高原地区矿山开采沉陷区崩塌地质灾害隐患识别

高原地区矿山开采沉陷区崩塌地质灾害隐患识别

罗丽华 曹国献

昆明煤炭设计研究院有限公司  云南昆明  650051

摘要：随着云南矿山开采越来越多，开采沉陷区次生地质灾害问题也越多。本文根据崩塌地质灾害的识别、崩滑演化过程、崩塌分类及崩塌灾害形成内外因分析等方面进行探讨，根据典型案例进行分析，提出防治措施。

关键词：崩塌识别；内外因分析；防治措施

1.采空区引发崩塌地质灾害的识别

崩塌（也被称为崩落、垮塌或者塌方）是指山体突然分离，发生下滑和滚动，并在坡上堆积。关于地表(或者河床)运动和地质特征的研究中，我们观察到大小不等、零乱无序的岩块（土块）以锥形方式堆积在坡脚的堆积物称崩塌物，也被叫做岩石堆或是滚石堆，这种现象通常出现在超过60-70度的斜坡体上。当这些崩塌下来的材料被定义成是泥砂性质的时候，它就被命名为泥砂崩塌；如果它们是由岩石构成的话，则会被叫作岩石崩塌；而那些大型的崩塌事件，就成为了人们口中的山崩，至于小型的崩塌情况，则是被描述成了落石。

2.煤矿区崩滑灾害形成演化分析

近几十年，随着经济的快速发展，煤炭地下开采活动迅速增加，导致1/3的煤炭和其它矿产资源被深层开采，从而导致数万方至数千万方的山体崩滑灾害频繁出现，造成了大量人员伤亡和财产损失。据估算，中国已成为煤矿开采活动触发崩滑灾害事故最严重的国家之一，每年导致的直接经济损失超过数百亿元。其中在中国西南煤系地层山区，由于地下采矿活动诱发了多起高位链式崩滑，造成了多起灾难性地质灾害的发生。崩塌的形成可分成内因和外因两个方面，其中内因包括地形地貌、岩土体类型及地质构造，这是形成崩塌的主要条件；形成崩塌的外因较多，雨水和地下水是造成崩塌的诱发因素，煤矿开采、坡脚开挖等一些人为因素则是加快了崩塌的产生。

云南煤矿区开采所引起的滑坡常常伴随着崩塌的同时产生，简称崩滑。当人们进行煤矿开挖时，煤层顶板岩层会向着地下采空区方向倾斜，导致斜坡体出现变形现象，地表产生大量裂缝，随着煤矿的不断开采，地裂缝将不断扩大，直至贯穿斜坡体造成破坏，最终导致崩塌地质灾害的发生。

云南煤系地层山区地下采动型崩滑灾害一般出现在层状碳酸盐岩、碎屑岩组成的褶皱构造带的翼部、核部的陡崖带上，与地形地貌、地质构造和岩体结构、地层岩性和斜坡结构、岩溶作用及煤矿采矿活动等因素关系密切，在煤矿采矿活动影响下，具有不同控制因素组合叠加特征的山体斜坡将表现出不同的变形破坏特征和失稳方式。

3.崩塌分类

随着对山体斜坡研究的深入和识别技术的发展，人们的认识也越来越深入，崩塌灾害的分类也更细化。分述如下：

（1）倾倒型崩塌

通常情况下，倾倒型崩塌发生在具备垂直节理发育的坚硬岩体，多出现于河流两侧高陡岸坡与高山峡谷。其变形特性表现为：崩塌围绕底部的支撑点向临空面倾倒，在这个过程中重新分布了底部应力，引起崩塌底部岩体应力边界条件的调整，进而产生多种变形破坏模式。按照变形破坏模式的不同，倾倒型崩塌可再分类为：倾倒和倾倒压碎。倾倒式崩塌（图1）是上部岩体重心超过支撑点时，导致崩塌体稳定性降低，致使崩塌体向斜坡外倾倒。通常情况下，倾倒压碎式崩塌（图2）发生在地层倾角较平缓的坚硬岩体边坡，且垂直节理发育的的区域，同时底部岩层发育强度较低，上部岩体在风化或外部干扰的影响下向临空面倾斜，底部岩层受力过大导致被压碎，致使崩塌体不稳定。

