王劉文，王彤標(biāo)，陳金宏

貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550025)

1 引言

危巖崩塌是貴州省煤礦開采引發(fā)的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1-2]，一旦失穩(wěn)，將給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來重大損失，而科學(xué)分析其穩(wěn)定性是采取合理防治措施的基礎(chǔ)[2]。范士凱等[3-4]提出采空區(qū)上邊坡穩(wěn)定性分析步驟方法和評(píng)價(jià)原則，對(duì)高陡山體下采礦與邊坡穩(wěn)定這類礦山地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行了總結(jié)概括，提出了采空區(qū)變形的理論計(jì)算方法。徐楊青等[5]總結(jié)了山體下方采空區(qū)不同布置、不同開采順序情況下山體的變形規(guī)律。丁麗萍[6]采用3DEC 數(shù)值模擬軟件，模擬了采空區(qū)塌陷誘發(fā)崩滑體的變形破壞演化過程。武中鵬等[7]以單體危巖崩塌為研究對(duì)象，計(jì)算不同工況的危巖失穩(wěn)概率，進(jìn)行落石軌跡模擬。目前，對(duì)穩(wěn)定性較差、山體較高或無法準(zhǔn)確界定其穩(wěn)定性的危巖崩塌，基本采用主動(dòng)的治理措施，包括避讓、清除、加固等[8-11]，采用被動(dòng)防護(hù)措施的較少。

本文在總結(jié)分析前人研究的基礎(chǔ)上，以遭受某煤礦開采影響的老鷹巖危巖崩塌為研究對(duì)象，從地質(zhì)環(huán)境條件、采空區(qū)與山體的位置關(guān)系、山體變形特征、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、煤層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面組合等方面對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出了“總體穩(wěn)定、局部崩落”的總體結(jié)論并提出了采用被動(dòng)防治的對(duì)策，推翻了原預(yù)定的搬遷避讓方案，節(jié)省了治理投資，可為類似危巖崩塌的治理提供借鑒。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

場(chǎng)地地處高坪復(fù)式向斜中段東翼，區(qū)內(nèi)分岔成寬緩復(fù)式向斜，傾角一般5°～15°。區(qū)內(nèi)地形總體上北高南低，海拔高程+1 436～+1 041 m，屬溶蝕剝蝕高原山地中山地貌。煤系地層分布地段地勢(shì)稍平緩，民房眾多；夜郎組地層多呈切向陡坡，老鷹巖近乎直立的山體高度最大可達(dá)200 m。

危巖隱患區(qū)出露地層從老至新為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)煤系地層、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P3c)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r、泥巖及第四系(Q)殘坡積層、崩塌堆積體。

區(qū)內(nèi)位于一背斜構(gòu)造核部，背斜延伸大于2 625 m，軸部走向NNE，東翼產(chǎn)狀90°～140°∠5°～65°，西翼產(chǎn)狀270°～300°∠5°～60°，陡崖處地層傾角約為15°，地形起伏大，形成高陡巖坎，為危巖崩塌的形成產(chǎn)生有利條件。周邊無區(qū)域性大斷層通過，區(qū)內(nèi)次級(jí)斷層也不發(fā)育，地震基本烈度6度。

區(qū)內(nèi)巖、土富水性弱，大氣降水通過巖、土中的風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、孔隙等滲入地下，場(chǎng)地地勢(shì)較高，基巖中裂隙發(fā)育，常呈開放狀態(tài)；地下水總體由北西向南東徑流。

3 危巖概況

危巖帶為二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P3c)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段(T1y1)泥質(zhì)灰?guī)r、玉龍山段(T1y2)灰?guī)r，地層傾向284°，傾角15°左右，危巖中近乎直立的節(jié)理裂隙發(fā)育。危巖帶臨空面傾向以85°～115°為主，南北走向約600 m，距坡腳高度60～220 m，平均高度約120 m，詳見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)環(huán)境平面圖

