陡倾结构金属矿山采空区围岩破坏机制研究

在地下金属矿山开采中会造成采空区围岩变形破坏,影响地下采矿安全。采用现场调查、位移监测、微震监测,并结合理论分析等方法对金山店东区地下采空区的围岩破坏机制进行研究。考虑水平构造应力和崩落岩体的影响,基于极限平衡理论和能量法分别得到上下盘采空区围岩破坏机制,即倾倒滑移破坏和溃曲滑移破坏。上盘和下盘围岩在陡倾结构面的切割作用下,分别形成反倾结构和顺倾结构。在水平构造应力作用下,上盘陡倾结构岩体向采空区侧发生倾倒破坏,岩体变形破坏进而导致F4断层活化。随着采矿的深入,破坏的岩体数量和范围不断增加,形成一个深部滑动面,并穿过F4断层。下盘采空区围岩在水平构造应力作用下诱发了矿体边界处F1断层滑移,同时引起顺倾结构岩柱发生溃曲-滑移破坏,沿着节理面形成滑动面。     

金属矿山崩落采矿法引起的岩层移动规律分析

以典型陡倾结构面条件下的金属矿山--程潮铁矿西区为例,通过对矿区的地表变形监测资料及宏观破坏特征分析,认为矿区的岩层移动分为2个阶段,第1阶段为采空区顶板岩体破坏扩展至地表引起塌陷阶段;第2阶段为采空区周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段,并得出了倾倒滑移区的地表岩体变形规律：岩体主要发生水平移动,水平移动值大于沉降值;变形先以缓慢变形为主,然后进入一个快速变形阶段,存在明显的转折点;开采沉陷和地形引起的应力同向叠加作用,使得地表岩体沿下坡方向的变形值增大,特别是水平移动值。同时揭示了矿区岩层移动角的分布特征;南部岩层移动角大于北部,究其原因是北部受最为发育的NNW、NNE结构面影响,倾倒破坏较为严重。所得成果为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究

大红山铁矿采用无底柱分段崩落法开采形成了3个规模巨大的采空区,采空区上覆岩层移动与地表开裂塌陷将导致露天采场发生滚石地压灾害、井下采场产生空气冲击波次生地质灾害、地表与井下发生泥石流地质灾害等。针对上述问题,采取了多通道微震监测、非接触式岩移实时监测、基于手持式GPS仪的地表开裂范围监测和基于全站仪的地表沉降与水平移动监测的多种综合地压监测手段,对上覆岩层崩落高度、上覆岩层下沉变形量、地表开裂范围和地表沉降与水平移动等进行了监测,通过两年的监测获取了大量的监测数据,经分析表明,采空区上覆岩层崩落高度约在+1 090⁺1 060 m,上覆岩层+1 090 m平巷内观测点累计沉降量为1 350 mm,地表开裂范围位于以岩移角为75°划定的地表岩移范围内,地表测点最大累计沉降与水平移动量为1 779与948 mm,上覆岩层与地表的变形移动活动处于稳定渐进可控的状态,目前不会发生上述地压地质灾害。     

复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究

地质条件是矿山开采岩层移动的基础,复杂的地质条件常使得地表移动角、沉陷角预测不准,导致灾难性后果。以典型复杂地质矿山程潮铁矿东区为例,以多年地表变形监测结果为依据,对在其特殊地质条件下地表变形和岩层移动的机制进行了分析研究。结果表明,地下采矿是矿区岩体破坏的直接诱因,地下水产生的静水压力和动水压力强化了岩体的变形与破坏;矿区岩体中断层、节理等特殊地质结构是岩体破坏的基础;构造应力场的存在是围岩向采空区产生较大移动变形的主要影响因素;在采矿之初,地表塌陷主要是由地下水疏干引起的;地表大规模塌陷形成以后,地下采空区的扩大是引起地表塌陷的主要原因,但矿区特殊的地质条件对地表塌陷范围的扩展速度有重要影响。     

岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制研究

在贵州岩溶区某大型工程台址工程地质环境条件研究基础上,采用地质历史过程机制分析法和数值模拟方法,对岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制作系统研究,总结出了4种变形破坏机制,即高陡的层状缓倾内边坡(A类坡)主要发生倾倒-崩落或拉裂-崩落破坏,低矮的层状缓倾内边坡(C类坡)则以小规模垮塌为主;缓倾外顺层边坡(B类坡)以滑移-拉裂型顺层滑坡或块状滑坡为主,而复合型边坡(D类坡)多以滑移-拉裂和弯曲-拉裂组合形式发生破坏.     

煤矿采空区地面塌陷预测方法探讨

采空区地面塌陷危险性预测评估虽然具有局限性,但根据煤层埋深、覆岩厚度、工程地质条件等选取经验数据进行先期预测,可以定量地研究煤层开采对环境造成的影响,对合理进行灾害防治具有实际意义。本文以华能新庄、肃北县牛圈子四号煤矿为研究对象,分别运用地表移动和变形预计法与地表移动范围角量参数法,分别对缓倾煤层、倾斜煤层进行采空区地面塌陷的预测,通过对预测结果的综合分析,得出宜采用地表移动角量参数法预测缓倾煤层,采用地表移动和变形预计法预测倾斜煤层,为今后类似煤矿采空区地面塌陷预测提供科学依据。     

层状反倾-顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征

以往研究中倾倒变形研究在反倾边坡较多而在顺倾边坡中很少,对两种不同结构的边坡形成倾倒体的异同点更是存在较多空白。在总结大量倾倒体实例基础上,对层状反倾和顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征进行了详细研究。结果表明,顺倾边坡若发生倾倒,通常表现为坡高 100 m,边坡坡角 35°,岩层倾角 60°,岩性为薄层或薄层与中层互层的软岩、软硬相间的岩石;反倾边坡当坡角 30°及岩层倾角 30°就可能发生倾倒,其岩性为薄层～中厚层状的软岩、硬岩及具有似层状结构的坚硬岩石均可;提出层状岩质边坡“倾倒临界倾角 ”的概念,对于顺倾边坡, 60°,当 时边坡将可能产生倾倒破坏,当 时边坡通常产生顺层面的“滑移-弯曲”或“滑移-拉裂”型破坏;反倾边坡 30°,当 时边坡才可能演化成明显倾倒变形,当 时边坡不会倾倒或倾倒不明显;对于地质条件基本相同而坡体结构不同的两种边坡,反倾边坡形成的倾倒体无论是发育分布面积还是倾倒深度通常是大于顺倾边坡的,而且一旦形成倾倒体,二者的规模通常是深层的、大型或特大型的;倾倒体的分布面积和倾倒深度均呈现一种随坡高的增加而增加的趋势,坡高 250 m时其分布面积和倾倒深度表现为陡然增加,并且反倾边坡增加幅度大于顺倾边坡。     

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。     

陡倾煤层开采条件下上覆山体变形破坏物理模型试验研究

大型岩质滑坡是中国西南岩溶矿区的主要地质灾害类型,其破坏和成灾过程具有复合性。以我国重庆武隆鸡冠岭滑坡为例,通过离心物理模型试验研究了地下开采条件下陡倾灰岩斜坡的变形失稳机制。试验时随着煤层模型板被拔出,上覆岩层在拟重力作用下开始出现位移与层间错动,当煤层模型被拔出150 mm时,模型山体发生显著破坏。试验结果表明:陡倾灰岩斜坡在长期重力作用下,会出现弯曲倾倒的变形,随着地下煤层逐渐采空,上覆陡倾层状岩体失去支撑,岩层层面分离并产生拉张裂缝,岩体变形加剧发生倾倒破坏,并对煤层下部的稳定岩体形成挤压,下伏稳定岩体发生剪切破坏,最终导致鸡冠岭以倾倒-滑移的复合模式整体失稳。这一研究对中国西南山区大型岩质滑坡的早期识别与失稳机制分析具有指导意义。      

