煤矿采空区缓倾危岩变形机理分析——以凯里龙场煤矿为例

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本文以缓倾高陡边坡为背景,选择以贵州省凯里市龙场镇崩塌危岩体为例,经多次现场调查,分析了崩塌区自然地理及工程地质条件、坡体结构特征、崩塌壁破坏特征、堆积体特征以及残留危岩体特征等,在此基础上定性分析了崩塌的变形破坏演化过程以及对残留危岩体失稳模式的预测,建立了龙场崩塌形成机理的概念模型。之后运用离散元软件3DEC模拟了采煤对崩塌破坏的影响,并结合定性分析方法与UDEC软件对残留危岩体稳定性做出分析和预测。主要得到了以下结论与成果:  1.对凯里市龙场镇崩塌区域进行野外调查,龙场崩塌斜坡为缓倾上软下硬型高陡岩质边坡,岩层产状325°∠9°。边坡上部地层为二叠系下段栖霞组及茅口组灰岩,其下为梁山组薄层泥页岩夹煤层,河床以下为尧梭组石灰岩。坡内两组大长节理切割岩体,其中崩塌灾害主要受平行于坡面的节理组控制。另外坡体内发育溶蚀裂隙,长约120米,上通落水洞。  2.通过对崩塌影响因素分析,结合坡体壁面特征,堆积体位置以及残留危岩体特征,为龙场崩塌形成机理做出定性分析,并且我们将龙场镇崩塌从陡坡形成到残留危岩体再次发生破坏划分为六个阶段,分别为:①陡崖形成阶段;②裂隙发育阶段;③高陡斜坡危岩体形成阶段;④危岩体破坏阶段;⑤崩塌完成阶段;⑥危岩体再次破坏阶段。并根据残留危岩体的结构特征,变形特征,失稳方式的不同,将危岩体的破坏模式分为倾倒式和滑塌式。  3.根据定性分析总结出两次岩体崩塌的诱因为地下煤矿开采,在此机制定性分析的基础上,概化地质模型,进行离散元三维数值仿真模拟计算反演崩塌累进形成的过程。得到煤层采空渐进性导致关键层顶板垮落或者弯沉变形,上覆岩层无法形成受力平衡拱,上部岩层逐渐受到拉张破坏和剪切破坏,形成牵引作用改变崩塌体应力分布,导致其失稳。由于崩塌体自身岩桥的存在,断而相连,失稳过程分为两次。整个崩塌形成过程可初步总结为四个阶段,即初始、发展、贯通和崩落阶段,各阶段有典型的应力、变形和位移变化表征。  4.建立UDEC离散元数值模拟模型,模拟残留危岩体在天然状态和降雨状态下的变形破坏情况。从数值模拟角度分析了危岩在不同状态下的应力场、位移场等的调整和变化。结果显示降雨是对危岩体的变形加剧和崩塌的诱发因素,导致危岩体再次发生崩塌破坏。并从监测点的位移变化方向和应力场可以看出危岩体会沿后缘落水洞方向向外滑移,从而进一步验证了对危岩体破坏模式的分析。  5.通过赤平投影法以及极限平衡法对危岩体稳定性做出进一步的分析,计算了两种不同工况下不同破坏模式的危岩体的稳定性。
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