老采空区覆岩失稳活化机理的实验研究

以霍州矿务局辛置煤矿2204工作面为背景,通过相似模拟实验,分析老采空区覆岩破坏的结构类型、覆岩失稳活化的机理以及老采空区砌体梁结构的失稳形式及其稳定条件。研究结果表明,采动破坏后老采空区及其上覆地层的岩体结构可以划分为四种类型,这种次生岩体结构对老采空区的活化有重要影响,其存在形式将决定老采空区活化的基本特点。通过对老采空区砌体梁结构进行的力学分析,得出滑落失稳主要取决于关键块和邻近岩体的物理力学特性和W/T的比值以及地表建筑物等对其施加附加荷载的大小,回转失稳与关键块和邻近岩体的物理力学特性和悬露岩块的厚长比h/l值有关。     

基于量纲分析的金属矿山覆岩垮落高度预测研究

提出利用量纲分析的方法对金属矿山覆岩垮落高度进行初步探索,对影响覆岩垮落的一系列因素进行统计和分析。垮落高度的影响因素包括采矿方法、矿体厚度、开采深度、构造应力、采空区尺寸、覆岩岩性、岩性结构、断层结构和时间等。结合工程实际和量纲分析构建了函数关系式和量纲矩阵,得出了垮落高度H与矿体厚度d、开采深度h、构造应力? h、采空区尺寸s、岩石重度? 、岩石松散系数k、硬度系数f之间的定量关系式。选取金属矿山垮落工程实例对所建立的垮落高度预测关系式进行验证,其垮落高度的计算结果与现场实测结果较吻合,误差在5.8%左右,满足工程需要。该方法可为矿山水体下采矿参数选取、矿山冲击地压控制及采矿方法的选择提供参考。     

叠加开采顶板覆岩变形破坏研究

叠加开采煤层顶板覆岩破坏较单层开采复杂,为了掌握其发育规律,作者通过顶板工程地质特征结合井中测流、钻孔电视实测分析,利用离散单元法模拟煤层在叠加开采过程中顶板变形破坏,从而对顶板覆岩在采动过程中的离层裂隙空间分布等特征进行研究,总结出叠加开采覆岩变形破坏的规律,从而可以有效地指导叠加开采煤层顶板防治工作。     

地震作用下节理岩体变形破裂机制研究进展及展望

西南山区节理岩体发育,处于强震易发区,强地震动和节理化岩体结构是汶川地震近场区地震地质灾害多发的两大主控因素,两者的相互耦合使得岷江两岸地震崩滑灾害成因复杂,崩滑机理研究难度增大。由于节理化岩体结构的复杂性以及早期对地震纵波关注不足,强震近场纵波作用下节理岩体变形破裂机制研究成果基本处于空白阶段。本文在系统归纳总结边坡地震动力变形破坏研究进展的基础上,分析了动荷载诱发节理岩体的变形破裂机制,探讨了解决目前研究中存在的核心问题的正确思路和有效途径,旨在对地震纵波作用下节理岩体宏观动力响应及其细观机制研究起到抛砖引玉的作用,并深化有关节理岩体地震响应、强震近场纵波引起节理岩质斜坡失稳模式等科学问题的认识,为下一步地震地质灾害研究指明方向。     

陡倾矿体开采断层滑移引发覆岩失稳机理分析

断层是成矿构造中重要的边界因素,断层的稳定性对矿体以及上覆岩体的稳定性具有关键的影响。本文基于金川矿区Ⅲ号矿体开采诱发断层滑移导致覆岩失稳的实例,在对地表及井下变形特征调查分析的基础上,采用数值模拟方法对断层滑移过程进行了研究,模拟结果揭示了此次断层滑移过程中断层带应力场、位移场的演化特征。根据应力分布特点将断层失稳过程分为应力缓慢增长阶段、应力增长震荡阶段、应力快速增长阶段、应力峰值震荡阶段、断层初始滑移失稳阶段和断层快速滑移失稳阶段6个阶段。断层失稳滑移过程由变形量积累阶段和断层突然失稳阶段构成,变形量积累阶段又可以分为断层减速滑移、断层稳定滑移和断层加速滑移3个不同时期。     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

节理粗糙度对岩块体积的影响规律研究

岩体结构直接控制着岩体力学、水力学特性,岩块体积分布规律可直接反映岩体结构特征。目前研究多将节理面简化为平面,忽略了粗糙度对岩块体积的影响。利用Hurst指数H和高度均方根R_q表征节理粗糙度,研究了节理粗糙度对岩块数量和体积分布规律的影响。结果表明：(1)H、R_q控制节理的粗糙起伏形态,粗糙度随着R_q的增大而增大、随着H的增大而减小;(2)块体的数量总体上与节理粗糙度正相关,即随着粗糙度的增大而增加;(3)R_q和H对岩块体积分布的影响,主要通过改变小体积块体所占比例实现,块体的平均体积和中位体积随着粗糙度的增大而减小;(4)当节理正交且间距相近时,块体数量随粗糙度的变化可以分为3个阶段,即稳定阶段、初始增长阶段和快速增长阶段,R_q和H共同控制着各区间的相对分布范围。最后,基于摄影测量采集的数据建立了岩体节理模型,对大连某公路边坡的岩块体积分布进行了研究,验证了上述结论的准确性。     