倾倒型崩塌的破坏过程为：倾倒或倾倒—下坐。

（2）滑塌型崩塌

主要的差异在于，滑塌型崩塌发生在地形坡度超过50°，且高度超过30m的陡峭斜坡，破坏效果比岩质滑坡更为迅速、短促且强烈。两者破坏模式相似均为剪切破坏。

常见的滑塌型崩塌出现在底部有软弱岩层的斜坡地带，同时坡体结构面倾角较陡。滑塌类型可以分为两类：滑塌及倾倒滑塌。相比之下，滑塌式破坏（图3）通常发生在超过50度的陡坡，其中地层为软硬相间岩组，这种类型的结构面往往呈现出间断或连续贯通的形式。倾倒滑塌型崩塌（图4）常出现在河谷和陡峭峡谷地区，特别是那些底部拥有岩穴或内部凹陷斜坡的山体。受到风化或是其他环境因素的影响，这些地区的裂缝会逐渐延伸向下，导致上部岩石被压缩变形，从而使崩塌物朝着斜坡的外侧倾倒。在这个过程中，它们会在自身的重力影响下压碎下方的岩体，形成滑落或通过最具危险性的剪切面来实现剪切破坏。区分倾倒滑塌型崩塌和倾倒压碎型崩塌的关键在于前者母岩并未与其分离，但后者已经彻底分离开成为独立的区块。

（3）坠落型崩塌

坠落型崩塌按照岩体结构特征和受力破坏特征不同，可分为三种类型：悬臂梁（拉裂倾覆）式崩塌、坠落式崩塌、错断式崩塌。

（1）悬臂梁（拉裂倾覆）式崩塌

悬臂梁（拉裂倾覆）式崩塌（图5）通常发生在高陡的岩质山崖，地层软硬相间、厚度较小的区域。由于斜坡体为软硬相间的岩体组成，在风化作用影响下坡体内部形成岩穴，导致上部岩体凸出于母岩，像悬臂梁一样。悬臂梁式崩塌破坏模式为拉裂倾覆破坏。

2）坠落式崩塌

坠落式崩塌（图6）多出现于河流两侧高陡岸坡与悬崖处，通常发生在垂直和水平节理发育的坚硬岩石。通常，危岩体上部岩体相对完整且厚度大，它们被水平竖向的节理切割成块体；其底部有岩腔分布。而在上方，岩体悬浮在空中，主要支撑岩体的水平结构面承受着由其自身产生的拉应力，最终岩体形成拉伸破坏。

3）错断式崩塌

错断式崩塌（图7）又称壁挂式崩塌。错断式崩塌多出现于河谷与悬崖处，通常发生在垂直节理发育、且间距较小，水平节理一般发育的岩体结构。由于斜坡体底部被水流或风化侵蚀形成岩腔，斜坡上方岩体悬浮在空中，受自身剪应力和拉应力的影响，坡体强度不断降低，导致崩塌体不稳定下错坠落。

图5悬臂梁（拉裂倾覆）式崩塌概念模型图

4.内因分析

4.1 地形地貌

斜坡体坡度对岩体的稳固程度有着关键作用，通常来说，崩塌和滑坡等灾难多发于河谷深度较大且坡度陡峻的山区环境中。西南地区煤炭地质构造区的山体上部的地势较为陡峭，其峰顶几乎直立，下部则逐渐平缓，呈现出典型“上陡下缓”的“靴型”形态。

