采动作用下上硬下软型缓倾岩质高边坡变形机理试验研究

我国西南岩溶山区地质环境复杂,地下开采活动频繁,大型崩滑灾害频发。为了了解上硬下软缓倾岩质边坡下覆矿层开采时坡体的沉降与地裂缝发育规律,以贵州普洒崩塌为例,通过相似模型试验,研究采动作用下,坡体的地表沉降、内部位移、层间压力变化规律、以及采动诱发的地裂缝发育情况。研究表明:在地下开采情况下,坡体地表沉降和内部位移随开采宽度增加呈线性增大;当开采宽度约为采高的16倍时,地表沉降突增,并伴随裂缝出现;测点越靠近地裂缝,沉降变化率越大,地裂缝发生位置与地表沉降变化率最大的测点大致出现在同一区域;掘进工作面推进时,采空区上方顶板岩层出现卸荷区域,压应力减小,而采动工作面煤层上方岩体出现层间挤压区域,压应力增加;采空区上方大于20倍采高范围以外,岩体层间压力受地下开采活动的扰动影响微弱。本研究为西南岩溶山区在地下采动作用下,对山体崩滑的早期识别与破坏机制分析具有一定的参考意义。      

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征,揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明,煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝),动态裂缝在开采后能够实现自修复,工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重,其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后,基岩垮落角为60°,土层垮落角为65°,边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采,煤柱叠置、错距20、40 m时,区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m,地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式,能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度,据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。      

彬长矿区采陷裂缝影响因素分析

对彬长矿区地面裂缝进行了详细调查,指出该矿区地面裂缝的主要为开采塌陷引起的采陷裂缝,并对采陷裂缝的发育特征进行了归类。分析认为：采深增大,基岩厚度增大,覆岩的稳定性增强,对地面裂缝的规模控制也增强,60°～70°为塌陷裂缝边界范围圈定的指标值;工作面变宽,采厚变大,会加剧地面裂缝的产生和发展;“上硬下软”的地层结构,有利控制地表移动变形,关键层厚度增大,可以明显减缓地表移动;松散层厚度愈大,抗变形能力愈大的土层,其裂缝愈不发育;V型沟谷对裂缝的形成和发展影响较小,斜坡则对裂缝的发育有加剧作用;降雨对裂缝的发育有明显的加速作用。     

采空塌陷区地表裂缝发育规律分析

为研究开采沉陷覆岩移动地表裂缝的发育状况,论文基于沉陷盆地主断面移动变形特征,将地表移动变形影响区划分为拉伸区、压缩区和先拉伸后压缩区,并分析了各区的裂缝发育特征;先拉伸后压缩区合理解释了裂缝的自修复现象;运用下沉曲线计算模型借助于数学计算软件,计算了沉陷盆地主断面下沉曲线的长度,提出了基于下沉曲线长度计算判断采动拉伸区裂缝发育的方法;从理论上推断了一定条件下压缩区地表可产生挤压凸起,结合工程实例,分析了地表裂缝的发育特征。     

基于覆岩破坏传递的导水裂缝带发育高度研究

采动影响下覆岩破坏及导水裂缝带高度对于水体下采煤、保水采煤等具有重要意义。分析了采动影响下覆岩破坏传递过程,并将其划分为传递发育阶段和终止阶段;通过理论分析建立了上覆岩层悬空完整和悬伸稳定力学模型,提出以极限悬空距和极限悬伸距为判据用于判断每层岩层破坏情况,得出了计算导水裂缝带高度理论新方法,并通过工程实例与实测值进行了对比分析。结果表明,基于覆岩破坏传递模型的导水裂缝带发育高度计算方法预计的导水裂缝带高度（158.8 m）与实测结果（150~170 m）吻合较好,验证了该理论方法的可行性。      

长江三角洲南部地面沉降与地裂缝

过量开采地下水导致长江三角洲南部产生严重的地面沉降和地裂缝,造成巨大的经济损失。地面沉降和地裂缝的发生和发展在时空上与地下水开采具有密切联系,在地下水开采高峰期,地面沉降速率明显增加,在地下水位稳定期和回升期,地面沉降速率显著减小,甚至出现少量回弹。平面上,地面沉降分布形态与主采层地下水位分布形态具有很强的关联性;垂向上,地面沉降分布形态与沉降层、主采层及土层的厚度、压缩性等有关,弱透水层和含水层都可能成为主要沉降层。开采地下水条件下土层的变形与其经历的地下水位变化过程有关,不仅弱透水层存在塑性和粘塑性变形,在一定水位变化条件下含水砂层也存在塑性和粘塑性变形。地面沉降是地表下所有受影响土层的变形之和,为了控制地面沉降和地裂缝的发展,应限制地下水的开采量,尤其是避免出现地下水位低于土层历史上曾经达到的最低水位。     