近水平厚层高陡斜坡崩塌机制研究

近水平厚层高陡斜坡岩层倾角小于10°,具有软硬相间或上硬下软的结构,常形成高陡斜坡或陡崖地形,主要以大型崩塌的形式发生破坏。在梳理国内外文献的基础上,从岩体破坏机制出发,对近水平厚层高陡斜坡崩塌的形成过程、破坏机制、失稳模式进行分析,总结归纳了6种地质力学模型,包括滑移-拉裂、塑流-拉裂、倾倒-拉裂、剪切-错断、剪切-滑移、劈裂-溃屈,并提出了相应的野外识别特征。      

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明：地表塌陷主要受地下采矿的影响;在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段：间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段及地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成。地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,黏土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

含陡缓倾结构面反倾岩坡折断面演化特征的离心试验研究

为研究含陡缓倾结构面的反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,通过在坡体内不同部位预置切割岩层的非贯通裂缝开展离心模型试验,模拟反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征。研究表明：（1）含陡缓倾结构面的反倾岩坡破坏以折断面的形成为标志,折断面的形成分为3个阶段：初期（0～40g,g为重力加速度）为局部岩层断裂阶段,以岩层局部断裂及后缘岩层前倾为主要破坏特征,坡体表面位移变化量较小;中期（40g～80g）主折断面形成阶段,坡体深部结构面自上而下断裂扩展连接形成主折断面,坡体表面位移变化量约占总位移量的3/4;后期（80g～120g）为多级折断面形成阶段,以坡体内部断裂岩层应力重分布为主要变形特征,坡体表面位移基本保持不变。（2）结构面间岩桥断裂具有瞬时性,但折断面的形成是渐变发展的过程,主要受陡倾结构面控制,主折断面处裂缝应变量最大,受力方式最为复杂,次级折断面处裂缝应变量次之。（3）基于断裂力学,简化了复杂应力状态下含结构面的反倾岩坡压剪断裂判据和岩层不平衡力公式,揭示了主折断面处岩层不平衡力呈现由坡体高度1/3处向坡底和坡顶两侧变小的规律,折断面的形...     

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

本文以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明,地表塌陷主要受地下采矿的影响,在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段:间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段、地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成,地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,粘土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

本文以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明,地表塌陷主要受地下采矿的影响,在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段:间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段、地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成,地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,粘土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

陕西山阳特大型滑坡视向滑移-溃屈破坏力学分析

陕西山阳滑坡为典型的陡倾层状斜向岩质斜坡,其破坏模式不同于常见的顺倾层状岩质斜坡溃屈破坏模式,也不同于斜倾层状山体的视向滑移-剪切破坏模式,更不同于陡倾顺层岩质斜坡的倾倒、倾倒-滑移破坏模式,属于视向滑移-溃屈破坏模式。在实地调查的基础上,从斜坡结构特征、结构面组合特征以及剪出口特征分析了滑坡的破坏模式,进而分析了山阳滑坡的视向滑移-溃屈破坏机制;以梁板理论、层状板裂结构岩体弯曲-溃屈破坏的力学模型为基础,结合斜倾层状岩质滑坡的视向滑动机制研究,建立了基于斜坡自重、地下水静水压力、侧向摩阻力以及斜坡岩体厚度变化作用下的陡倾层状斜向岩质斜坡视向滑移-溃屈破坏力学模型,进行力学分析,推导了溃屈段长度条件方程,并以山阳滑坡为例验证了长度条件方程的正确性。     

