地下采动下含深大裂隙岩溶山体变形响应特征

为了研究岩溶山区地下采矿活动对上覆岩层及山体的变形影响,依托贵州纳雍普洒“8.28”特大崩滑案例,在现场地质调查的基础上,分析了纳雍普洒“8.28”崩塌体特征和山体变形发展过程,采用UDEC离散元数值方法研究了地下采动作用诱发强烈岩溶山体崩滑失稳过程及变形特征。结果表明:山体上部灰岩溶蚀强烈,形成众多裂隙和岩溶管道,在地下采动作用下经历了较长的变形发展过程;地下采动影响下,山体上覆岩层向采空区方向变形,并随着顶板岩层冒落,岩层变形显著增大;上覆岩层深大裂隙对山体变形有重要影响,上部岩层沿着裂隙向下形成沉降带,同时裂隙也得以扩展;崩塌区前缘岩体由于开挖卸荷,向坡外发生挤出变形,前缘阻滑力降低;随着采空区不断扩大,山体稳定性不断降低,最终山体整体溃屈,发生破坏。普洒崩滑模式为“山体后缘拉裂沉陷—裂隙扩展贯通—整体溃屈”。本研究为开展西南地区地下采动对岩溶坡体稳定性影响评价提供借鉴。     

重庆武隆鸡尾山滑坡视向滑动机制分析

重庆武隆鸡尾山山体为典型的斜倾厚层灰岩山体,其破坏模式不同于常见侧向崩塌-堆积层滑坡,属于真倾向滑移变形转为视向整体滑动的特殊失稳模式。在现场地质调查的基础上,从地层岩性、岩体结构、岩溶及地下水作用、软弱夹层等影响因素分析重庆武隆鸡尾山滑坡形成原因;根据滑坡破坏机制,基于关键块体控制理论,对鸡尾山滑坡进行三维稳定性极限平衡分析;利用三维离散元软件模拟鸡尾山滑坡的初始变形破坏过程,分析了鸡尾山滑坡不同影响因素条件下的视向滑动形成机制和变形破坏特征,并探讨了节理化和溶蚀岩体的参数取值。结果分析认为,在重力的长期作用下,鸡尾山山体初始沿真倾向方向滑移,沿岩溶发育的陡倾节理裂隙逐渐产生后缘及侧向裂缝,形成块状后部驱动块体,由于地下水等因素使软弱夹层软化,驱动块体下滑力增大,前缘阻滑关键块体内部应力积累,并最终沿强度较低的岩溶发育带发生剪切破坏,从而导致整体滑动;在进行滑坡稳定性极限平衡分析时,考虑实际的滑坡机制,将滑体分为驱动块体和关键块体分别进行力的解析,并以关键块体的安全系数代表滑坡的安全系数更加合理。数值模拟显示,软弱夹层强度降低、岩溶发育带剪切破坏后,滑体进入大变形阶段,表明关键块体控制和阻滑作用明显,软弱夹层强度降低是滑坡发生的关键因素。采矿形成的采空区对山体的影响主要是使上覆岩体压应力增大,但对滑体的变形无影响。     

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。      

基于InSAR技术的缓倾煤层开采诱发顺层岩体地表变形模式研究

贵州贞丰县某煤矿开采煤层以向斜缓倾的三叠系上统火把冲组（T3h）为主,与贵州省大部分煤矿开采的背斜反倾煤层不同,其采矿活动诱发的地面沉降和滑坡风险亦表现出不同的变形破坏模式(背斜反倾煤层易诱发倾倒崩塌、顺层缓倾煤层易诱发地面塌陷与滑坡)。论文利用升、降轨观测的共15期3 m空间分辨率L波段PALSAR -2 SAR为数据源,开展了多期地表变形D -InSAR测量,确定出变形发生的位置、范围与滞后时间。经实地调查验证,InSAR解算结果较好地吻合了矿区开采范围和地表破坏情况,证实了InSAR在煤矿区识别时序性地表形变的准确性。进而分解计算了地表三维变形,并通过与地下开采范围和过程的相关性分析,深化了对该地区缓倾煤层地下开采诱发的顺层滑坡变形模式的认识:（1）InSAR可以识别计算出采矿区地表变形的范围与沉降量,矿区变形在干涉影像中表现为以采空区地表为中心向四周扩散的圆环状变形条纹;（2）地表变形区域覆盖地下采空区上方及附近地表区域,根据地表变形情况与地下采空区范围计算出该地区上山边界角约70°、下山边界角约58°;（3）地下采空与地表沉降变形存在约30 d的时间滞后;（4）顺层地下采空引发的地表水平移动方向受地层产状、地表坡向共同作用,水平向为沿层面的顺层滑移与向沉降中心汇聚的合成运动结果;（5）沿层面的顺层滑移与地表坡度因素叠加造成采空区地表上山侧岩石受拉产生拉裂缝,下山侧则易产生塌陷坑及裂缝。     

