采矿条件下，斜坡原始应力状态发生改变，打破其初始应力平衡，在斜坡中产生应力重分布;采空区顶板产生变形、冒落引起地表的沉陷、开裂和塌陷，直至最后形成滑坡，常造成重大的经济损失和人员伤亡[1-2]。因此，对矿区由开采扰动引发的采动滑坡的研究具有重要的实用价值和巨大的社会经济意义。
开采扰动条件下，煤层上履岩体变形破坏引起的山体滑坡称为采动滑坡，上履岩体产生变形的斜坡称为采动斜坡[3]。采动滑坡的研究最先出现在15世纪的欧洲[4]，此后，JLCINSKY对德国鲁尔区的采动斜坡进行研究，1876年提出了“二等分理论”，1882年又提出了“自然斜面理论”[5]。汤伏全总结了国内矿山开采与斜坡失稳的研究成果，分析了采空后的斜坡应力变化规律及变形破坏现象，得到采空后坡体中首先会破坏软弱岩层或软弱结构面，形成潜在滑动面的结论，初步建立“开采沉陷学”与“滑坡学”之间的联系[6]。2009年发生的鸡尾山滑坡是由地下采矿诱发的块体滑动，由于其特殊的形成机制，开展了大量研究。XU等采用遥感、三维激光扫描、数值模拟等方法对受采矿活动等影响的鸡尾山滑坡进行分析，得出其变形特征及触发机制[7];YIN等采用FLAC3D软件对鸡尾山滑坡失效过程进行模拟，得到由重力、岩溶作用和与采矿活动作用叠加一种新破坏模式[8]，FENG等采用物理模拟方法，模拟了鸡尾山滑坡破坏过程，分析认为鸡尾山滑坡是由坡体结构，地下开采和岩溶共同作用的结果[9]。ZHENG等采用物理模拟方法研究由采矿引起崩塌的形成机理，提出了3种破坏模式，有助于采矿地质灾害的早期识别和及时预警[10]。贵州省都匀市青山煤矿马达岭滑坡是一个典型的平缓层状结构采动滑坡，王玉川等采用有限元方法对马达岭滑坡进行模拟分析，得出其形成模式为坍塌-张裂-剪切滑移[11];赵建军等采用颗粒流方法PFC研究在多层开采作用下滑坡的应力分布及变形特征，提出采空区覆岩按变形可分为3个分区即塌陷区、弯曲-沉降区和拉裂-倾倒区[12-13];赵建军等运用室内模型试验再次研究了马达岭滑坡的成因机制[3，14]。这些研究都没有揭示降雨对采矿滑坡形成的影响。
因此，笔者以马达岭滑坡为地质原型，采用物理模型模拟在采矿与降雨耦合作用下的边坡变形破坏过程。
1 试验设计
1.1 地质原型特征
2006-05-18贵州省都匀市原青山煤矿矿区马达岭发生高速滑坡，约190万m3滑体在高速的运动中刮铲冲沟，形成近2 km长的刮铲区，最终在坡脚堆积，全貌如图1所示，破坏了大片农田及公路，滑坡发生在凌晨且山下无人居住，所幸并无人员伤亡。滑坡发生前当地持续强降雨超过120 h，滑坡发生后滑坡后壁煤洞泉水流出持续一周，是采矿与强降雨综合作用诱发的典型滑坡[15]。
图1 地形全貌
Fig.1 Engineering geological plan
图2 马达岭滑坡典型剖面
Fig.2 Geological profile of Madaling landslide
根据王玉川[16]、肖建国[17]和兰志勇[18]对马达岭滑坡的研究成果，滑坡所在斜坡具有明显软硬互层的结构特征，其中软岩以煤层、炭质页岩为主，硬岩为砂岩，岩层都缓倾坡内，平均产状286°∠16°，如图2所示。滑坡主滑方向172°，滑坡后缘海拔约1 550 m，剪出口海拔约1 400 m，相对高差约150 m。同时，斜坡下伏被开采的4层煤层从下到上分别有A7,A9,A10和A11;A7,A9两层垂直距离在20 m左右，开采高度2.0～2.5 m，开采深度约200 m，采空区规模较大;A10,A11煤层较薄，层厚约0.5～1.5 m，两层之间垂直距离15 m左右开采深度不到100 m，采空区规模较小。
1.2 模型设计
