山西煤矿区滑坡特征及分类_焦姗.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Beifang Shidai Architectural Survey and Design Research Institute Co. Ltd., Chifeng 024000, China Abstract Landslide classification research is the foundation and emphasis of landslide research. Through a plenty of survey analysis and investigations of engineering practice of landslide geological disasters in Shanxi coal mining area, we summarize five types of landslides according to stratigraphic, lithological, motion features and inducing mechanism over-sliding loess landslides along the bedrock surface; creep-extrusion loess landslides; water inva- sion slippery loess landslides; coal seam to spontaneous overturning-tension crack sliding rock landslide; Creep-extensional faulting rock landslides subject to joints control. According to the research, results are as follows loess in sliding zone is commonly loose soil, the sliding surface of rocky landslide is weak structural plane thin mudstone or coal; except for the skid type loess landslide, others are low-speed landslides, of which typical char- acteristic is that it lasted long and has a short total displacement and a small effect range, but the landslide thrust is strong and destructive, which may cause more damage. The study refines the content of landslide classification, which can be a prevention guide to the similar landslide geological disaster in Shanxi mining area. Keywords landslide; landslide types; mining area; disaster prevention; failure mode 山西省位于我国中北部，面积约 1.57105 km2， 其中山地面积占 40，丘陵占 40.3，平原和台地 仅占 19.7[1]，地势起伏较大。此外，山西省作为 煤炭大省，含煤面积约 6.2104 km2，煤矿约 1 000 座。多年以来，人类工程活动日趋活跃，对矿产资 源进行持续开采，并不断扩大矿区建设规模，导致 地质灾害的发生愈发频繁，也使得山西省成为滑坡 地质灾害较为严重的省份[2-3]。