贵州攀枝花煤矿采空诱发崩塌形成机理与风险评价研究

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采空诱发崩塌是地下采空致使覆岩变形破坏引发的山体崩塌。斜坡煤层采空后,煤柱回采引起覆岩变形,由此诱发整体上硬下软、局部软硬相间型地层、高陡临空型边坡组合、坡体陡~缓~陡型坡体结构、陡倾型特殊结构面斜坡发生崩塌变形破坏机制复杂,为采空斜坡的风险防控带来巨大的挑战。因此,开展特殊条件组合和采煤活动叠加发生崩塌地质灾害的形成机理及风险评价具有重要的实用价值和巨大的社会经济意义。基于此,本文以贵州省水城县攀枝花煤矿采空诱发崩塌为研究对象,通过资料收集和实地踏勘,查明了研究区的地质环境条件、崩塌变形破坏特征、采空区开采时间及分布情况,采用物理模拟试验方法,研究了采空诱发该类斜坡崩塌的过程和形成机理,在形成机理的基础上,从崩塌地质灾害的危险范围确定、危险性评价、易损性评价和风险性评价等方面进行综合分析,构建了采空诱发崩塌地质灾害的风险评价模型,为其防治提供科学依据。取得的主要研究成果如下:(1)研究区属整体上硬下软、局部软硬相间型地层、高陡临空型边坡组合、坡体陡~缓~陡型坡体结构、陡倾型特殊结构面。坡体内部发育5层可采煤层,开采历史悠久,形成了具有开采时间混乱、分布不均、面积较大等特征的4层采空区。斜坡受采空作用影响,岩体结构破碎、地表裂缝发育、崩塌破坏严重,发育3处大型崩塌。(2)建立了攀枝花煤矿崩塌地质概念模型,在概念模型的基础上进行适当简化,建立相似比为1:600的物理模型,采用相似材料配比试验,选取各种岩性的最优相似比进行试验。试验模拟出了在多层采空,煤柱回采条件下斜坡破坏发生崩塌的过程。(3)结合物理模拟试验成果、坡体结构、采空区分布情况及变形特征分析得出,崩塌的形成经历了“回采扰动-覆岩变形-多层回采-采空塌陷拉裂-变形加剧-坡体开裂崩塌”的过程,分为“煤层回采扰动阶段-多层采空煤柱回采沉陷变形加剧阶段-前缘拉裂贯通阶段-崩塌最终形成阶段”,失稳模式为“沉陷-拉裂-崩塌”。(4)基于滑坡体到达角回归方程理论,建立了改进(对数回归方程)的采空诱发崩塌最大运动距离计算公式(Lmax=H/10-0.109 logV+0.17(V≥105m3),Lmax=H/10-0.109 logV+0.22(V<105m3)),确定了由最大运动距离公式和覆岩移动范围共同确定的采空诱发崩塌地质灾害影响范围的方法;采用层次分析法基本原理和算法,根据变形迹象、变形速率、稳定状态、相对高差、坡度、临空面、结构面、坡体结构、地下开采、地表工程等影响因子,建立了采空诱发崩塌地质灾害危险性评价模型,通过评价得出采空诱发崩塌地质灾害危险性分级为高危险(7.26~10),中危险(2.47~7.26),低危险(0~2.47);通过证据权重法建立了有承灾体调查、价值核算、易损性计算组成的易损性评价模型,得出采空诱发崩塌地质灾害的易损性分级为:低易损性(V<0.20),中易损性(0.20≤V<0.45),高易损性(0.45≤V)。(5)建立由影响范围确定、危险性评价、易损性评价、风险评价组成的采空诱发崩塌地质灾害风险评价体系,评价了贵州攀枝花煤矿采空诱发崩塌地质灾害的风险性,高风险地区主要在攀枝花煤矿的工业广场以及附近居民区,中风险地区分布在西侧和北东侧。
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