根据三大相似理论[19]来确定试验相似常数，首先根据马达岭滑坡的试验条件和实际大小，确定几何相似比CL为200，则模型长为135 cm、宽为50 cm和高65 cm。其次确定试验岩体的容重相似常数Cγ为1，最终确定试验的应力相似常数Cσ为200。
马达岭斜坡上部岩层主要以厚层石英砂岩夹薄层炭质页岩、煤为主，下部主要发育薄层石英砂岩与厚层炭质页岩和煤互层，同时考虑到试验的研究目的以及试验的可操作性，将马达岭斜坡的地质原型做适当简化，如图3所示，最终概化结果共包括9层，其中煤层2层，炭质页岩2层，砂岩5层。其中下层煤由A7,A9两层煤层合并简组成，其采空区厚约8 cm，长65 cm，上层煤由A10,A11两层煤合并简化组成，其采空区厚约5 cm，长35 cm。模型基本保留了原型的结构特点，即缓倾坡内、软硬互层、上陡下缓、上硬下软。
图3 模型设计
Fig.3 Conceptual model and monitoring points
1.3 相似材料与配比
相似材料与配比的确定是在继承和结合前人的研究成果基础上[20-21]，对马达岭滑坡的岩体进行正交试验，同时考虑了4个水平3种因素，其中3种因素分别为河沙/重晶石粉，石膏/水泥，黏结材料/骨料的质量比，其中河沙和重晶石粉为骨料，石膏、水泥为黏结材料。
根据正交设计法对相似材料配比进行研究，确定石英砂岩最终配比为石膏∶水泥∶河沙∶重金石=4∶2∶15∶15，炭质页岩最终配比为石膏∶水泥∶河沙∶重金石=10∶1∶3∶2，煤层最终配比为石膏∶河沙=1∶10。采用该配比所制的相似材料力学参数见表1，由表1可见3种相似材料的力学参数与实际材料参数基本满足应力相似比，可用于模型试验。
表1 试验材料参数
Table 1 Parameters of model materials
材料名称黏聚力c/MPa实际材料模型材料内摩擦角φ/(°)实际材料模型材料石英砂岩28.200.1424243炭质页岩15.000.0793737煤0.430.0033636
1.4 降雨强度的确定
据国家气象局规定，降雨类型可按日降雨量Id划分为:中小雨(Id<25 mm)，大雨(25 mm<Id<50 mm)，暴雨(50 mm<Id<100 mm)，大暴雨(Id>100 mm)。图4为2006年都匀市全年日降雨量统计图，结合上述分类标准都匀市全年降雨可分为三大区间:1月至5月中小雨为主;5月至9月大雨至大暴雨为主;9月至12月中小雨为主。有研究表明滑坡前15日的降雨为影响滑坡的有效降雨量[22-23]，马达岭滑坡发生于2006-05-18，图4中可见滑坡前15 d有效降雨量为150 mm。因此试验选取100 mm/d作为试验模拟的正常降雨强度，200 mm/d作为试验模拟极端暴雨的降雨强度。
图4 2006年都匀市全年日降雨量统计
Fig.4 Annual rainfall of duyun 2006
1.5 数据监测与采集
模型中布置4个土压力监测点，4个孔隙水压力监测点，如图3所示。土压力采用TEST3822数据采集仪采集数据，孔隙水压力采用XS18-V多路信号采集仪进行采集，采集时间间隔都为5 s。土压力和孔隙水压力测点在模型前后布置，各4个，需一同埋设，埋设位于第3，4层层间与第7，8层层间的位置。
采用三维激光扫描仪进行扫描监测模型坡表的整体变形，在试验开始前进行一次扫描，记录坡表的初始形态，试验开始后每隔两个小时进行一次扫描，必要时可多次扫描。
1.6 试验步骤
模型主要包括3种岩体即煤、炭质页岩和砂岩，其中砂岩采用预制砌块的方法制作，目的是为了模拟砂岩中发育的裂隙，砌块采用3种规格:18 cm×18 cm×4 cm,9 cm×9 cm×1 cm和9 cm×9 cm×2 cm，硬质岩砂岩和软岩炭质页岩、煤层相间堆制，模拟斜坡的边坡结构特征。开采煤层采用沙袋模拟，沙袋为充填有干沙的塑料薄膜，沙袋之间紧密排布。在堆砌各个岩层的过程中将监测仪器埋入设计部位。
