板附近，采空区覆岩出现明显冒落带和裂隙带。由于M10采空区覆岩的自重影响，斜坡中部M10与14之间的岩层弯曲下沉，最大位移达到6 mm。

如图7（d）、（j）所示：随着变形进一步发展，M10采空区被垮落岩体充填，拉裂缝Lf1拓宽，最大宽度达到1.2 cm，并追踪陡倾节理向下发展，最终与M10采空区贯通，形成深大裂缝，构成崩塌体后缘边界。裂缝Lf1临空侧岩体向临空面倾倒变形，岩层由缓倾内变为缓外倾；
老鹰嘴岩体变形加剧，最大位移达到22.96 mm，位移方向朝临空面偏下，同时鹰嘴前缘山体陡倾结构面拉裂、张开，形成裂缝Lf2，宽度约5 mm。受前缘临空条件影响，Lf2临空侧山体倾倒变形，重心向临空面偏转，同时Lf2追踪岩体内部陡倾节理进一步发展，遇到下部软岩时向临空方向偏转，进而沿着岩层层理剪切变形。

如图7（e）、（k）所示，Lf2临空侧岩体上部重心不断向临空方向移动，最大位移达到近50 mm，鹰嘴岩体发生倾倒破坏，下部岩体沿陡倾节理继续拉裂变形和沿层理蠕滑剪切变形，在长兴-大隆组（P3c+d）硬岩处受阻，形成“锁固段”；
受到上部岩体的自重的挤压作用，“锁固段”逐步被剪断突破剪出，斜坡整体失稳破坏。

如图7（f）所示，斜坡整体失稳破坏后，向下运动过程中，不断的撞击、铲刮坡面岩体，并逐渐解体，最终堆积于缓坡处。Lf1继续被拉开，坡顶处张开宽度约1.5 cm，并在Lf2与Lf1之间形成较大的崩塌残留体，下错位移有3 mm，可能再次发生破坏。

根据设置在斜坡表面位移监测点可以看出，在M16、M14煤层开采后，坡面变形位移较小，M10开采后，坡面变形急剧增大。随着采空面积的增大，坡面发生变形移动，剪出口附近的岩体受到向外的挤压，鹰嘴岩体沿已有的节理向外倾倒。坡面监测点JC1水平位移达到46 mm，竖向位移达到17 mm，整体坡面测点水平位移大于竖向位移（图8（a）、（b））；
鹰嘴前缘顶部监测点JC5位移最大，水平位移达到17 mm，竖向位移达到11 mm，整体上坡顶测点的水平位移大于竖向位移（图8（c）、（d））；
据监测点JC12知，采空区覆岩位移最大，水平位移达到10 mm，竖向位移达到15 mm，随着离采空距离越远位移逐渐变小，采空区覆岩主要以沉陷变形为主（图8（e）、（f））。总体而言，采空区覆岩以沉陷变形为主，在坡顶与坡面主要以水平位移为主；
随着变形的逐渐加剧，位移愈来愈大，斜坡最终发生倾倒（滑移）破坏。

图8 斜坡表面监测点及采空区覆岩测点位移Fig.8 Displacement of monitoring points on slope surface and overlying rock in goaf

底摩擦试验结果与现场调查坡顶面裂缝分布、崩塌体变形破坏过程是很相似的，说明了底摩擦试验结果具有较好的参考价值，试验结果揭露了坡体内部采空顶板弯曲破坏和岩体内部裂缝发展过程和趋势，展示了普洒崩塌的变形破坏全过程，可将普洒崩塌的变形破坏过程分为5个阶段（如图9）。

图9 普洒崩塌变形破坏演化过程示意图Fig.9 Diagram of the evolution process of Pusa avalanche deformation and failure

（1）自然演化阶段

自然条件下，斜坡地形高陡，“上硬下软”坡体结构。软岩在上部硬岩的自重下挤压变形，坡体因卸荷产生卸荷裂隙，加之此处常年浓雾且雨水较多，溶蚀较为强烈，降低岩体强度，加剧坡体不稳定性。此阶段，山体在外部营力作用下，坡顶裂隙受到溶蚀，强度降低，为裂缝产生与发展创造有利条件。

（2）煤层开采扰动阶段

长期的煤层开采扰动上部山体，改变斜坡的原有的应力平衡，应力重分布。随着采空区面积不断变大，加剧对上部山体的扰动，促进结构面拉张与错动，不利于斜坡稳定，斜坡开始产生变形。此阶段，山体主要受到采动的影响，岩体被一定程度的扰动。

（3）采空区塌陷阶段

随着煤层开采推进，采空区范围进一步扩大，采空区顶板因失去支撑产生弯曲、沉陷及垮落，并且采空区覆岩变形范围向上发展，逐渐影响到坡表，使斜坡变形加剧。此阶段，山体中部的岩体受煤层采空区的影响，主要以沉陷变形为主，坡顶裂隙有被拉开的趋势。

