煤矿井工开采条件下斜坡变形破坏模式及稳定性研究

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井工开采可导致斜坡岩(土)体内部应力重新分布,从而可引起岩(土)体变形,并在一定条件下导致斜坡失稳,失稳斜坡不仅威胁到其周边人民的生命财产安全,甚至可造成人员伤亡和经济损失。然而,井工开采引起的斜坡破坏变形的研究,多以将坡体划分为多层水平面受采煤沉陷引发坡体变形移动进行研究的,这一研究对井工开采引起的整体斜坡破坏变形的认识是不足的,尤其是不能有效地给出不稳定坡体变形引发滑坡的范围和有关特征,影响到对其稳定性的评价,使得防治措施针对性差。因此,对井工开采条件下斜坡变形破坏模式、变形破坏机理及其稳定性研究是值得研究的。本文首先就井工开采条件下的斜坡变形模式进行了研究,根据不同的地质与采煤等条件建立了108个典型岩土质斜坡破坏模型,运用现代数学理论以及采煤沉陷理论,分别模拟计算了井工开采条件下不同斜坡的变形特征,模拟计算表明:坡体随着坡度增加,变形趋势增大;随着井工开采埋深增大,变形减小;随着井工开采规模(开采厚度、开采范围)的增大,变形趋势增大;而岩层倾角的变化对失稳坡体变形影响较小。其次本文选择具有山区井工开采条件下代表性的斜坡-太原市古交风峁顶斜坡为典型实例,根据斜坡在井工开采下变形特征,和斜坡所处地质环境条件,并结合斜坡变形监测实测资料,给出了该斜坡变形破坏具有分带性的特征,具体是:坡脚的水平-隆起变形带、坡腰的水平位移-下沉变形强烈带及坡顶的水平位移-下沉变形减弱带;并通过地表移动变形预计模型的计算和综合分析认为,井工开采引起的失稳斜坡变形机理是:地下采空一坡顶沉陷变形一坡体失稳一坡体后缘拉裂一前缘鼓起。在上述工作的基础上,论文根据风峁顶斜坡实际情况建立了地质模型,然后结合开采条件下的斜坡变形模式,建立了数值模型,并对该斜坡在井工开采影响下的应力应变变化进行了模拟;同时又分别对井工开采情况下该斜坡体内是否存在断层的地质条件,建立了的地质和数值模型,并通过模拟给出了该斜坡无断层和存在断层情况下该斜坡破坏变形过程是:井工开采条件下无断层的斜坡破坏变形应力、应变分布范围与程度均较存在断层情况下的斜坡破坏变形小,即地下一定规模的采空区是影响斜坡稳定的主要因素,若斜坡内存在断层,该不稳定斜坡破坏变形将会进一步加大。最后运用极限平衡分析的传统条分法(Morgenstern-Price),采用SIGMA/W及SLOPE/W模块对该不稳定斜坡在天然、暴雨工况下的稳定性状态进行了分析与计算,同时比较了在未进行地下采煤活动时该斜坡在天然、暴雨工况条件下的稳定性状态,给出了不同情况下,该斜坡的稳定系数,从而得到:井工开采前,该坡体处于基本稳定状态;井工开采后,天然工况下该坡体处于变形状态,而在天然+暴雨工况下该坡体处于极不稳定状态。
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