4.2 地质构造和岩体结构

由于上扬子地区地质特征的复杂性和构造模式的影响，导致了云南煤系地层地区的山体受到构造压力和张拉力的共同作用，形成了大规模且具有优势的斜坡形态。这种斜坡形态由各种类型的结构线交织而成，它们相互作用并把岩石分割成了“柱形”、“砖型”或者“平铺式”的形式。此外，这些结构线的缝隙常常被大量软弱碎石类黏土所填满，从而产生了多个临空面，成为了引发崩塌灾难的关键因素。

4.3 地层岩性和斜坡结构

云南省的山地崩塌地质灾害主要是由二叠系及三叠系的灰岩、白云岩等碳酸盐岩与砂砾岩组成的厚层、巨厚层的硬质岩石为主，同时还夹带有4～6层中薄层泥页岩等软质岩石。这种典型的“软硬相间，上硬下软”的组合特征, 成为了灾害发生的先决条件。不同类型的岩石组合和形成的斜坡构造会直接影响到崩塌地质灾害的不稳定形式，比如：如果斜坡上的岩层是泥页岩和砂岩混合在一起的话，因为泥页岩容易被水分侵蚀导致滑动失稳；相反，若斜坡上方的主要岩石是由灰岩、白云岩等坚硬岩石组成，下方则是较薄的软质岩石，那么就会因为软硬岩石的风化效应造成倾倒式的失稳；同样的情况也适用于整个或者绝大部分都是由灰岩、白云岩等坚硬岩石组成的斜坡，但需要注意的是，一旦底部碳酸盐岩受到溶解的影响，就可能会出现倾倒性的失稳现象；最后，如果底部硬质岩石遭受煤炭开采活动引起岩体破坏，则会导致坠落式的失稳情况的发生。

5.外因分析

5.1 岩溶作用

由于云南地区的地质构造中存在着“软硬相间、上硬下软”的特性，如灰岩与白云岩等碳酸盐岩的侵蚀过程常常导致这类硬质岩体产生大量的岩溶裂缝和空洞，使得季节性的岩溶通道流动强烈，进而使地下水活动明显，进一步削弱了岩体结构及软弱夹层的强度，并可能对关键块体的岩体强度带来破坏，最终会影响到斜坡的稳固程度。

5.2 地下煤矿作用

云南省的地层中蕴藏着丰富的矿物资源，已经探明的含矿地层达十二层之多，而其中的二叠纪时期的梁山组与龙潭组则是煤炭的重要来源，开采的主要矿产包括煤炭、铝土矿、铁矿石及磷矿等。然而，它们的平均厚度却相对较低，通常介于0.2至1.5米之间，因此大部分情况下采用了直接垮落法来开采煤炭。由于长时间的地下煤炭开采行为导致了这一地区的山体产生了大量的采空区。值得注意的是，这些采空区的具体位置、规模及其产生的破坏程度(如地质结构的变化)会因其所在的位置不同而有所变化。例如，它们可能位于山体的上端或者下端，也可能是沿着特定的走向发展，并有可能产生严重的破坏。

5.3 煤矿区崩塌演化过程

云南高原地区的煤矿多分布于山区，表现为高陡的斜坡地形、喀斯特地貌发育、基岩地表裸露、岩性复杂等都为崩塌的产生提供了物质条件；地表岩体风化节理裂隙发育，斜坡形成临空面，为崩塌的产生提供了边界条件；降雨和煤炭的开采加剧了崩塌的形成过程。将崩塌的形成过程大致分为以下五个阶段：

1、自然演化阶段

煤矿开采斜坡地形高陡区域，岩性“反倾、上硬下软”，斜坡上部灰岩溶蚀现象发育，在长期降雨的影响下灰岩易沿岩体结构面产生溶蚀裂隙，破坏了岩体结构；且上部硬岩层灰岩在自身重力作用下向下挤压下部软岩层，由于软岩层强度较低，易于被挤压变形，斜坡表面在卸荷作用下产生卸荷裂隙，且大多垂直于岩体的结构面向下发育，降低岩体的强度。