衡水地区地裂缝空间发育特征与地下水位降深关系

通过浅层地震法及高密度电阻率法物探对河北衡水地区最近发现的3条地裂缝调查,探明了地裂缝地下发育深度、宽度、倾向等,发现地裂缝在地表与地下发育特征有明显不同：地表以一条地裂缝存在,在地下深处则以裂缝带发育,裂缝带两侧裂缝埋深不同,地下裂缝形态表现为上窄下宽。对该地区深层钻探、水文地质和多年地下水开采等资料分析表明,该地区的地裂缝是地质历史时期地质构造活动产物,开采深层地下水等资源则是促使地裂缝发展的主要原因。通过对不同地点地裂缝发育深度与近36年以来地下水水位降深的关系分析,结果显示：不同地区地裂缝发育深度与相应深层地下水水位降深呈线性关系。研究成果对地裂缝机理研究及预防开采深层地下水对地质环境的影响具有指导作用。     

高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析

本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15 m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10 m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。     

渭河盆地基底伸展与地裂缝成因关系探讨

渭河盆地是我国乃至世界上地裂缝最为发育,灾害最为严重的地区。本文以渭河盆地为原型,采用有限元数值分析方法,分析了基底伸展作用下盆地浅表层岩土介质和多级破裂系统的应力和变形响应特征,从而揭示基底伸展变形与该区域地裂缝之间的成因关系。结果表明,盆地基底的伸展作用可以引起近地表岩土介质的拉张变形,当这种拉张作用与盆地断裂的上盘正断倾滑式伸展拉张叠加时,必然形成或加剧地表土层的张剪性破裂,从而为地裂缝的发育奠定了构造基础。     

基于光纤传感技术的地裂缝物理模型试验

苏南地区地裂缝成因机制较为复杂,且灾害活跃。以光纤光栅传感器为监测手段,建立基岩潜山条件下物理地质模型,模拟抽水差异性沉降过程,揭示地裂缝发育演化规律。试验结果表明:（1）地下水过量抽采导致的不均匀沉降是地裂缝发育的最直接因素,地下水水位降深越大、抽采速率越快,地面沉降越明显。（2）基岩潜山形态位置对地表沉降起控制作用;同时地面沉降最严重区域与地裂缝分布区域基本一致;基岩潜山的发育位置形态、地表的沉降曲线以及地裂缝分布情况基本一致。（3）模型试验结果与研究区地裂缝灾害发育规律基本一致。此次基于光纤技术的物理模型试验研究为地裂缝研究提供新的方法与手段。     

用拐点原理计算滑坡后沿张裂缝深度的新公式

当坡体后沿产生张裂缝时,通常意味着坡体接近极限平衡状态,滑坡可能发生,若遇降雨,张裂缝充水产生的水压往往是滑坡发生的启动因素,因为水压的大小与张裂缝的深度估算有关,是边坡稳定分析的重要条件之一。建立了一个坡体后部潜在三角形极限平衡体拉张模型,导出裂缝深度公式。应用拐点的数学性质原理,解出裂缝处与内摩擦角相应的滑面倾角,计算张裂缝深度系数,绘制了应用于实际的张裂缝深度系数的数值解曲线图。解释了张裂缝发生条件:裂缝处的滑面倾角必须小于裂缝深度系数的一阶导数的极值点确定的与土层内摩擦角对应的倾角α。给出了圆弧滑面和一种非圆弧滑面发生张裂缝位置的公式。与Spencer裂缝公式进行了比较,表明本文方法具有实用价值。     

山西阳泉矿区刘村采煤塌陷机理及数值模拟

选取山西阳泉矿区单煤层开采引发的强烈地面塌陷作为研究对象,在详细介绍刘村采煤塌陷所处地质环境背景及其发育变形特征的基础上,根据区域岩体工程地质特征,将其划分为12层岩组;运用关键层、复合关键层理论对采煤塌陷机理进行了分析,获取Hoek-Brown岩体力学参数;采用Flac5.0 Extrusion对刘村采煤塌陷坑进行了反演模拟。数值模拟反映各阶段采动裂缝在地表的发育分布情况并计算了最终沉降量,覆盖层裂缝自然修复周期为2个月,基岩裂缝自然修复周期为3个月;采动裂缝最终在平面上呈“θ”形,塌陷中心1和塌陷中心2最终沉降量分别达到4.5 m和4 m,塌陷面积是工作面面积的1.85倍。模拟结果与调查监测数据高度吻合,客观地反映了地表变形和深部覆岩塌陷的发展变化过程,为塌陷机理分析起到了帮助作用。该套岩体力学参数与模拟方法适用于阳泉矿区采煤塌陷精准预测。     

山区平缓采动斜坡裂缝成因机制研究

西南山区采动斜坡多具有高陡临空地形、“上硬下软”坡体结构、岩层平缓、陡倾节理面发育、开采活动强烈等特点,往往发育与采空区边界对应的宽大裂缝,未见明显的移动盆地,形成机制复杂。本文以贵州都匀市接娘坪变形体为例,通过数值模拟分析了采动斜坡裂缝成因机制。研究结果表明,受坡体内煤层采空及高陡临空地形影响,斜坡覆岩沿陡倾节理开裂并一直向上延伸到地表,随着重复采动的进行,裂缝开裂程度增大,有向临空面倾倒破坏的趋势,斜坡未形成明显的沉陷盆地。斜坡裂缝形成演化过程包括开采扰动-坡顶拉裂-裂缝加剧等3个阶段,斜坡在多煤层重复采动条件下裂缝变形经历4个阶段,即初始变形阶段、缓慢变形阶段、急剧变形阶段、稳定变形阶段。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明：地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出上、下盘效应,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上、下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。该研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f_4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明:地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出“上、下盘效应”,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。其研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