三峡库区藕塘滑坡变形失稳机制研究

三峡库区藕塘滑坡是巨型顺层基岩古滑坡,滑坡面积1.78km2,体积约9.0107m3,威胁3900余人的生命财产安全,涉及场镇整体搬迁,同时对长江航道形成潜在堵塞隐患,是近年来三峡库区重大滑坡灾害之一。基于大量的现场地质调查及工程地质勘探,详细介绍了滑坡地质地貌及地质结构特征; 充分利用现场监测数据,深入分析了滑坡变形特征; 在此基础上,从地质成因和环境成因两方面对滑坡变形失稳机制展开系统研究,并结合滑坡稳定性计算对其变形发展的趋势进行了预测。相关的结论主要包括:(1)该滑坡具有多级多期次滑动特征,主要表现为三级滑动,且空间形态具有视向倾斜滑动的特征; (2)特殊的地形地貌、地层岩性及地质构造等因素是滑坡长期孕育形成的地质内因; (3)库水位周期性波动及集中降雨是诱发滑坡复活变形的环境外因,研究表明该滑坡变形与库水位下降及集中降雨的相关性显著; 库水位下降导致坡体内外地下水落差形成指向坡外的渗透压力,促进滑坡体变形; 集中降雨则增加滑坡体自重和下滑力,并使得大量的水富集于易滑软层,软化滑带土,促使滑坡蠕动变形加速; (4)三级滑坡体与西侧变形区在极端工况下存在欠稳定状态可能性,推断现阶段滑坡以局部失稳破坏形式为主。鉴于此,建议进一步加强监测,采取相应的工程防治措施。     

三峡库区卧沙溪滑坡变形失稳机制分析

卧沙溪滑坡位于长江支流青干河右岸,三峡库区蓄水以来,该滑坡的变形持续加剧.地表调查表明滑坡出现了剪性、张性及挤压裂缝;GPS监测数据表明滑坡下部的变形大于上部,滑动是由于库水位下降而引起.滑坡变形机制为前缘牵引后缘平推式,前期以牵引为主,后期以平推为主.强降雨和库水位下降是滑坡变形的主要因素,当库水位在一段时期内按一定速率持续下降时,滑体变形速率明显加大.     

UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性

通过UDEC(Universal Discrete Element Code)对厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩破坏特征的数值模拟以及物理模拟对计算结果的验证,得到了工作面走向中部覆岩冒落带高度随放采比的增大而增大、裂隙带高度随放采比的增大而发展缓慢的结论.覆岩沿高度方向形成"三带",但不同于其它条件下的放顶煤开采,采空区走向中部覆岩裂隙带高度与冒落带高度基本一致,顶板岩层呈现整体弯曲下沉.当放采比为2∶1与2.5∶1时,顶板岩层呈现整体弯曲缓慢下沉,裂隙带最大发育高度为20～22m.通过对覆岩破坏规律以及采区水文地质特征的分析,覆岩突水可能性很小.     

山区下开采覆岩移动规律及破断机制研究

以海石湾矿山地下开采为背景,借助基于连续介质力学的离散元方法--CDEM数值模拟计算方法,对山区下煤层开采过程中不同采动影响模式下覆岩的移动和破坏进行了模拟分析,并结合相似模拟试验与现场岩移监测所得结果,得到了顺坡推动式采动影响模式及逆坡牵引式采动影响模式下,覆岩的移动和破坏形式,并从数值分析和实际观测上验证了高顺坡开采转低逆坡开采时覆岩悬臂梁结构的存在,解释了坡底局部隆起的现象。研究表明,在相同地质条件下,顺坡开采坡顶易发生张拉及剪切破坏,坡底有剪切蠕滑的可能,因此,较逆坡开采对边坡稳定性影响更大。所以在实际生产中宜将上工业广场建于低矮的坡体较完整的逆坡上。     

采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究

采动覆岩变形破坏对开采巷道的安全构成威胁,同时易造成地面塌陷,对地面构筑物的安全和地质环境产生影响。因此,对煤层采动覆岩变形进行监控,具有重要的现实意义。论文针对煤层采动覆岩变形破坏的一般规律,利用分布式光纤感测技术,开展了采动覆岩变形物理模型试验研究。采用将感测光缆竖直植入物理模型内部的布设方法,获得了煤层采动过程中覆岩变形分布式监测结果。将光纤测试结果与常规近景摄影结果进行对比,结果基本吻合;同时,揭示了采动覆岩变形破坏规律和覆岩离层的演化过程。利用经验公式计算得出"导高"均值约为30.6cm,这与光纤监测数据分析估算得到的30cm基本一致。试验结果表明:将分布式光纤感测技术引入采动覆岩破坏模型试验是可行且准确的,为以后的相关研究提供了一种新的思路与方法。     