2、煤层开采扰动阶段

随着煤层的开采，地下采空区范围扩大，上覆岩体在开采不断扰动的情况下，斜坡应力也不断发生变化，加剧了山体斜坡整体稳定性的影响，致使斜坡体发生了缓慢的变形现象。

3、采空区塌陷阶段

随着煤层的进一步开采，采空区的范围越来越大，采空区产生陷落变形，煤层顶板岩层会向着地下采空区方向倾斜，在自身重力作用下不断向采空区方向弯曲下沉，岩层产生自下而上的倒“V”字型拉裂缝，在采空区边界岩层因下沉而与原岩层拉裂开，产生岩层的冒落带、导水裂缝带和弯曲带。

4、后缘拉裂缝形成阶段

随着时间不断的推移，斜坡体内部的冒落带、导水裂缝带和弯曲带不断向上发展，带动上覆硬岩的向下移动，致使坡体表面产生更多的拉裂缝，在长期的自然条件下，拉裂缝内大量充填了表层土体第四系粘土、砂砾及碎石等，在降雨影响下，雨水向拉裂缝中不断入渗，增加了岩体自身重力的同时还产生了静水压力，使斜坡前缘岩体不断向临空面倾倒，后缘拉裂缝不断向下拓展，当拉裂缝拓展到下部软弱岩层时，由于软岩强度较低，且上部岩体的重心不断向临空面发生偏转，裂缝不再向下拓展，转而向强度较低的软岩面剪切破坏。

5、破坏失稳阶段

当软岩层内的剪切裂缝剪断坡体表面时，上部岩体沿软硬岩层接触面蠕滑剪出，发生失稳，最终导致崩塌发生，上部失稳岩体在巨大的势能及动能向斜坡下部运动，铲刮斜坡中部的残坡积物，岩体不断碰撞解体，最终形成碎屑流堆积于斜坡表面。

6.白龙山煤矿案例分析

白龙山煤矿位于云南省曲靖市富源县以东区域，分布在老厂矿区范围内。这里储存着丰厚的煤炭资源并且其质量优良，因此成为了发电厂理想的动力来源。由于开采技术条件好，适宜建设大型矿山，已纳入云南省“十五”计划。

矿山开采过程中煤层采出后，上覆岩层失去支撑，能诱发地表崩塌、滑坡等。由于矿山规模较小，煤矿年限较短，采空区窄小，目前未见较大的地面破坏，仅有小型的崩塌，滑坡发生。区内崩塌较多，但规模却都较小，崩塌可划分为岩石崩塌、岩溶崩塌，土体坍塌和危石。

6.1 地质灾害剖析

1、孕灾背景

位于云南与贵州交界处的白龙山煤矿坐落于富源县的东南区域，其行政管辖权属于十八连山乡及黄泥河镇。此地区处于云贵高原的十八连山山脉，该山脉呈现出北东至南西的延伸趋势。地势北西高南东低，其中最高的峰是黑牛山，高度达到2412米；而最低的位置则是在扎外河磨坡段，海拔为1320米。为中山地形，高差一般300～600m。

大规模的采空区会导致地裂缝和地面塌陷，以及由此引发的崩塌和滑坡等地面变形。矿山开采后，30余米煤层被掏空，数十年乃至上百年后，将形成地下采空区，面积超过100km2，这将对矿山地质环境造成破坏。大面积的采空区致使上部地层失去支撑，地壳表层结构重新调整，逐渐引起地表下沉变形，产生地裂缝和塌陷，最终形成移动盆地。易发生于河谷地段或其它不均一沉降部位，斜坡体失稳派生崩塌、滑坡等地质灾害。采空区碎屑岩类，地表风化带较厚，加之煤矿对土体的松动和损坏，水土流失量也有可能增加。

