近距离煤层下行开采覆岩破坏规律及岩质边坡稳定性研究

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中国是世界最大的煤炭产出地,煤炭在我国能源生产结构中占据重要比重。随着社会经济飞速发展,煤矿开采技术也达到了新的高度。与此同时,在复杂地质环境中进行煤矿开采时,其安全与稳定性也遇到了新的挑战。煤层开采通常伴随周期性的矿压显现、顶板断裂等现象,采动裂隙场通常是瓦斯运移及地下水渗流的优势通道;采动过程中由裂隙发育扩展贯通形成滑动面是特大滑坡事故频发的重要原因之一。鉴于此,本文基于国家重点研发计划项目(岩溶山区地下采动环境下特大滑坡形成机制),以贵州市纳雍县普洒煤田为工程背景,建立近距离煤层下行式开采实验模型,(1)通过相似模拟试验,分析了采动覆岩破坏特征,并运用离散元软件对不同采高条件采动覆岩破坏规律进行研究;(2)通过相似模拟试验,研究了坡体裂隙演化特征;根据实地调研结果,建立沿坡脚坡顶发育的深大平行裂隙采动概化模型,研究了裂隙平行间距、垂直间距及倾角等因素对边坡稳定性的影响,主要研究成果及结论如下:(1)结合地勘资料及实地考察,分析了纳雍县地质灾害情况,对灰岩开展了基本物理力学性质试验,获取了基本物理力学参数。(2)基于相似理论开展了近距离煤层下行式开采的室内模型试验。研究表明:随工作面推进破断角呈减小—增大—减小—稳定的变化,中部压实区内离层裂隙呈发育—扩展—闭合的变化过程,采动裂隙场整体呈梯形状分布,并贯穿发育至坡趾地表处,与实际调研结果吻合;采区应力集中区及卸压区应力变化过程可分为:应力集中程度激增(卸压区域增大)—应力集中程度缓增(卸压区应力恢复/卸压区域减小)的变化趋势,下部煤层开采对上部煤层底板应力场有较大的影响。开采完成时,坡体覆岩位移总体呈现对称台阶式分布,坡体平行裂隙岩桥受采动影响最终贯穿发育并扩展至边坡表面。(3)运用通用离散元软件(UDEC)开展了不同采高条件下覆岩破坏规律的研究。结果表明:应力集中区应力峰值及卸压区应力恢复水平与采高成正相关,覆岩位移随采高增大而增大,但最大位移影响高度均为超过关键层,随采高增大,破断裂隙发育更为充分,同时离层裂隙闭合也更为充分。(4)运用通用离散元软件(UDEC)开展了沿坡脚坡顶发育的深大平行裂隙对边坡稳定性影响的研究。结果表明:采动作用下深大平行裂隙的分布特征对边坡的破坏模式有较大影响,当裂隙贯穿发育时,坡体以裂上部裂隙—岩桥—下部裂隙为滑动面发生整体滑动破坏,当下部裂隙扩展发育至坡面时,边坡呈局部破坏。
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