危巖巖性為三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段灰?guī)r，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)沙堡灣段鈣質(zhì)泥巖、泥巖夾薄層狀泥灰?guī)r，巖質(zhì)相對(duì)較軟，易受風(fēng)化剝蝕，使上部硬質(zhì)巖體局部失去支撐，加之危巖帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，自穩(wěn)能力較差，在內(nèi)外營(yíng)力作用下，發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性大。同時(shí)危巖帶位于某煤礦8081采空區(qū)影響范圍內(nèi)，目前采礦活動(dòng)引發(fā)的塌陷變形已基本趨于穩(wěn)定[10]，但受采煤塌陷引起的拉裂變形還未完全趨于穩(wěn)定，局部發(fā)生崩塌的可能性較大，陡峭的巖壁表面現(xiàn)狀發(fā)育多處危巖崩塌體，較為典型的主要有4處(WY1、WY2、WY3、WY4)，詳見圖2。

圖2 項(xiàng)目區(qū)地形地貌圖

4 危巖崩塌穩(wěn)定性分析

4.1 整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)煤礦提供的井上下對(duì)照?qǐng)D，8101采空區(qū)形成時(shí)間為2014年11月，2015年2月在東側(cè)(靠老鷹巖方向)地表出現(xiàn)裂縫、塌陷坑，裂縫持續(xù)變形時(shí)間為1～3個(gè)月，裂縫延伸長(zhǎng)，開裂寬度大，最大變形寬度達(dá)12.5 m，為采煤采空區(qū)塌陷引起的塌陷變形破壞；至2015年6月中旬，裂縫變形基本穩(wěn)定；至2018年6月調(diào)查之日，裂縫已部分被填充，未見持續(xù)變形跡象。8101采空區(qū)自形成以來至調(diào)查之日已近4 a，采空區(qū)上層覆巖為灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r等，綜合判定為堅(jiān)硬覆巖，地表移動(dòng)變形已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)[12]。

8101采空區(qū)邊界距陡崖(危巖)約80 m，在北段危巖后方裂縫延展方向與采空區(qū)邊界一致，礦山實(shí)測(cè)移動(dòng)角為70°，危巖帶山體頂部位于礦山開采影響范圍內(nèi)，采礦活動(dòng)對(duì)崩塌的形成影響較大。 由于現(xiàn)狀產(chǎn)生裂縫及陷坑靠近北部危巖帶，以靠近北側(cè)的勘查剖面3-3′為例，按最大影響范圍r的一般計(jì)算式和最大拉伸、壓縮點(diǎn)(±0.4r)的計(jì)算準(zhǔn)則，核算老鷹巖北段主裂縫帶產(chǎn)生及其分布的必然性。如圖3所示，開采邊界處采深H=212 m，影響范圍角(裂縫角)β=70°，則影響范圍、最大拉伸點(diǎn)分別為：

圖3 老鷹巖危巖崩塌3-3′工程地質(zhì)剖面圖

4.2 局部穩(wěn)定性分析

老鷹巖危巖崩塌發(fā)育于三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r中，地勢(shì)陡峭，坡度75°～90°。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，灰?guī)r呈薄～中層狀，層面、坡面、節(jié)理面相互構(gòu)成不利組合結(jié)構(gòu)面(表1)，表層巖體破碎，采煤塌陷引起的拉裂變形破壞，巖體產(chǎn)生應(yīng)力重分布，局部塊體應(yīng)力釋放，在采空區(qū)、結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化、植物根劈等因素影響下，容易引起巖體崩落，多組結(jié)構(gòu)面將巖體切割成不穩(wěn)定的塊體, 當(dāng)?shù)撞堪记话l(fā)育時(shí)， 使局部巖體臨空, 從而形成墜落式危巖，如危巖WY1、WY2、WY3、WY4，具體詳見表1、2。

表1 赤平投影分析表

表2 崩塌危巖形態(tài)特征及穩(wěn)定性表

5 防治措施

針對(duì)老鷹巖崩塌危巖的穩(wěn)定性分析結(jié)論，采用RocFall軟件模擬落石軌跡[7][13]，得出落石影響范圍和采用公式計(jì)算[2]及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果較吻合。根據(jù)落石影響范圍及危害程度，結(jié)合場(chǎng)地的建設(shè)需求，提出了以“落石槽+被動(dòng)網(wǎng)+監(jiān)測(cè)”為主導(dǎo)的被動(dòng)防治措施。