陡倾硬质岩边坡倾倒变形数值模拟与分析

由硬质岩组成的陡倾反向坡会产生倾倒变形,并可进一步发展为滑塌破坏。虽然这种倾倒变形发育的深度有限,但是硬质岩容易形成高陡边坡并产生危害巨大的高位危岩体问题。为此,以开挖高度约200m、总体坡度达42.4°的连云港东疏港高速公路路堑边坡为研究对象,采用地质分析、数值模拟与原型监测相结合的方法,开展倾倒变形特征和边坡加固效果的研究。结果表明,当开挖卸荷作用强烈,并在地下水压力作用下,即使是微风化和新鲜的硬质岩陡倾反向坡也会产生倾倒变形;倾倒变形始于坡脚(当边坡开挖成台阶状时,包括各级台阶的坡脚),上部岩板失去支撑,沿陡倾结构面互相错动而发生倾倒变形。锚杆增大了陡倾岩板间的错动阻力,抑制了倾倒变形的发展。     

崩落法开采引起的岩层移动时效性研究

崩落法开采的金属矿山往往会伴随着一系列的地质灾害现象。为保证矿区安全生产,开展崩落法开采引起的岩层移动的时效性研究具有重要意义。以程潮铁矿西区下盘为研究对象,通过将地表10多年GPS监测数据的整理分析,并与现场破坏调查结果和工程地质条件相结合,进而探究不同分区下岩层移动的时效行为。研究结果表明：岩层移动的时效行为与其破坏过程有着密切的关系,不同分区下的岩层移动的时效行为是不同的,可分为初始变形、渐进变形、加速变形和残余变形共4个阶段,分别对应着稳定状态、临界状态、失稳状态以及采矿结束后的蠕变状态;初始变形阶段对应着岩体的初始蠕变过程,渐进变形阶段反映了岩体抵抗自身变形的过程,加速变形阶段与深部破坏面的形成和强烈的应力释放有关;崩落碎石在采矿作业停止后失去了流动空间,在岩体变形挤压下会对围岩提供支撑力进而限制了岩层移动的进一步发展;残余变形时间由岩体的蠕变特性和崩落碎石的压密过程所控制,倾倒滑移区因需要经历一个额外的碎石压密过程而导致残余变形时间更长。     

辽宁大窑沟急倾斜煤层开采沉陷数值模拟研究

急倾斜煤层覆岩结构的复杂性,使得现有的理论不能很好的解释覆岩移动和地表沉陷规律,为了深入研究急倾斜煤层开采覆岩移动和地表沉陷规律,本文采用MIDAS/GTS对急倾斜煤层开采情况进行模拟,并将"三带"理论应用于急倾斜煤层的研究。根据煤层开采后覆岩移动规律和地表沉陷的特点将煤层开采分为浅部开采阶段和深部开采阶段。浅部开采阶段覆岩破坏范围较小,顶板形成以上下煤柱为拱脚的拱形结构,地表表现为非连续的塌陷坑;深部开采阶段基本顶断裂、垮落在采空区形成铰接结构,地表表现为连续的下沉盆地。     

宁夏羊场湾煤矿浅埋煤层开采地面塌陷发育规律及形成机理

以宁夏羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象,采用无人机遥感技术、野外调查与有限差分软件模拟方法研究浅埋煤层开采的地面塌陷类型、发育规律及其形成机理。(1)浅埋煤层开采地面塌陷以地表裂缝发育为主,地表破坏严重。(2)平行切眼裂缝间隔性出现,展布于整个工作面内,间隔距离为10～120m,局部裂缝形成错台高度约为15cm。平行顺槽裂缝为拉张型裂缝,发育在顺槽至外围一定范围。(3)采煤活动导致地下形成采空区,上覆岩层发生移动破坏,破坏区分为剪切破坏区、拉张破坏区及剪-拉破坏区,分别对压应力区、拉应力区和压-拉转化区。(4)当应力扰动传递至地表,应力值超过覆盖层抗拉强度时地表产生裂缝。随着工作面推进,覆岩内部裂缝带上行裂缝与地表下行裂缝贯通,形成错台。研究成果丰富了该区浅埋煤层的地面塌陷理论知识,为地面塌陷防治提供了理论依据。