顺层岩质斜坡是西南山区的一种常见特殊地貌,在顺层岩质斜坡下进行地下开采,极易发生采动顺层滑坡地质灾害,且往往规模大,危害及其严重。因此,采动顺层岩质斜坡变形破坏机理的研究,对于矿山安全生产、矿山地质灾害防治、生态环境治理有着重要的理论意义和实用价值。本文采用现场实测、室内岩石力学实验、相似模拟试验、数值模拟分析和理论分析相结合的方法,研究了不同开采程序影响下顺层岩质斜坡变形破坏的特征,提出了采动顺层岩质斜坡变滑面相似模拟试验方法,研制了采动顺层岩质斜坡变滑面相似模拟试验装置,进行了采动顺层岩质斜坡相似模拟试验,揭示了采动顺层岩质斜坡变形破坏的形成过程、模式及机理。在此基础上,建立了采动顺层岩质斜坡断裂破坏预测模型,提出了断裂坡体稳定性分析方法,并将该预测模型和稳定性分析方法应用于采动顺层岩质滑坡的分析中。通过以上研究,取得主要结论和成果如下:(1)采用底摩擦模拟试验和数值模拟分析两种方法,对缓斜单一煤层全部陷落法处理采空区的走向长壁采煤法,分别研究了单区段开采、跳采、顺坡开采、逆坡开采等四种开采程序,进行了采动顺层岩质斜坡变形破坏响应研究,结果表明:不同地下开采程序,形成不同的斜坡与采空区之间的位置关系,进而造成不同程度的斜坡变形破坏,但是四种类型开采程序中岩体均向采空区方向卸荷变形,各岩层均发生弯张破坏,软弱夹层均发生塑性变形,造成拉裂、破裂、滑移破坏现象,采空区上覆岩层变形破坏均形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,地表斜坡处于弯曲下沉带上部,其破坏规模和程度主要受地质环境及开采程序控制。在开采影响范围内的顺层岩质斜坡坡体出现明显上开口、下开口两类裂缝,上开口裂缝出现在开采影响范围边界,主要由于坡面受拉伸变形引起,下开口裂缝出现在开采影响范围中部,主要由于岩体和地表受采动影响向采空区方向产生移动引起。四种开采程序开采后,软弱夹层(潜在滑面)在倾向主剖面的下沉曲线分别呈现:“凹”形、“凸”形、“S”形、“反S”形四种形态。四种开采程序中,逆坡开采诱发顺层岩质斜坡变形破坏最为严重,且发生失稳滑坡的危险性最大。(2)采动顺层岩质斜坡变形破坏特征:山区斜坡体可作为平面问题研究;西南山区顺层岩质斜坡主要为坚硬的中厚层状沉积岩中含软弱结构层,其变形及强度特征受层面及岩层组合控制,稳定性较差,不稳定结构体可能产生滑塌,特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形;采动顺层岩质斜坡的地表坡面常见采动裂缝发育,其大小和分布与地质条件、采矿条件、采空区范围、微地貌等有关;采动顺层岩质斜坡移动与变形最大下沉值可能大于采厚,最大水平移动也可能大于最大下沉值,其他各种变形的最大值都可能比平原地区偏大;采动顺层滑坡是采动顺层岩质斜坡变形移动中最为严重的一种非连续滑动破坏,在采动影响下,采动滑移一般是必然发生的,而采动顺层滑坡不是所有情况下都会发生。(3)收集了研究区的地质及开采技术资料,调查分析了该区顺层岩质滑坡的基本特征,现场实测了同一矿井相同岩层相同采矿方法的另一工作面4113开采造成的地表移动情况,得到了地表下沉数据和岩移参数,该实测数据检验了所建立的数值模型的正确性(场方程、边条、材料参数等),用该数值模型来分析研究区采动顺层岩质滑坡是可行的。(4)提出了采动顺层岩质斜坡变滑面相似模拟试验方法,并自主研制了采动顺层斜坡变滑面相似模拟试验装置。