(1) 落石槽：為減小崩塌巖體的影響范圍及程度，結(jié)合危巖帶下方地勢(shì)較平緩的有利條件，在民房分布的危巖帶下方坡腳處設(shè)置一條落石槽。落石槽挖至基巖，深度不超過3 m，梯形斷面，開口寬6.0 m，底寬3.0 m，背坡面坡度為90°，全長(zhǎng)290.0 m。落石槽底部縱向坡率設(shè)置為0.2%，南高北低，在落石槽北側(cè)集中排水。

(2) 被動(dòng)網(wǎng)：滾石彈跳高度及影響范圍采用RocFall軟件數(shù)值模擬。根據(jù)軟件輸出的計(jì)算成果，水平-221.43 m位置(設(shè)置落石槽位置)，彈跳最大高度為2.53 m(圖4)，在此設(shè)置RX-100型被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)?？紤]到安全超高，防護(hù)網(wǎng)高度確定為3.5 m，設(shè)置長(zhǎng)度為295 m。

圖4 北翼落石反彈高度軌跡圖(加落石槽)

危巖帶南側(cè)下方為通村公路和廢棄東風(fēng)井場(chǎng)區(qū)，危巖帶南側(cè)陡壁上有危巖塊體，在南側(cè)危巖帶下設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以減小危巖對(duì)行人的威脅，設(shè)網(wǎng)位置的彈跳高度為4.01 m(圖5)，考慮安全超高，防護(hù)網(wǎng)高度確定為5.0 m，設(shè)置長(zhǎng)度為347 m。

圖5 南翼落石反彈高度軌跡圖

(3) 監(jiān)測(cè)：老鷹巖危巖崩塌西側(cè)可見某煤礦8101采空區(qū)形成的裂縫，在危巖帶頂部布設(shè)5個(gè)(JC1、JC2、JC3、JC4、JC5)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)危巖帶頂部位移情況；在危巖帶下方某煤礦東風(fēng)井滑坡治理抗滑樁樁頂布設(shè)1個(gè)(JC6)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)危巖下方崩積體的位移變形情況；相對(duì)軟弱層沙堡灣段(T1y1)泥質(zhì)灰?guī)r上布設(shè)2個(gè)(JC7、JC8)地表水平應(yīng)力計(jì)；崩塌西側(cè)兩處發(fā)育規(guī)模較大的地裂縫布置拉線位移儀(LFY1、LFY2)；選擇采煤影響范圍外的穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)高精度GPS基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站(JZ1)；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)崩塌危巖帶的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，監(jiān)測(cè)布置詳見圖1。從監(jiān)測(cè)的結(jié)果及監(jiān)測(cè)報(bào)告結(jié)論顯示危巖崩塌整體處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖6、圖7)。

圖6 JC8位移沉降曲線

圖7 JC2位移沉降曲線

6 防治效果

本文通過對(duì)危巖崩塌的現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析，得出老鷹巖危巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在沿層面滑動(dòng)、崩塌問題，僅可能出現(xiàn)危巖段零星掉塊的問題，據(jù)此對(duì)危巖崩塌的發(fā)展趨勢(shì)、影響范圍進(jìn)行了模擬計(jì)算，采用“被動(dòng)網(wǎng)+落石槽”的被動(dòng)防護(hù)措施(費(fèi)用331萬元)，避免了大量搬遷(費(fèi)用2 100萬元)。

治理項(xiàng)目從2018年開始施工，于2020年7月竣工驗(yàn)收完成，治理效果良好，至今危巖崩塌體整體穩(wěn)定，表明分析結(jié)論的正確性。在保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，減輕了地質(zhì)災(zāi)害的治理成本。

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 煤礦開采引發(fā)的山體開裂并不一定會(huì)引發(fā)崩塌或滑坡，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件、采空區(qū)與山體的位置關(guān)系、山體變形特征、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、煤層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面組合等方面等綜合分析其穩(wěn)定性。

(2) 危巖體在遭受煤礦開采影響的情況下若整體穩(wěn)定時(shí)，采用被動(dòng)防護(hù)的治理措施能取得良好的防治效果。