滑坡灾害具有特殊 性、复杂性和多样性[4-5]，开展对煤矿区滑坡的系统 总结研究具有重要的现实意义。 滑坡的形成机制十分复杂[6-9]，在形成与演化的 过程中既受构成滑坡的岩土体物理力学性质变化等 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 45 卷 内在因素的控制，又受气候、水、人类工程活动等 外部因素的强烈影响， 且这些因素都是动态变化的。 而对滑坡灾害进行分类能够清楚地概括出滑坡灾害 的各种表象特征以及促使其发生的各种内外界因 素， 从而清晰扼要地反映滑坡作用的内外在规律[10]。 故 对滑坡进行科学的分类不仅能够深化对滑坡的认识， 而且能够指导其勘察、评价、预测和防治工作[11]。因 此，很多学者根据滑坡体的赋存条件、成因、运动 特征、破坏机理等因素进行过不同的划分[12-17]。 但滑坡发育的复杂性和多因素性，在区域上仍 体现其特殊性。山西省的特殊性表现在其大面积含 煤地层的存在，使得地下采矿活动活跃、地面弃渣 及设施堆放严重，导致地面开裂、崩塌和滑坡等地 质灾害频繁发生。而地下采矿活动产生的上覆岩土 体变形破坏引起的滑坡灾害是一个复杂的过程。为 此，本文在前人研究的基础上，进一步细化滑坡分 类的内容，根据煤矿区滑坡发育的地层特征、岩性 特征、力学特征与诱发机制等要素条件，划分山西 煤矿区滑坡地质灾害的基本类型，并与原来的滑坡 分类相比，以便使新的滑坡分类更加贴近山西省煤 矿区滑坡发育的实际，有利于对山西煤矿区滑坡规 律的深入认识和灾害防治。 1 山西煤矿区地层结构特征与滑坡样本统计 山西全省除少数地区基岩裸露以外，大部分地 区覆盖数十米厚的黄土。其中，河东煤田所处的晋 西黄土丘陵沟壑区，覆盖很厚的风积型黄土，下部 基岩以二叠系和三叠系砂、页岩为主，构造简单， 为向西缓倾的单斜构造，新构造运动稳定上升；宁 武煤田、西山煤田、霍西煤田境内，即汾河阶地部 位，上覆厚层黄土，下部以湖相堆积的杂色黏性土 为主；宁武煤田北部和大同煤田上覆薄层黄土或黄 土状土，颗粒较粗，下伏砂土或基岩；沁水煤田地 区有基岩裸露，多为砂页岩或煤系及其相关岩石， 另有一些薄层煤线分布。山西省煤矿区的地层结构 特征呈区域性分布，且据调查，不同区域内均发生 过多起滑坡地质灾害。为此，笔者根据多年工程实 践积累， 在不同区域内调查分析了共 40 起滑坡灾害 图 1，对其地层结构、变形破坏模式、诱发因素等 方面进行分析。在前人成果的基础上，寻求煤矿区 滑坡特有的发育特征及规律，为煤矿区滑坡灾害的 防治提供理论基础。 2 山西省煤矿区滑坡分类 按坡体岩土介质组成特征可将煤矿区滑坡分为 2 种类型黄土覆盖区的黄土滑坡以及基岩出露区 图 1 山西省煤田分布与滑坡点分布图 Fig.1 Coal field distribution and the distribution of landslide points in Shanxi 的岩质滑坡。两类滑坡无论在地层结构、岩性特征 等内在因素方面还是在诱发机制等外在因素上都大 有不同。且同一类型的滑坡也有所差异，为深入了 解其发育规律，在两类滑坡的基础上，笔者把滑坡 基本特征、力学机理、诱发机制等多个因素考虑在 内，将山西省煤矿区滑坡进一步细分为以下 5 种类 型表 1。 2.1 顺基岩面推移滑动型黄土滑坡 2.1.1 基本特征 滑带土为厚层松散黄土，透水性较好；下伏基 岩透水性差，易形成隔水层，且基岩倾向与斜坡坡 向相同，倾角一般小于坡脚。滑坡主滑面为黄土和 基岩的接触面。 2.1.2 基本模式 此类滑坡为推移式滑坡， 其发生是由于外界因素 将坡体内部的原始应力平衡状态打破， 坡体的不同位 置产生不同程度的附加应力及应变， 在滑坡体潜在顺 层滑面上基岩与黄土接触面产生应力集中现象，在 重力作用下向下推移，蠕滑形成滑坡图 2。 2.1.3 诱发因素 导致该类滑坡发生的人为因素主要是地下采煤 活动和坡体堆载；自然因素主要为暴雨。 