耦合型地裂缝活动特征与成因机制模拟研究——以北京宋庄地裂缝为例

以北京通州区宋庄地裂缝为原型,研究以断裂活动和抽水为主要诱因的耦合型地裂缝的发育活动特征和成因机制,揭示了不同位错量和水位下降量引发的地层位移场和应力场的变化特征。通过实地踏勘,阐明了地裂缝造成的地表平面及地层剖面的破坏现象;运用有限差分法模拟研究了断层错动和抽水2种工况下的模型地层的变化响应过程,最后讨论了该类型地裂缝与各诱因之间的关系。结果表明：（1）该类型地裂缝具有三维活动等特点,一般造成浅表地层及墙体的水平张开量为0.3～1.2 cm,深部地层的垂直位错量随埋深而逐渐增大;（2）断裂活动引起的应力变化在裂缝发育区集中,并造成上盘地层出现明显的竖向位移,裂缝区地层出现较大的剪切牵引变形,且其两侧的竖向位移差异量最大;断层位错量的增加造成隐伏裂缝向上逐渐延伸扩展,并在上盘浅表层引发次级裂缝,致使地裂缝整体呈具有一定宽度的带状展布;（3）地下水位下降对地裂缝的竖向延伸和水平扩张均有加剧作用,裂缝两侧地表产生持续的沉降响应,并导致沉降漏斗中心成为地裂缝集中发育区,且该处的模型地层沉降量也最大,为10.2 cm,上盘地层的沉降范围宽度约38 m,下盘约16 m;(4)该类型地裂缝受断裂控...     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f_4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明:地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出“上、下盘效应”,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。其研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

王家山煤矿地裂缝的形成及其灾害

王家山煤矿断层密集，地裂缝发育，采空塌陷严重，这三者构成严重的地质灾害链。地裂缝的形成和发展，使矿区人民的生命财产遭受了惨重的损失。从工程地质及地质灾害的角度进行分析，认为新构造运动是动态的地质背景，黄土的特殊物理力学性质是静态的地质基础，人为的采空塌陷是地裂缝群产生的主要原因     

东非肯尼亚裂谷活动断层型地裂缝变形特征与机理研究

2018年雨季期间,东非裂谷肯尼亚段地表突然出现一条7~8 km长的巨大地裂缝,该裂缝直接导致连接肯尼亚东西区域的主干道B3公路的毁坏(以下称为B3地裂缝),而作为我国“一带一路”倡议的重点项目“内罗毕至马拉巴标准轨铁路”仅距离该裂缝几公里,科学解释地裂缝的形成机理是铁路工程设施安全运营的重要保障。本文对该地裂缝的空间展布和形成机理进行研究,利用遥感影像详细解译了地裂缝空间位置,通过无人机航拍测绘建立了裂缝带高分辨率数值高程模型,在此基础上详细测量了地裂缝两侧地表垂向位移、地裂缝宽度和深度等指标。通过野外调查发现地裂缝发育在裂谷东边界F₄活动断层之上,其空间位置受F₄断层控制,地裂缝垂向剖面显示全新世沉积物有明显断错,且有多条破裂结构面贯穿其中:地裂缝下部火山碎屑岩层有明显拉张裂隙,这成为雨季期间地表水垂向下渗的通道,使浅表部松散沉积物向下运移。同时,裂谷区发育的南北向断层系统是雨季期间地下水横向流动的主要通道,这些过程导致地下水径流在雨季期间会不断潜蚀下部的土层,致使地表物质不断向下搬运,从而造成地表大规模开裂和塌陷,形成裂谷区受活动断层空间分布控制的构造型地裂缝。     

高原季节性冻土区砂土液化探讨——以阿克陶MS6.7地震为例

2016年11月25日新疆阿克陶县木吉乡发生MS6.7地震,发震构造为公格尔山拉张系北端的木吉断裂,断裂总长度超过100 km,以右旋走滑为主兼有一定的拉张分量。文章在对震区进行了初步的地震地质灾害调查,总结砂土液化和地裂缝在高原季节性冻土地区的分布及发育特点的基础上,发现:1)在研究区Ⅰ维日麻村的砂土液化主要沿原有泉眼或沿地裂缝发育,沿泉眼形成的砂土液化其喷砂锥的覆盖面积达36.1 m2,占总液化面积的60%,研究区Ⅱ布拉克村的砂土液化则主要是沿草甸的根系喷出,在地表形成大面积的最新涌水结冻特征;2)对研究区Ⅱ布拉克村地裂缝的深度进行统计,反演出区域冻土层厚度,结合探槽揭露的地层剖面,推断冻土层发生大面积地裂缝是因为地震引起冻土层下部融土层发生砂土液化导致土层变形失稳,从而使冻土层发生形变产生一系列规律性的地裂缝。