岩溶山区复合薄煤层开采扰动下缓倾岩质边坡稳定性研究

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我国西南岩溶山区,中上部多为陡峭厚层—巨厚层碳酸盐地层,下部多为的平缓泥岩、页岩地层。上部高陡可溶性碳酸盐岩,在长期的风化侵蚀作用下,节理裂隙发育,岩溶现象强烈,形成众多岩溶裂隙、管道;下伏泥岩、页岩等软岩地层中通常存在多套矿层,矿物开采历史悠久,在山体下方形成了大面积采空区。因此,为了研究岩溶山区复合薄煤层开采对上覆岩层及山体的变形影响,本文依托贵州纳雍普洒“8.28”特大崩滑案例,采用了现场调查、理论分析、相似模型试验、数值模拟等方法,对西南岩溶山区复合薄煤层开采下的上覆岩层变形规律、应力演化特征、崩滑形成机理开展了研究。主要研究内容及成果如下:(1)基于关键层理论,将关键层下覆煤岩视为弹性地基,采用能够反映地基连续性的双参数Pasternak弹性地基模型,建立了岩质斜坡下开采的半无限长双参数弹性地基梁力学模型,通过计算实例理论预测沉降值与数值模拟计算结果进行了对比,发现两者的最大沉降误差在10%以内,同时模型试验覆岩变形趋势也基本符合计算理论的预测。(2)通过相似模型试验,分析了复合薄煤层采动后的岩层裂隙开展情况、覆岩移动规律和应力演化特征,结果表明:下部覆岩为中间大、两侧小的简支梁弯曲沉降特征,上部覆岩沉降主要为外侧大、内侧小的悬臂梁弯曲特征;开采结束后,斜坡坡脚处岩体沿着岩层面逐渐滑移挤出,模型后缘沿着地表的深大裂隙发生拉裂,最终发生“山体前缘滑移挤出—后缘拉裂—前缘溃屈—整体倾倒”式崩塌。(3)采用块体离散元软件UDEC研究了釆动作用下的岩层移动规律,揭示了应力传递机制及老鹰岩山体失稳机制,研究结果表明:崩滑发生的主导因素为老鹰岩山体原始地形地貌、岩性组合、岩体结构及长期老窖开采、溶蚀、风化作用对山体的劣化;主要诱发因素为近几年内的煤层大面积开采加速山体裂缝开展、发育;直接触发因素为前期强降雨降低岩体及节理裂隙的力学强度。(4)基于此前研究内容,利用UDEC数值模拟软件对不同开采方法下的山体变形开展数值模拟研究,发现层间下行开采较层间上行开采山体裂缝发育更早、更易引起山体开裂,不利于山体稳定;前进式开采方案较后退式开采方案而言山体的裂隙更加发育,斜坡变形也更大;充填式开采后岩体没有出现破裂,山体裂隙基本未发育,山体位移很小。
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