该试验装置能模拟西南山区广泛分布的含软弱夹层顺层岩质斜坡,在不同开采程序下的变形、破坏及稳定性情况,其实质是通过改变模型下部(滑面)的边界条件,从而改变滑面和滑体的应力分布,造成滑体破坏,加之水的物理力学作用,使滑体失稳形成滑坡。该装置用高强胶板间接模拟地下采矿对斜坡的影响,大大节省了配制和装填基岩、矿层等软弱夹层以下岩层的相似材料用量,且缩短了模型堆建时间,减少了工作量。(5)利用数值模拟分析和相似模拟试验两种方法,以研究区采动顺层岩质滑坡为原型,对其1112及以下工作面逆坡开采诱发顺层岩质斜坡变形、破坏、失稳情况进行了研究。数值模拟和相似模拟结果基本相近,结果表明:受逆坡(上行)采动影响的顺层岩质斜坡呈“悬臂梁”形态,随开采进行发生断裂破坏,断裂坡体倾倒于软弱夹层上,表现为悬臂—断裂破坏模式,对相似模型考虑水作用后,模型坡体变形破坏失稳现象与原型滑坡基本一致,为初期牵引式、后期推移式顺层岩质滑坡。相似模拟试验反映了原型在地下采矿影响下的变形、破坏、失稳过程。(6)逆坡(上行)开采地下矿层后,采空区上覆岩层的运动是由下而上、由内及外、由里及表的发展过程。对于临空外倾含软弱夹层结构的顺层岩质斜坡而言,地下采矿后,首先是软弱夹层(潜在滑面)及其下部岩层(滑床)的下沉变形,若顺层岩质斜坡(潜在滑体)的强度、弹模、完整性等参数高于软弱夹层的下部岩层,则变形不同步而产生离层,软弱夹层发生弯曲下沉后,其上部的斜坡可视为悬臂梁,当悬臂梁不能承受自身重力时,斜坡发生弯曲断裂破坏。采动顺层岩质斜坡的变形破坏形成发展过程是:斜坡体与下部岩层分开运动→发生离层(软弱夹层或岩层接触面上)→斜坡体在重力作用下弯曲→斜坡体岩层悬露(离层)超过允许限度→坡面拉裂→斜坡发生断裂破坏→垮落。逆坡开采诱发顺层岩质斜坡变形破坏模式为悬臂—断裂模式。采动顺层岩质斜坡变形破坏的演化过程可分为:开采下沉悬臂、坡体断裂破坏、坡体滑移失稳三个阶段。(7)以弹性基础梁为理论基础,含软弱结构层的顺层岩质斜坡为研究对象,引用流变介质本构模型,推导出采动顺层岩质斜坡的应力、弯矩基本方程,建立了采动顺层岩质斜坡断裂破坏预测模型,实现了对采动顺层岩质斜坡地表裂缝位置及其分布情况的预测。考虑采动弱化和水软化,定义了削弱现象和削弱系数。以摩尔库伦强度理论为基础,用极限平衡法,提出了自然状态和饱水状态下采动顺层岩质斜坡断裂坡体的稳定性分析方法。(8)基于研究区采动顺层岩质滑坡的基本特征分析,进行了实际原型与相似模型的断裂破坏预测,及其断裂块体的稳定性分析。实际原型理论预测结果表明:预测裂缝(后缘)在坡顶面距坡脚113.36m位置处,与实测滑体长114m,只存在0.46m误差,相对误差为0.56%,断裂破坏预测模型预测效果良好。相似模型预测结果表明:预测结果与相似模型裂缝位置有0.0228m的误差,相对误差为6.12%,说明相似模拟试验能反映该矿的现场实际。原型稳定性分析结果表明:采动损伤和地表降水的物理化学作用相同时,拉裂裂缝充水深度越深,断裂坡体稳定性系数越小,断裂坡体越容易发生失稳现象,这一过程与实际滑坡现象吻合。相似模型稳定性分析结果表明:开采结束后断裂坡体是稳定的,地表降水通过裂缝不断削弱软弱夹层的力学强度,当软弱夹层力学强度被削弱0.34倍时,断裂坡体A达到临滑状态,产生滑坡,块体B在失去块体A的阻滑后,也随即产生滑移,这个过程与相似模拟试验现象一致。