待模拟边坡固结达到设计的强度后，进行模拟开挖，煤层开挖方式为:在模型箱一侧用电钻钻出小口，用小铲和木棍掏出塑料袋中的干沙，最后取出塑料薄膜，模拟煤层的开采。先开采下层煤，待应力变形稳定后，再开采上层煤，待开采变形应力稳定后，进行降雨模拟试验，降雨试验采用专业模拟装置进行，对模拟边坡进行连续降雨，直至斜坡失稳破坏。
2 试验结果分析
物理模拟试验共耗时160 h，第0 h开始开采下层煤层，0.5 h后开采结束，第48.5 h开始开采上层煤层，0.5 h后开采结束，第77.2 h开始降雨，降雨强度为100 mm/d，第118 h降雨强度加大到200 mm/d，在拍照和扫描时暂停降雨;第127 h，模型失稳，形成滑坡;发生滑坡后继续降雨至第133.5 h，停止降雨;第160 h试验结束(图5(c))。
2.1 孔隙水压力
模型各个测点孔隙水压力监测数据如图5(a)所示。第77 h，试验开始降雨，由于在测点附近发育数条竖向裂缝，雨水入渗，导致孔隙水压力值突然增长，115～117 h中途拍照暂停降雨，孔隙水压力值相应降低。第101 h，累计降雨量达到100 mm，水位已持续上升到17 cm，坡脚处出现横向裂缝，同时模型整体发生较大变形，模型中又有新的裂缝产生，降雨向采空区渗流，使得模型内累计的孔隙水压力不断减小，甚至还出现了负孔隙水压力。第110 h，降雨量约达到142 mm，水位上升不明显，说明坡体内已有裂缝贯通。第111 h模型上部发生局部垮塌，使裂缝闭合，水位上升，测点孔隙水压力突然上升。第118 h将雨强加大到200 mm/d，孔隙水压力继续增大。第127 h，降雨量约达到了246 mm，水位达到24 cm，孔隙水压力忽然增大，随后滑坡发生。滑坡发生后，水位迅速下降，测点的孔隙水压力迅速下降，且波动较大。第133 h试验结束降雨，孔隙水压力逐渐减小，并上下波动，随后模型再次发生破坏，岩体发生扩容，形成负孔隙水压力，模型逐渐排出水分，孔隙水压力恢复正常，第160 h试验结束。
在第101 h左右，对比4个孔隙水压力测点可以发现，模型变形对水位和孔隙水压力具有较大影响，4个测点孔隙水压力均出现明显消减，K1,K2和K4三个测点甚至还出现负孔隙水压力，且消减持续时间较长。经过分析认为，由于测点布置于两层岩层之间，测点附近岩体极有可能产生离层、剪胀等变形，使测点附近体积增大，从而引起孔隙水压力降低，甚至出现负孔隙水压力。由图5(a)也可以看出，模型发生破坏前的瞬间，水位和各测点孔隙水压力急剧上升，达到峰值，破坏后水位急剧下降，孔隙水压力快速回落，说明急剧上升的水位孔隙水压力对滑坡的发生影响较大。
2.2 土压力
记录试验过程中模型各个测点的土压力监测数据，如图5(b)所示，由图5(b)可以看出，各测点在开采阶段均发生多次应力突变，但其应力变化幅度差异较大，T3测点应力变化较为复杂，下面以T3测点为例详细描述在试验过程中该测点监测值变化规律。将下层煤开采后，4 h内应力迅速增大0.6 kPa，产生应力集中，随后又缓慢增加。在43 h，下层顶板发生垮塌，应力由11 kPa骤增到14 kPa，测点周围出现应力集中。上层煤开采后，采空区顶板产生垮塌，且在上层煤采空区后边界向上延伸至坡顶形成拉张裂缝，采动影响增大，使测点的应力发生明显消减，经多次骤降，到第51 h时应力已降到6.8 kPa，仅有原应力的一半。至68 h模型再次垮塌，测点应力骤增。在77 h，开始降雨，坡体内出现孔隙水压力，测点土应力增大到13.7 kPa，又产生应力集中。第101 h，孔隙水压力不断增大，对应的土压力也随之增大，直至第118 h，降雨强度增大，模型内裂缝多数贯通导致孔隙水压力及土压力骤减，到第124 h，滑坡发生。测点的应力受采动及降雨影响具有骤增骤降的突变特点。
