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贵州省矿产资源丰富,号称“西南煤海”,煤矿开采活动频繁。斜坡在地形地貌(高陡临空)、地层岩性、岩体结构(陡倾节理面、上硬下软)等方面具有独特的特征,长期的地下开采加剧了斜坡的变形破坏,使得斜坡的变形破坏机制异常复杂,早期识别与防控难度大。因此深入研究由地下开采诱发的变形破坏过程及演化机理,对于此类采动斜坡的灾害防治具有重要的指导意义。
本文以贵州省纳雍县张家湾普洒崩塌为例,采用野外工程地质调查、无人机航拍、底摩擦试验、数值模拟等手段,查明了研究区域的工程地质条件和普洒崩塌灾害发生的特征,分析了地下采煤活动、降雨等因素与普洒崩塌的变形破坏之间的关系,构建了普洒崩塌变形破坏的工程地质概念模型。采用底摩擦及数值模拟方法研究了地下采空条件下崩塌体变形破坏演化过程,揭示了普洒崩塌变形破坏的形成机制。具体研究内容及成果如下:
(1)建立了斜坡多煤层开采的工程地质模型。根据野外工程地质调查及资料收集,结合普洒煤矿开采情况,查明了普洒崩塌体工程地质环境条件,在分析斜坡开采历史及多煤层采空区分布的基础上,构建了多煤层重复采动条件下的工程地质模型。
(2)运用底摩擦试验手段揭示了多煤层重复开采条件下覆岩及斜坡变形破坏过程。结果表明:煤层开采对普洒崩塌灾害的形成与发展有着非常重要的影响。当煤层埋深较大、预留煤柱时,斜坡未见明显的变形迹象,仅采空区顶板出现细小的裂缝,裂缝自下而上发展,呈上窄下宽的倒“V”字型;继续开采浅埋煤层时,由于埋深较小,采空面积大,煤层顶板开始发生“拱形”冒落,呈现出明显的“三带”特征,坡顶开始明显出现与采空区边界对应的张拉裂缝,并不断追踪垂直结构面向下发育;当回采预留煤柱时,采空区顶板冒落范围变大,坡顶拉张裂缝进一步变宽,并出现下沉现象,而后在强降水和斜坡自重作用下,斜坡上部岩体沿软硬岩交界面剪出,斜坡发生整体性破坏。
(3)运用数值模拟手段揭示了斜坡的变形破坏过程。研究表明:自然条件下,斜坡的变形破坏主要受岩体节理裂隙的影响;煤层的开采,加剧了斜坡的变形破坏过程。下部煤层开采,导致采空区的顶板塌陷,坡顶产生与采空区边界对应拉裂缝,在重复开采及降雨等因素下,崩塌体沿拉张裂缝底部向坡外发生蠕滑,继而剪断破坏。
(4)运用物理模拟及数值模拟提出了平缓反倾采动斜坡的变形破坏过程包括以下几个阶段:采空塌陷-覆岩变形-坡顶拉裂-重复开采-变形加剧-蠕滑剪断-失稳破坏,揭示了斜坡的变形破坏机制为:采空塌陷-拉裂-蠕滑-剪断。
本文以贵州省纳雍县张家湾普洒崩塌为例,采用野外工程地质调查、无人机航拍、底摩擦试验、数值模拟等手段,查明了研究区域的工程地质条件和普洒崩塌灾害发生的特征,分析了地下采煤活动、降雨等因素与普洒崩塌的变形破坏之间的关系,构建了普洒崩塌变形破坏的工程地质概念模型。采用底摩擦及数值模拟方法研究了地下采空条件下崩塌体变形破坏演化过程,揭示了普洒崩塌变形破坏的形成机制。具体研究内容及成果如下:
(1)建立了斜坡多煤层开采的工程地质模型。根据野外工程地质调查及资料收集,结合普洒煤矿开采情况,查明了普洒崩塌体工程地质环境条件,在分析斜坡开采历史及多煤层采空区分布的基础上,构建了多煤层重复采动条件下的工程地质模型。
(2)运用底摩擦试验手段揭示了多煤层重复开采条件下覆岩及斜坡变形破坏过程。结果表明:煤层开采对普洒崩塌灾害的形成与发展有着非常重要的影响。当煤层埋深较大、预留煤柱时,斜坡未见明显的变形迹象,仅采空区顶板出现细小的裂缝,裂缝自下而上发展,呈上窄下宽的倒“V”字型;继续开采浅埋煤层时,由于埋深较小,采空面积大,煤层顶板开始发生“拱形”冒落,呈现出明显的“三带”特征,坡顶开始明显出现与采空区边界对应的张拉裂缝,并不断追踪垂直结构面向下发育;当回采预留煤柱时,采空区顶板冒落范围变大,坡顶拉张裂缝进一步变宽,并出现下沉现象,而后在强降水和斜坡自重作用下,斜坡上部岩体沿软硬岩交界面剪出,斜坡发生整体性破坏。
(3)运用数值模拟手段揭示了斜坡的变形破坏过程。研究表明:自然条件下,斜坡的变形破坏主要受岩体节理裂隙的影响;煤层的开采,加剧了斜坡的变形破坏过程。下部煤层开采,导致采空区的顶板塌陷,坡顶产生与采空区边界对应拉裂缝,在重复开采及降雨等因素下,崩塌体沿拉张裂缝底部向坡外发生蠕滑,继而剪断破坏。
(4)运用物理模拟及数值模拟提出了平缓反倾采动斜坡的变形破坏过程包括以下几个阶段:采空塌陷-覆岩变形-坡顶拉裂-重复开采-变形加剧-蠕滑剪断-失稳破坏,揭示了斜坡的变形破坏机制为:采空塌陷-拉裂-蠕滑-剪断。