2、崩塌分布及特征

评价区内无大的河流，山地切割深度较小。西部侵蚀峡谷地形高差一般小于500m；东部岩溶洼地区地形高差一般小于300m。区内崩塌较多，但规模却都较小，崩塌可划分为岩石崩塌、岩溶崩塌，土体坍塌和危石。

（1）岩石崩塌

B1幕乐崩塌

系煤矿开采引起的崩塌，位于幕乐村北西260m处，分布高程约2100m。岩石自山岭坠落，崩塌地层为T1f飞仙关组紫色泥岩、粉砂岩。据访问崩塌发生于2000年3月，崩塌发生前山体曾出现开裂，现仍存数条宽30cm、长100余米的裂缝。崩塌体高30m，宽60m，厚约15m，崩塌岩石量超过10000m3（见照片1）。崩塌发生于林地山坡，下方为退耕土地。崩塌未造成人员和房屋损失。此山岭仍有进一步崩塌的可能。崩塌体北边100m处，另一山岭也发生过崩塌，但仅及土层，规模较小。

照片1  B1崩塌地貌形态                 照片2  B2崩塌地貌形态

B2大河木得崩塌

系煤矿开采引起的崩塌，位于大河木得村东南200m处。崩塌分布高程2050m，岩石自山脊崩落，出现2个崩塌面。崩塌地层为T1f飞仙关组紫色泥岩、粉砂岩，崩落岩石大约2000m3左右（见照片2）。当地地形陡峭，坡度40°-60°，崩落的岩石堆积于山沟之中，该崩塌有进一步发展的趋势。

（2）岩溶崩塌

B3、B4崩塌

评价区东部为岩溶发育地区。岩溶崩塌多发生于洼地周围，落水洞或伏流入口附近，这些部位的溶蚀作用相对强烈，评价区内规模较大的岩溶崩塌较少。崩塌（B3）位于洒色村西南1300m处盲谷末端的“大落洞”上方，也有崩塌陡壁存在，陡壁高度约50m，出露地层为T1y永宁镇组灰岩（见照片3）。崩塌（B4）位于雨汪洼地下马戛村东南500m处，当地较大河流岔河在此经T1y永宁镇组灰岩中的溶洞以伏流形式潜入地下，伏流入口处峭壁矗立，高度逾50m，附近崩塌堆积环洼地边缘分布，溶洞前最大的坠石体积达15m3，重量逾30吨（见照片4）。评估区内的岩溶崩塌均为自然形成，发生地点无村庄、耕地，故对生产活动和生命财产影响甚微。

照片3  B3崩塌地貌形态                 照片4  B4崩塌地貌形态

（3）土体坍塌

区内山坡普遍分布厚度不一的残坡积土层，主要成分为风化碎石及土壤，厚度0-3m，当兴建道路或煤矿工业场地时，边坡移动会引发土体坍塌，但一般规模较小，体积一般数十立方米，多发生于雨季中连日降雨或暴雨天气，对道路影响频繁，但危害不大。

6.2 防治措施

1、矿区地质灾害的防治应本着减少灾害数量、减少灾害规模和减轻灾害损失的原则，制定合理的开采规模和开采方案，对城镇、矿山生产系统、村庄和自然保护区进行重点防护。

2、建立监测预警系统，对现有不良地质体、地形突出部位、断裂破碎带、煤层上覆地层进行重点监控，制定地质灾害防护工程预案。

3、开采前应对采区内现有高陡斜坡进行调查，并建立动态观测资料库，预测开采后发生地质灾害的可能性和危害程度，对重点防护对象应采取必要的防治措施；对开采中可能形成的崩塌，斜坡体应设置抗滑挡墙，抗滑桩，削坡与减载工程，并留设保护煤柱。

参考文献：

[1]余逍逍.岩溶山区平缓反倾采动斜坡变形破坏机制研究[D].贵州大学,2020.

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[3]王延平.崩塌灾害变形破坏机理与监测预警研究[D].成都理工大学,2016.