图5 监测数据结果
Fig.5 Monitoring data results
总结开采、降雨过程中模型内部应力变化规律发现采煤和降雨将打破模型的应力平衡，在采空区边界产生应力集中，采空区顶板部位产生应力松弛，应力集中区应力值不断增大，当大于岩体强度时，会使模型产生变形破坏，并迅速释放出巨大的能量;应力松弛区主要为煤层开采后，岩体发生卸荷，使得其应力逐渐减小，同时当岩体发生变形后，其应力也会相应减小，产生应力松弛。
2.3 宏观变形
图6,7分别为试验过程中模型侧面的变形破坏照片和表面的三维激光扫描结果，图6(a)和7(a)为模型的最初状态，在试验过程中，模型不断的产生变形破坏现象:
开采下层煤时，由于模型内原有的应力平衡被打破，导致测点T3的土压力骤增，采空区顶板也开始发生冒落、开裂等变形，随着应力不断调整，最终顶板产生弯曲变形，且顶板附近发育多条裂缝，如图6(b)所示。开采上层煤时，上层采空区顶板位置出现掉块现象，岩层发生明显弯曲，上层采空区后边界发育的竖向裂缝与离层发生贯通，顶板位置出现较大沉降，导致上层采空区上覆岩体发育的水平裂缝明显张开，裂缝逐渐往坡表发展，当与近坡表位置的裂缝连通时，将引起大幅垮塌，垮塌岩体堆积在下部岩体之上，使下层测点T3的土压力快速增大，下部岩体不断产生新的变形，如图6(c)和7(b)所示。
图6 模型侧面变形破坏照片
Fig.6 Side Deformation and failure of model
图7 模型表面扫描
Fig.7 3D scans of model surface
降雨初期，模型内孔隙水压力不断增长，土压力变化不明显，随着降雨持续进行，模型内部逐渐饱和，模型底部出现积水现象，水位不断升高。同时，在雨水的渗流作用下模型内部的裂缝开始发生变化，如裂缝张开宽度明显变小，坡脚部位产生较大的水平位移。降雨23 h后，孔隙水压力和土压力急剧减小，此时发现模型内水位上升到18 cm，将下层采空区和坡脚处裂缝淹没，裂缝中已经有雨水渗出，模型后部裂缝张开，如图6(d)所示。
降雨49 h，水位达到17 cm，模型下层采空区以下岩体已基本饱水，坡体后缘裂缝内的水位开始上升，导致孔隙水压力快速增大，并且向外推挤坡体，在后缘处产生的强大推力作用下，坡脚剪切变形强烈，出现鼓胀隆起现象，模型坡肩部位发生向坡外10 cm的变形，坡顶出现多条拉张裂缝。斜坡下部，坡脚部位软岩形成的竖向拉裂缝、剪切裂缝和离层裂缝逐渐组合，最终形成“阶梯状”的连续裂缝;对于斜坡上部，坡表处形成的沉降裂缝、由顶板弯曲折断引起的“下宽上窄”拉张裂缝也和上层采空区基本连通，使模型中部还存在10 cm的连续岩体，成为坡体的锁固段，如图6(e)和图7(c)所示，此时模型已处于失稳的临界点。降雨50 h，降雨量达到246 mm，模型内孔隙水压力和土压力突然增大，模型中部的锁固段被剪断，模型失稳形成滑坡，如图6(f),7(d)所示。
3 变形破坏机制分析
模型在煤层开采和降雨过程中，不断的产生裂隙，随着试验进行裂隙不断扩展，边坡也不断产生新的变形直至失稳破坏。
(1)采空区覆岩-斜坡变形
煤层开采后，导致采空区顶板部位应力重分布，各测点土压力不断增大，岩体向采空区发生卸荷，产生离层裂缝，并且会伴有冒落和垮塌变形现象发生，垮塌前土压力集体增大，垮塌后土压力骤降，应力集中，变化部位主要位于采空区边界岩体。采空区的边界部位应力集中，出现多条斜向裂隙;同时采动的影响不断向上传播，下层采空区顶板处产生裂缝多与上覆岩体中发育的裂缝贯通形成大型裂缝，如图8(a)所示。
