采动和降雨影响下含深大裂隙岩溶山体破坏机制.pdf

第 46 卷第 6 期2023 年 6 月重庆大学学报Journal of Chongqing UniversityVol.46 No.6Jun.2023 采动和降雨影响下含深大裂隙岩溶山体破坏机制刘新荣1a,1b,1c，冉乔1a,1b，熊飞1a,1b，李滨2，杨忠平1a,1b,1c（1.重庆大学 a.土木工程学院；b.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；c.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045；2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081）摘要：为阐明采动和降雨入渗条件下含深大裂隙岩溶山体变形和破坏规律，以贵州省纳雍县普洒滑坡为例，通过块体离散元数值分析，探讨煤层开挖扰动和降雨入渗作用下含深大裂隙岩溶山体失稳破坏机制。结果表明，随着 M10和 M14煤层开采，山体上覆岩层向采空区方向下移，新生裂隙向坡表发育。工作面上覆岩层裂隙带高度随采空区范围的增大而增加，M10和 M14开采结束后，裂隙带分别发育至 30倍和 40倍采高，坡顶深大岩溶裂隙向坡下扩展。降雨入渗后，上覆岩层裂隙带与深大岩溶裂隙贯通，在孔隙水压力作用下深大岩溶裂隙向坡表扩展形成贯通滑动面，岩溶坡体发生崩滑破坏。研究发现，地下采动是普洒老鹰岩山体变形破坏的控制因素，后续降雨是山体失稳的主要诱发因素。关键词：岩溶斜坡；裂隙；地下开采；降雨；离散元中图分类号：P954 文献标志码：A 文章编号：1000-582X(2023)06-001-13Failure mechanism of karst mountain with deep and large fissures under the influence of mining and rainfallLIU Xinrong1a,1b,1c,RAN Qiao1a,1b,XIONG Fei1a,1b,LI Bin2,YANG Zhongping1a,1b,1c(1a.School of Civil Engineering;1b.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control;1c.National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China;2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China)Abstract:To clarify the deformation and failure law of karst mountain with deep and large fissures under the action of mining and rainfall,by taking the Pusa landslide in Nayong County of Guizhou Province as an example,the instability and failure mechanisms of karst mountain with deep and large fissures under the action of mining and rainfall were discussed through block discrete element numerical analysis.The results show that the overlying strata of the mountain moved down to the mined-out area with the mining of coal seams M10 and M14,and new fraclures developed to the slope surface.Simultaneously,the height of the the fracture zone of the overlying strata in working face increased with the increase of the goaf range.The fracture zone developed to 30 and 40 times the mining height after mining M10 and M14,respectively,and the deep karst fissure expanded to the lower slope.doi:10.11835/j.issn.1000.582X.2023.06.001收稿日期：2022-02-26基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFC1504802）。Supported by National Key Research and Development Program(2018YFC1504802).作者简介：刘新荣（1969），男，教授，博士生导师，主要从事隧道工程、边坡稳定性等研究，(E-mail)。通信作者：熊飞，男，博士研究生，(E-mail)。