（4）坡顶裂缝形成阶段

覆岩变形向上发展，坡顶产生显著变形。采空区边界坡顶裂缝被拉开，形成深大裂缝。此裂缝沿岩体陡倾的结构面向下发展，逐渐与下部沉陷“三带”贯通，构成灾害体的后缘边界。受采空区覆岩塌陷的影响，采空区上覆岩层由缓内倾变为缓外倾，为后缘裂缝的发展创造有利条件。后缘裂缝向下发展，进入软岩岩层后，由于软岩的强度较低，裂缝发展向临空方向偏移，追踪岩体陡倾节理及缓外倾层面蠕滑变形，加剧崩塌体重心向临空面偏转。此阶段，老鹰嘴崩塌体整体有向临空方向倾倒的趋势，坡顶的裂隙被拉开，形成深大裂缝。

（5）斜坡失稳阶段

崩塌体向临空面倾倒变形，与山体分离。后缘裂缝向下发展过程中，崩塌体下部岩体向临空方向剪切变形，于长兴-大隆组（P3c+d）硬岩处受阻，形成局部的“锁固段”。在上部岩体的重力压缩及挤压作用下，突破“锁固段”，于夜郎组（T1y）与长兴-大隆组（P3c+d）界面附近剪出，崩塌体整体破坏，灾害发生。崩塌岩体向下运动过程中，撞击、铲刮坡表岩体形成碎屑岩块，堆积于坡脚缓坡处。此阶段，灾害发生，堆积于斜坡下部缓坡处，在坡顶还残留部分危岩体。

崩塌区处于采空区影响范围内，加之坡体内部岩体节理裂隙发育，使斜坡具有变形破坏条件。地下开采扰动上部岩体，在采空区覆岩中部以竖直向下的沉陷为主；
随着覆岩变形向上发展，在采空区边界坡顶处岩体拉裂形成深大裂缝，构成后缘边界。裂缝Lf2前侧崩塌体受采动影响重心向临空面移动，崩塌体上部以水平位移为主，老鹰嘴山体发生倾倒变形。裂缝进一步向下发展与拓宽，山体倾倒变形加剧；
当裂缝发展到下部软岩岩层时，裂缝向坡面偏转发生蠕滑剪切变形，最终突破坡面附近“锁固段”剪出，整体发生倾倒失稳破坏。斜坡的变形破坏机制可概括为：采空—拉裂—蠕滑—剪断（倾倒）。

本文通过野外调查与底摩擦试验手段，在分析其斜坡所处的地质环境与变形破坏特征的基础上，探讨平缓倾内斜坡在地下采动条件下变形破坏机制，得到其以下认识：

（1）普洒崩塌为典型高陡“上硬下软”-岩溶裂隙发育-采空控制组合型的高速远程崩滑碎屑流灾害。斜坡地形高陡，呈现“上硬下软”坡体结构（硬岩主要为灰岩、泥质灰岩与砂岩，软岩为泥岩、煤层）；
坡体内部发育三组节理，切割岩体，呈不规则“三棱柱”，崩塌边界裂缝追踪其节理裂隙发展；
坡体三面临空，为崩塌的发生提供运移空间。地下采动为诱发斜坡变形破坏的主因，采动加剧斜坡的变形，岩体碎裂，斜坡失稳破坏，最终崩塌体高速沿坡面以碎屑流方式运移。

（2）普洒崩塌是长期累进性破坏的结果，具有时效性。斜坡的变形滞后于地下开采，只有当采空区达到一定面积时，顶板冒落、离层，引起采空区覆岩变形加剧，采空区边界坡顶附近产生拉裂缝，裂缝追踪原有节理裂隙向下发展，进入软岩层后，裂缝发展向临空面偏转，发生蠕滑剪切变形，最终剪断坡面附近“锁固段”，斜坡上部山体发生倾倒，下部岩体滑移，导致斜坡失稳破坏，形成灾害。

（3）普洒崩塌的变形破坏演化过程分为4个阶段：自然演化阶段、开采扰动阶段、坡顶裂缝形成阶段和斜坡失稳阶段；
其变形破坏机制为：采空—拉裂—蠕滑—剪断（倾倒）。

崩滑灾害与岩体抗拉强度、抗剪强度有着重要的关系，考虑抗拉强度对于认识崩滑变形破坏规律具有重要作用，也为更清楚认识斜坡变形机制提供参考。但本文在底摩擦试验中只考虑了岩体抗剪强度来研究斜坡变形破坏机理，考虑的主控因素有限。因此，下一步应考虑更多的因素，如抗拉强度，以便更好地符合实际情况，深入认识斜坡变形破坏机制。

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