地下采煤对地表边坡稳定性影响分析

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近年来,随着我国经济发展的需要,煤炭资源开采的强度也在不断增大,导致煤矿区由于地下开采诱发地表边坡失稳滑坡地质灾害越发严重。地下采煤诱发的地表边坡失稳滑坡是一个渐进破坏过程,其破坏机理有一定的复杂性,现有的地下开采情况下,地表黄土边坡稳定性的研究成果中,忽略了黄土的动力特性及开采扰动的影响因素,并将开采过程中地表黄土滑坡视为静力学问题,采用隐式算法求解其安全系数,无法有效分析开采过程中边坡的稳定性及破坏过程,以及确定边坡安全系数的变化规律,不利于地下采煤情况下地表边坡的稳定性评价。因此本文在考虑黄土动力特性的基础上,结合显式有限元动力学大变形分析方法,开展地下采煤过程中地表黄土边坡稳定性的研究工作,提出采煤过程中地表边坡稳定性分析方法,建立地下采煤对地表边坡稳定性影响评价模型,给出地下采煤情况下地表边坡安全性的评价方法。本文以陕西黄陵矿区地下采煤诱发地表黄土边坡失稳为背景,对地下采煤对地表边坡稳定性的影响问题进行了系统分析研究。主要研究成果如下:1、将地下煤层开采过程中扰动诱发地表边坡失稳作为动力学大变形问题进行计算分析。提出了一种适合地下煤层开挖影响地表边坡稳定性问题的显式大变形数值分析方法。在国内外研究成果基础上,阐述了地下采煤扰动作用下,地表边坡稳定性的研究现状和发展水平。2、建立黄土的黏弹塑性本构模型。采用阻尼器和弹簧并联的方式建立黄土本构模型的黏弹性部分,将Mohr-Coulomb强度理论作为动力本构模型的塑性部分,并与黏弹性部分进行串联建立黄土动黏弹塑本构模型,将该模型预测结果与动三轴试验结果对比验证了其合理性。3、将建立黄土动本构模型与显式大变形有限元计算方法相结合,并将显式有限元大变形方法确定的静力条件下的边坡安全系数与显式有限差分法、隐式有限法求解的边坡安全系数进行对比验证,结果表明本文提出的显式有限元边坡稳定性分析方法同样适用于边坡安全系数的计算。4、将提出的显式有限元大变形边坡稳定性分析方法,用于地下采煤过程中地表黄土边坡稳定性的研究。以黄陵矿为工程背景,结合工程地质勘探资料和岩土体物理力学实验,确定了岩土体的力学参数。利用显式有限元大变形计算程序,分析了开采过程中边坡安全系数的动态变化规律,研究了在开采过程中开采进尺、开采速度、开采厚度(一次开采煤层的厚度)、边坡坡度及高度对黄土边坡稳定性的影响。结果表明在开采扰动影响范围内,不同开采进尺、开采速度、开采厚度、边坡坡高、边坡坡度对边坡稳定性的影响较大,但是开采扰动影响范围与开采速度、开采厚度、边坡坡高、边坡坡度无关,其只与采空区的位置有关。建立了地下采煤对地表边坡稳定性影响评价模型,通过安全系数评价地表黄土边坡的稳定性,得到了不同开采条件下、不同工程条件下,地下煤层开挖的最大进尺。
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