ChaoXing 第 3 期 焦姗等 山西煤矿区滑坡特征及分类 103 表 1 滑坡样本分类 Table 1 Classification of landslide samples 滑坡分类 代表滑坡 顺基岩面推移 滑动型黄土 滑坡 2、3大同煤矿滑坡，6浑源滑坡，7偏关县 煤矿滑坡，10娄烦马家岩煤矿滑坡，14柳 林禄聚峁滑坡，20米峪镇乡滑坡，22顺道 村滑坡，23娄烦县黑山岔煤矿滑坡，28双 柳煤矿滑坡，37运城某煤矿滑坡，25阳泉 平坦镇煤矿滑坡，26灵北煤矿滑坡，40翼 城某煤矿滑坡 蠕滑挤出型 黄土滑坡 12柳林金家庄滑坡，16贺西煤矿滑坡，17 岢岚滑坡，18娄烦县新庄子村煤矿滑坡， 19赤泥泉村正子梁滑坡，21新梁庄村滑坡， 24天池煤业工业广场北侧滑坡，29孝义曙 光煤矿滑坡，33沁水鹿台山煤矿滑坡，39 吕梁辛庄镇某滑坡 水浸溜滑型黄 土滑坡 1、4、5大同煤矿滑坡，9朔州东易煤矿滑 坡，27灵石某煤矿滑坡，30西铭煤矿滑坡， 31正城煤矿滑坡 煤层自燃倾覆 拉裂滑移型 岩质滑坡 11西山官地矿滑坡，38临汾某煤矿滑坡 受节理控制的 蠕滑张裂型 岩质滑坡 8阳泉河底镇滑坡，13交口某滑坡，15朱家 店煤矿滑坡，32临汾某煤矿滑坡，34北山 煤矿滑坡，35古县某滑坡，36张家庄滑坡 图 2 顺基岩面推移滑动型黄土滑坡基本模式图 Fig.2 Basic mode of over-sliding loess landslides along the bedrock surface 采煤活动是导致此类滑坡的直接因素，地下采 空使上覆岩土体受到扰动，原始应力平衡状态被破 坏，松散黄土层发生剪切错动，抗滑力减小；加上 坡体不合理堆载等间接因素弃渣、煤矸石等常常就 近堆载于开采活动附近的坡体，增大了坡体下滑 力，加速推移式滑坡的形成。暴雨是该类滑坡形成 的触发因素，坡体应力平衡破坏后，坡面上产生的 张拉裂隙增多，雨水通过裂隙渗入坡体，一方面使 土体软化，强度降低；另一方面在黄土和基岩接触 面储水，为滑坡形成创造了条件。 2.1.4 分布特征 该类滑坡分布范围较广，与人类工程活动关系 密切，多分布于晋西、晋西北、晋西南的黄土丘陵 沟壑区，这些区域受季风气候的影响，上覆风积型 黄土或砂黄土，土质松散，矿区内有地下采煤活动 或坡体堆载废弃物的斜坡，其岩土体应力平衡可能 已经遭到破坏，在暴雨发生时可导致低角度的顺坡 顺层滑坡形成。 2.1.5 工程实例 灵北煤矿滑坡图 3位于山西省灵石市， 为一老 滑坡，发育在黄土覆盖的陡峭山坡，基岩面风化严 重，岩体破碎，地下水沿基岩面以上的滑带向下流 动，滑体物质被软化，抗剪强度降低，沿风化基岩 层面向下滑动，形成明显的后壁陡坎。 图 3 灵北煤矿滑坡剖面 Fig.3 Landslide section of Lingbei coal mine 2.2 蠕滑挤出型黄土滑坡 2.2.1 基本特征 滑带土多为松散黄土层，透水性好；滑床为硬 塑红黏土，透水性差，遇水易软化，黏土层倾向与 斜坡坡向相同；黏土以下为基岩，产状平缓。 2.2.2 基本模式 此类滑坡为蠕滑推挤型， 由于红黏土层隔水， 黄土层含水量升高后，下滑力增加。且黏土遇水软 化，使上覆土层具备沿软弱黏土层下滑的条件，但 由于黏土层土质特殊，使下滑渐渐受阻，造成坡脚 附近黏土层承受纵向压应力，因上覆土层的推压发 生弯曲变形，红黏土挤出图 4。 图 4 蠕滑挤出型黄土滑坡基本模式图 Fig.4 Basic mode of creep-extrusion loess landslides 2.2.3 诱发因素 导致该类滑坡发生的自然因素主要是暴雨和地 下水，人为因素主要为生活污水、工业废水的排放。 废水、污水排入坡体，导致坡体内隔水层以上 土体含水量渐渐升高，日积月累，使得坡体土层强 度降低。另外，此类滑坡一般地下水埋深较浅，使 滑床黏土层软化，为上覆土层沿滑移面下滑创造了 条件；在暴雨冲刷及入渗的影响下直接导致滑坡的 发生。 