重 庆 大 学 学 报第 46 卷After rainfall and infiltration,the fracture zone of the overlying strata was connected with deep and large karst fissures.The deep and large karst fissures expanded to the slope surface to form a potential sliding surface under the action of pore water pressure,leading to the collapse and slide of the karst slope.Through comparative study,mining is the control factor of the deformation and destruction of the Laoyingyan Mountain,and subsequent rainfall is the main inducing factor of slope instability.Keywords:karst slopes;deep and large fissures;underground mining;rainfall;UDEC中国西南岩溶山区受长期构造运动和地下水侵蚀作用，岩溶作用强烈。受特殊的沉积环境和地质作用控制，山体上部普遍为陡峭硬质灰岩，下部为较缓软弱岩层，如页岩和泥岩等，形成上陡下缓的“靴”形地貌1。同时，这些区域采矿活动频繁，对山体扰动强烈，造成大量崩滑灾害23。由于山体应力分异和岩溶水的作用，山体通常发育深大裂隙，这些深大裂隙控制着山体的稳定性4。加上西南地区降雨强度大，持续时间长，作用在深大裂隙内的水压力极易触发受扰动岩溶山体的崩滑灾害5。因此，研究采动和降雨影响下含深大裂隙岩溶山体的稳定性尤为重要。岩溶崩滑灾害的发生受多种作用影响，主要包括自然因素和人类工程活动。岩溶山体内部裂隙发育，地下水的溶蚀作用强烈，形成大量岩溶裂隙和管道，地下水入渗后进一步扩展成深大岩溶裂隙6。深大裂隙底部易形成高应力集中区，导致裂隙扩展，影响岩溶山体的变形及破坏模式78。对于有后缘深大裂隙的边坡，裂缝充水高度越大，发生失稳可能性越大9。降雨入渗为岩溶山体的水力活动提供条件，水的力学作用使岩体质量和滑面滑动力增大10；水的润滑、软化和溶蚀以及水-岩相互作用导致裂隙发育和岩体强度降低，易引发重大滑坡灾害1112。同时，降雨入渗使坡体含水量自上而下逐渐变化，坡体与后缘形成较大水头差，造成坡体承受向外的渗流力，从而形成滑坡1315。中国西南岩溶山区蕴藏着丰富的煤炭资源，近些年开采活动越发频繁。地下开采引起岩层移动和断裂，在地下形成较大的采空区，极易诱发山体滑坡，例如，重庆武隆鸡冠岭滑坡16、云南郑雄滑坡17、贵州水城滑坡18和马达岭滑坡19。采动滑坡受多种因素影响，如降雨、地下采空、地震等20，采动后形成沉陷区，附近岩体发生明显变形，导致山体稳定性下降2123。西南岩溶山区采动滑坡中，地下开采引起坡体上部陡倾岩体层间错动、矿层岩体发生倾倒破坏、矿层下部岩体发生剪切破坏，导致山体倾倒-滑剪的失稳模式24-26。前人对采动作用后，岩溶坡体失稳破坏机制进行了详细研究，取得较多成果，但对于深大岩溶裂隙对采动山体稳定性的影响研究较少，考虑降雨作用后情况更为复杂，仍需进一步研究。以贵州省纳雍县普洒滑坡为研究对象，在现场调查的基础上，通过数值计算模拟高陡岩溶山体地下开采和降雨入渗过程，阐明含深大岩溶裂隙山体的破坏机制。1滑坡基本概况1.1地质环境条件贵州省纳雍县普洒“828”崩滑区属于构造剥蚀地貌，总体走向为西南，最高海拔 2 147 m，最低海拔 1 842 m，地形坡度 1025，部分地段坡度达到 5570。崩塌区裸露岩层主要包括三叠系下统夜郎组（T1y），上部主要为中厚层状灰岩，下部为砂质泥岩；二叠系上统长兴一大隆组（P3c+d），上部主要为泥质灰岩，下部为灰色中厚层状、薄层状灰岩；二叠系上统龙潭组（P3l），即地层，位于峨嵋山玄武岩组假整合面之上，主要由泥岩、粉砂质泥岩及煤层组成；地面被第四系土层覆盖。调查区内煤层和地层产状一致，均为单斜，倾向为 1381 878，倾角为 78108。受岩性组成影响，区内多形成“上硬下软、上陡下缓”的高陡斜坡。断裂构造较发育，主要不利断层有 F1、F2、F3，如图 1所示。2刘新荣，等：采动和降雨影响下含深大裂隙岩溶山体破坏机制第 6 期1.2水文气象条件纳雍县地处亚热带季风湿润气候区，气候温和，雨量充沛，年平均降雨量 1 200 1 300 mm。6月份降雨量到达峰值，为 223 mm；12 月份最少，为 22 mm；5 月9 月降雨集中，占全年总降水量的 70%以上。由图 2 可知，纳雍县张家湾 2017 年 1 月5 月降雨量较少，6 月和 7 月降雨集中，气候具有“久晴久雨”的特点。调查区地下水主要由大气降水提供，通过岩体微裂缝和岩溶管道渗透到地下，主要包括碳酸岩溶水、基岩裂隙水和松散岩石孔隙水。在降雨入渗下岩体裂隙形成静水压力，对山体内砂岩和泥灰岩起软化作用;纳雍地区位于云贵高原东部，阳光充足，岩体被长期曝晒，加剧岩体的碎裂程度1。1.3岩溶及裂隙发育特征普洒山体上部为可溶性灰岩，下部弱透水泥岩形成相对隔水层，有利于地下水的汇集6。在强降雨过图 1崩塌区地形地质图1Fig.1The landform geology of the collapse area1图 2纳雍县张家湾 2017年崩塌前逐月降雨量1Fig.2Monthly rainfall before the collapse of Zhangjiawan in Nayong County in 201713重 庆 大 学 学 报第 46 卷程中，雨水不能及时渗透到泥岩以下，导致稳定水位线以上形成大面积饱和区10。普洒地区 6 月7 月降雨量最为丰富，在强降雨作用下，一方面，导致地下水剧烈运动，集中在岩性敏感地带时产生地面塌陷坑，长度达到 5.2 m，如图 3（a）所示；另一方面，地下水沿着可溶岩层面流动，裂隙壁不断被溶蚀和冲蚀，在裂隙内不断聚集形成巨大的瞬时水压，裂隙进一步扩展，逐渐在山体上部形成深大岩溶裂隙，如图3（b）所示。根据地质资料27，2006年“老鹰岩”山体开始发生变形;2009年在崩塌区后缘存