金属矿山采矿推进与地表变形关系研究

分析金属矿山地下采矿引起的地表变形规律,可为地表变形扩展范围的预测与矿山安全生产提供指导。以程潮铁矿为例,对地下采矿情况的调查以及地表GPS、水准和三维激光扫描数据分析,探讨采空区周界变化与移动线和陷落线对应关系,采矿推进与沉降漏斗扩展之间关系,采矿推进与采空区上方及周边测点的变形规律。其结果表明,从2006−2017年间,随着西区–325、–342.5、–358、–375.5、–393 m水平采空区向不断向东移动,西区移动线和陷落线的扩展主要集中在西区东北部,东部和东南部;沉降漏斗东部有新的漏斗中心发育,沉降漏斗曲线逐渐呈2个漏斗中心的特点。采空区正上方测点变形受地下采矿推进直接控制,当开采测点正下方的矿体时测点变形会明显加速,而采空区周边测点,变形加速则受多种因素影响,并基于监测结果,分析了采空区上覆岩体崩落,通过建立采空区周边岩体力学模型,解释了测点变形规律,所得成果可为其他类似金属矿山提供参考。     

“彭灌杂岩”推覆体的构造变形特征

位于龙门山中段的“彭灌杂岩”推覆体，主要由中晚元古代的二长花岗岩、英云间长岩、钾长花岗岩、辉长岩等组成，用颗粒锆石法测其年龄值为６９９—８５９Ｍａ。该推覆体的推覆面（映秀断裂）为脆－韧性变形，且以脆性变形为主的逆冲推覆断裂，并且有走滑性质。推覆体内部早期为韧性变形，叠加晚期脆性改造，其断裂呈叠瓦状排列，中后部以韧脆性变形为主，至前部脆性变形增强，总体为一个由众多岩片叠置而成的韧脆性冲断推覆体。     

三峡库区树坪滑坡变形失稳机制分析

树坪滑坡自2003年三峡水库蓄水以来,就一直持续变形。为了对其稳定性及变形发展趋势进行评价和预测,有必要对其变形失稳机制进行深入研究。为此,采用现场地质调查和勘探的方法确定了滑坡的形态和性质;充分挖掘变形监测数据,详细分析了滑坡的变形特征。在此基础上,深入研究了变形失稳机制及影响因素,并对滑坡的稳定性进行了计算和预测。结果表明,滑坡区地形、岩性及地质构造等地质因素控制了树坪滑坡的形成和发展;库水位下降和大气降雨进一步激励了滑坡的变形。库水位下降,坡体内地下水位随之下降,但其速度远小于库水位下降速度,导致坡体内水力梯度和渗透力明显增大,从而使滑坡稳定性急剧下降,并且库水位下降速度越快,滑坡的位移速率也越大,是典型的水库下降型滑坡。在库水位下降过程中,若出现明显的降雨过程,更加剧了滑坡的变形,有产生大规模滑动的可能性,须采取防护治理措施。     

深部开采覆岩应力变化规律模拟实验研究

为了研究深部开采条件下覆岩结构运动所引发的动力破坏特征及巷道围岩中采动支承压力分布规律,以某矿20180工作面覆岩为研究对象,通过相似材料模拟实验,得出了深部开采条件下覆岩应力变化规律。结果表明:顶板垮落规律显著,初次来压步距较长,周期来压步距基本相似;开采过程中底板与顶板支撑压力是动态变化的,并具有同步性;随着顶板岩层高度的增加,应力集中系数逐渐减小。根据底板和顶板的应力变化规律,将底板和顶板划分为五个区域,为深部开采条件下工作面巷道超前支护,采空区瓦斯抽放及矿压控制提供可靠理论依据。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。     

分形节理岩体强度与变形尺度效应的试验研究

根据强度与变形尺度效应的研究需要,试验研究了脆性岩石相似模拟材料的配比,提出了预置材料产生模拟节理的方法,解决了随机分布节理试件的制作问题。采用分形分布节理模拟材料试件,研究了脆性岩体轴向抗压强度与变形的尺度效应,获得的规律与实际岩体尺度效应规律一致,并发现岩体变形的尺度效应并非完全由节理闭合和剪切破坏引起,在节理剪切破坏之前,主要是由节理的剪切变形增大引起的。     

基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究

因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明：在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。     

开采覆岩破坏工程地质预测的理论与实践

煤层开采造成的覆岩破坏范围和高度是水体下采煤留设防水煤岩柱和老采空区基岩稳定性评价的重要依据,本文以岩体工程地质力学为理论依据,对覆岩破坏机理和判据等进行了研究,详细分析了覆岩工程地质类型及其组合、岩体结构特征、地层倾角、地质构造、地应力、地下水及开采条件对覆岩破坏高度及发育规律的影响。文中提出了覆岩破坏预测的工程地质学方法,并给出了应用实例。