2.2.4 分布特征 独特的地层特征加上水的影响可导致黏土层以 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 45 卷 上坡体的滑动。据统计，在汾河阶地部位及晋西黄 土丘陵沟壑区此类滑坡非常多见。这些区域除具备 该类滑坡形成的基本地质条件以外，城市周边多工 业场地，工业废水、生活污水排放渗入坡体滞于黏 土层之上，降低坡体及软弱层强度；另外，矿区内 多沟谷发育，工业场地筑于黄土塬上，废水、废弃 物等顺坡排放或堆载，可导致该类滑坡。 2.2.5 工程实例 贺西煤矿滑坡图 5，地处黄土丘陵沟壑区，地 形起伏较大，地貌形态为因滑坡崩塌形成的堆积滑 坡。滑带土松散易储水，沿红黏土层表面滑移。 图 5 贺西煤矿滑坡剖面图 Fig.5 Landslide section of Hexi coal mine 2.3 水浸溜滑型黄土滑坡 2.3.1 基本特征 滑体为黄土或黄土状土；滑带为松散破碎岩体 或碎石土，干强度较高，遇水易崩解；下伏基岩透 水性差，使得滑床易成为富水场所。因滑带碎石土 或破碎岩体含水量高而导致抗滑力很小，滑坡沿基 岩面快速滑动。 2.3.2 基本模式 此类滑坡为塑流–拉裂型， 下伏破碎岩体或碎石 土遇水后， 在上覆土体的压力作用下产生塑性流动， 导致上覆黄土与后缘拉裂、解体，原始应力平衡被 完全破坏，随滑带岩土层溜滑，滑速较大，危害严 重图 6。 图 6 水浸溜滑型黄土滑坡基本模式图 Fig.6 Basic mode of sketch of water invasion slippery loess landslides 2.3.3 诱发因素 导致该类滑坡形成的人为因素主要是坡体堆载 和污废水排放；自然因素主要为暴雨。 采煤活动产生的弃渣、煤矸石等以及生活废物 既可增加坡体下滑力，也可单独作为滑体，形成滑 坡；矿区内或城市生活污水及工业废水排入坡体或 沟谷，成为滑坡形成的直接因素。大量雨水渗入滑 带，破碎岩体或碎石土解体，成滚动或溜滑态，形 成快速滑坡。 2.3.4 分布特征 该类滑坡多发于剥蚀作用强烈的山区，与水有 着重要的联系。故在降雨量大、地下水位较浅或坡 顶有生活污水、工业废水排出的地区较为多见。据 统计结果，在沁水煤田北部以及宁武煤田、大同煤 田等地区有该类滑坡发育。 煤矿区内合理处理废渣、 废水即可有效避免该类滑坡的发生。 西铭煤矿滑坡图 7位于太原市万柏林区太佳 公路西侧，滑坡物质主要由回填土、黄土及风化严 重碎石土构成，结构松散，透水性好；下伏基岩为 砂岩夹泥岩，产状平缓，具隔水性质。滑坡区附近 有冲沟发育，使得降雨集中，有利于滑坡的形成。 图 7 西铭煤矿滑坡剖面图 Fig.7 Landslide section of Ximing coal mine 2.4 煤层自燃倾覆拉裂滑移型岩质滑坡 2.4.1 基本特征 此类滑坡的地层多为砂页岩、泥岩或煤系岩夹 煤线，滑带为自燃煤线或泥岩薄层。坡面风化严重， 节理裂隙发育，为煤层氧化自燃创造了条件，滑体 为软弱结构面上部的破碎岩体。滑坡后缘岩体受张 拉应力的作用，产生明显的卸荷张拉裂隙。 2.4.2 基本模式 此类滑坡以滑移–拉裂破坏为主， 煤层自燃后地 层内产生空洞区或者软弱带，使上覆岩体的应力平 衡受到破坏，局部产生崩落、滑塌现象，岩体破碎 后在重力或外力作用下顺软弱结构面滑移图 8。 2.4.3 诱发因素 导致此类滑坡形成的自然因素为煤层氧化；人 为因素为地下采空、开挖坡脚。 坡面节理发育使得岩体内空气流通，为煤层氧 ChaoXing 第 3 期 焦姗等 山西煤矿区滑坡特征及分类 105 图 8 煤层自燃倾覆拉裂滑移型岩质滑坡基本模式图 Fig.8 Basic mode of sketch of coal seam to spontaneous overturning-tension crack sliding rock landslide 化自燃创造条件， 导致上覆岩体应力平衡受到破坏， 边坡失稳形成滑坡。