由于采空区上覆岩层产生的塌陷、冒落和沉降变形破坏，位于采空区中段上方地表也已出现明显的沉降盆地。同时，模型坡表及内部发育大量裂隙，而且坡内还有两层采空区空腔，有利于雨水的入渗。
图8 模型阶段性变形破坏特征
Fig.8 Deformation-failure character of Model
(2)降雨诱发斜坡整体变形演化
降雨后，雨水渗入模型，孔隙水压力增大，随着降雨量的不断增大，模型内水位上升，出现地下径流，地表也形成径流，使坡脚软岩向坡外产生较大位移，坡顶发生沉陷、垮落，坡肩被中部的沉降挤出变形，同时雨水渗入后缘裂缝，增大静水压力，使裂缝不断增大，推动斜坡向临空面发生变形;在上部岩体弯沉推挤作用下，前缘坡脚部位发生水平剪切变形，同时，垮落岩体在坡表下部堆积，形成高约4 cm的隆起，如图8(b)，7(c)所示。由于岩体变形，引起裂缝闭合，导致孔隙水压力增大，当降雨量达到246 mm，模型下层采空区以下岩体基本饱水，坡内裂隙已基本贯通，模型到达失稳的临界点。
(3)滑面扩展-滑坡发生
降雨条件下，地下水对岩体的软化和润滑作用增大，使岩体强度不断降低，同时，模型内发育的裂缝充水，使裂缝不断发育直至贯通，也使坡内产生巨大的水压力，推挤整个坡体向临空方向变形，最终在降雨后50 h左右，水位已经上升到24.5 cm，坡内孔隙水压力突然增大，锁固段被剪断形成完整滑面，如图9所示，模型失稳，发生滑坡。滑坡发生后模型内岩层排列杂乱，因此仅绘出地形线(图8(c))，由于滑坡的“锁固段”突然被剪断，坡体内瞬间释放的巨大能量转化为岩体运动机械能，使斜坡高速滑出，滑体滑行近30 cm。
图9 滑前模型内潜在滑面和锁固段
Fig.9 Potential slip surface and Locked patch of Model
综上所述，马达岭斜坡具有上硬下软，上陡下缓的平缓层状结构特征，上部强度较高的硬岩发育两组垂向优势结构面，岩体以脆性破坏为主;下部强度低的软岩，为炭质页岩和煤层，容易风化及发生塑性变形。这种结构斜坡，地下采煤后，可引起坡肩局部破坏，当应力调整结束后，斜坡变形趋于稳定，自然条件下，未见整体滑坡发生。降雨引起坡脚岩体软化，采空区裂缝中发育地下水，引起斜坡变形加剧，地形沉降后缘裂隙加宽加深，中下部裂缝闭合，引起水位上升，孔隙水压力增大，导致采空区边界处应力集中加剧，这种应力变化加剧了斜坡向坡外的挤出变形，产生沿采空区中心自上向下发育的阶梯状滑面，剪断斜坡中下部的局部完整岩体，产生高速滑坡。这与马达岭滑坡的实际特征吻合。
4 结 论
(1)煤层开采后，下层采空区内侧测点应力骤增至10.6 kPa，坡内原有的应力平衡被打破，发生应力重分布;顶板发生弯曲沉陷，应力由11 kPa骤增到14 kPa，测点周围出现应力集中，同时坡后拉应力不断增大，采矿区边界及近坡表部位逐渐形成大量的竖向拉张裂缝，为滑坡发生提供了边界条件。
(2)开始降雨后，模型内水位上升，出现地下径流，使坡脚软岩向坡外产生较大位移，同时雨水渗入后缘裂缝，使裂缝不断增大，推动斜坡向临空面发生变形，下部裂缝的闭合又导致孔隙水压力急剧增大。雨水下渗作用下，逐渐沿下部“阶梯状”裂缝、采空区、竖向拉张裂缝形成基本贯通的潜在滑动面。
(3)当降雨量达到246 mm时，水位已经上升到24.5 cm，各测点孔隙水压力急剧上升，达到峰值1.3 kPa，模型在水压作用下，滑坡的“锁固段”被剪断，使斜坡高速滑出，滑体滑行近30 cm，这与马达岭滑坡的实际特征吻合。
(4)具有平缓层状结构的这种采动斜坡，采矿引起斜坡产生整体变形，但未直接引起滑坡发生;降雨是滑坡发生的诱发因素。
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