采空区的存在，一定程度上改 变了岩体空间上的应力分布状态，为滑坡的发生创 造条件；开挖坡脚为滑坡形成的直接触发因素。 2.4.4 分布特征 此类滑坡多发育在煤层埋深较浅地区，目前山 西省煤矿开采的煤层，除了沁水煤田的长治、晋城 矿区以外，均有自燃的倾向，其中尤以朔州、大同、 忻州、 阳泉矿区和太原矿区开采的 15 号煤层自燃情 况较为严重。由此引起的滑坡也比较多见。 2.4.5 工程实例 西山官地矿煤自燃引起的滑坡图 9， 发育在沟 谷斜坡地貌区，地表剥蚀风化严重，坡体由倾向坡 面的的煤线、块状岩体组成，且垂直节理发育；煤 层自燃后，坡体结构受到破坏，产生滑塌现象，后 缘拉裂，破碎岩体沿软弱面滑移形成滑坡。滑坡面 上陡下缓，呈“L”型。 图 9 官地煤矿滑坡剖面图 Fig.9 Landslide section of Guandi coal mine 2.5 受节理控制的蠕滑张裂型岩质滑坡 2.5.1 基本特征 该类岩质滑坡坡体中节理裂隙十分发育，甚至 形成垂直裂缝，在水或风化作用的不断影响下向下 贯通，形成贯通结构面。上部岩体沿贯通结构面向 下滑动，与滑坡后缘形成明显的分界。后缘岩体较 为完整，滑动岩体破碎严重。 2.5.2 基本模式 此类滑坡为张裂蠕滑型， 贯通结构面形成后， 后缘裂缝在外力作用下继续张裂，坡体内部发生应 力重分布，当贯通结构面演变到一定程度时，便可 使上覆破碎岩体的下滑力超过该面的实际抗剪阻 力，则形成滑坡图 10。 图 10 受节理控制的蠕滑张裂型岩质滑坡基本模式图 Fig.10 Basic mode of sketch of creep-extensional faulting rock landslides controlled by joints 2.5.3 诱发因素 导致此类滑坡发生的自然因素主要是风化作用 和降雨；人为因素主要为开挖坡脚。 节理裂隙受风化作用和降雨的影响产生张拉应 力，使坡体上部节理张开产生裂缝，向下贯通形成 滑移面，为滑坡形成创造条件。在坡脚被开挖以后， 坡体受到卸荷回弹作用，导致破碎状的岩块脱离主 体，沿坡面滑落，形成滑坡。 2.5.4 分布特征 岩质滑坡在山西省发育较少，且此类滑坡发育 受外界影响严重，多发育在坡体风化严重、节理裂 隙发育的低中山区。根据统计结果，在沁水煤田的 临汾、晋中等地区均有发育，其他煤田内少见。 2.5.5 工程实例 北山煤矿滑坡图 11位于晋中市榆次区北，所 在区域地形复杂，沟谷发育，短历时暴雨频率高。 图 11 北山煤矿滑坡剖面图 Fig.11 Cross section of Beishan landslide ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 45 卷 坡体主要由泥岩、砂岩构成，节理裂隙十分发育， 且由于人类工程开挖，使得岩体失去支撑，因此后 缘裂缝进一步发展，坡体连续滑动，形成滑坡。 3 结 论 a. 山西省煤矿区滑坡地质灾害主要有 5种常见 类型顺基岩面推移滑动型黄土滑坡；蠕滑挤 出型黄土滑坡；水浸溜滑型黄土滑坡；煤层自燃倾 覆拉裂滑移型岩质滑坡；受节理控制的蠕滑张 裂型岩质滑坡。 b. 黄土滑坡是由于上覆黄土层物质结构松散， 下伏透水性较差岩土层，其接触面易储水，在外界 诱发条件或自身重力作用下而发生的；岩质滑坡主 要受软弱结构面控制，经常与崩塌一起发生。溜滑 型黄土滑坡和沿基岩面挫滑型黄土滑坡滑动速度较 快，其他均为低速滑坡，低速滑坡历时长，滑距短， 致灾范围小，但滑坡推力大，破坏力强，易造成更 大损失。 c. 与原来的滑坡分类相比，这种新的滑坡分类 更加符合山西省煤矿区滑坡发育的实际，也使得滑 坡分类的内涵更加丰富，有利于对山西省煤矿区滑 坡规律的认识和灾害防治。 参考文献 [1] 龙建辉，崔丽鹏，郭启明，等. 关于山西省工程地质环境“3F” 问题链的探讨[J]. 工程地质学报，2004，225965–974. 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