重庆武隆鸡尾山危岩体形成与崩塌成因分析

鸡尾山事件是一次巨型滑移式岩体崩塌(体积大于100×104m3),也是一次特大型地质灾害(死亡/失踪人数超过30人)。鸡尾山层状石灰岩地质结构、近南北向和近东西向裂隙组合以及软弱夹层的存在是山体开裂滑移的物质结构基础。长期的降雨渗流和岩溶作用使软层强度弱化、裂隙带扩大是层状山体易于拉开的前提。类比分析认为,鸡尾山地形上高陡临空、山下铁矿大面积采空形成的"悬板张拉效应"是山体拉裂形成大规模危岩体的主要原因。视滑力分析计算得出,层状岩体向外的视滑力是逐渐克服危岩体底面摩擦力和前缘抗剪力,使危岩体蠕滑发展成崩塌的主要驱动力。鸡尾山崩塌灾害是铁矿采空和视滑力共同主导作用下的一个"山体拉裂～弱面蠕滑～剪出崩塌～碎屑流冲击～灾难形成"的链式反应过程。文章为应急管理决策解释了此次事件的动力来源问题,也为类似事件应急响应技术支撑提供了一种简便方法。     

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖（或河谷下切）和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明：在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖（河谷下切）及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。     

西南煤系地层山区采动型崩滑灾害研究关键问题

文章在分析采矿型崩滑灾害发育特征的基础上,得出西南煤系地层山区地下采动型崩滑灾害常发生在层状碳酸盐岩与碎屑岩地层组成的褶皱翼部和核部的陡崖带上,与地形地貌、地层结构与地下采矿工程活动等因素关系密切,并指出薄矿层开采诱发大型山体崩滑灾害的具体过程:①采空后覆岩顶板塌落—覆岩顶板离层,采空区上覆岩层内部及层间自下而上应力传递;②地下水运移通道形成,并加快更大范围岩体结构破坏及扩展,加速了岩体结构面的松动与破坏;③上覆岩层不均匀沉降导致坡脚压裂,山体大型岩体结构面逐渐拉剪或压剪变形扩展,最终山体发生累积损伤与大规模崩滑灾害。此外,传统经验公式的计算方法对此类采矿型崩滑灾害已不适用,建议开展西南煤系地层山区地质结构与地下采动诱发崩滑灾害的相互作用关系、薄矿层采空区上部山体累积断裂损伤—岩体松动、裂隙扩展-岩溶管道流、裂隙流变化的链式响应机制、地下采动型崩滑灾害评价方法等关键科学问题的研究,以推动采矿型地质灾害防灾减灾工作的发展。      

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。     

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。      

北京市戒台寺滑坡发生发展机理研究

戒台寺滑坡位于北京市门头沟区马鞍山的北麓,马鞍山背斜的北翼,组成边坡的岩性较为软弱。由于多期构造运动的影响,岩体中裂隙发育,岩体结构破碎,风化卸荷严重。边坡为顺倾结构,边坡中顺倾坡外的软弱夹层、软弱结构面及断层发育,它们分别为边坡的滑动提供了滑动面和切割面的作用。由于边坡中岩层倾角大于边坡的坡度,因此并没有剪出的临空面,只是一个受特定边坡结构控制的蠕变体。但是近年来在胜利煤矿和石厂煤矿的大规模采掘Ⅳ级平台山梁下煤层影响下,形成采空移动盆地,造成Ⅳ级平台山梁整体塌陷,客观上为蠕变体提供了变形空间,引起戒台寺SN向山梁Ⅰ～Ⅲ级平台坡体依附于断层破碎带或软弱夹层的松弛,导致各块坡体沿软弱结构面向临空产生蠕动和滑动。采石场大药量爆破的地震波的频繁作用影响,使坡体内的构造结构面扩展松弛张开,表水易于下渗,岩体强度及变形特性显著降低,斜坡稳定性对降雨入渗的敏感性显著提高,最终导致了蠕变体变形的加速。     

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。     

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。     

四川茂县维城乡前山危岩体变形机理研究

受“5．12”地震影响．茂县成为地震次生重灾区之一。茂县维城乡前山危岩体地震过程中发生了较大规模的崩塌,震后崩塌不断,严重地威胁着维城乡政府所在地数百人的生命安全。本文通过大比例尺工程地质测绘．分析危岩体结构、变形与河谷演化耦合关系后认为：前山危岩体变形是在软硬相间的层状反倾坡在河谷下切过程炭质千枚岩发生塑性变形导致上覆变质砂岩发生倾倒变形,在地震力作用下发生松动,形成平行临空面的长大拉裂缝,加之岩体破碎,震后危岩体逐渐崩塌解体正是在这种背景下产生的。此外,论文对危岩体稳定性现状进行了评价,认为其处于欠稳定状态,应及时治理。     

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。     

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

龙滩水电站左岸蠕变体B区边坡位移监测分析

结合地下水位监测与降雨量监测结果,对龙滩水电站左岸蠕变体B区边坡位移监测资料进行综合分析,认为边坡蠕变岩体位移主要发生在高程520m以上,且强风化线或蠕变岩体折断面控制着边坡岩体的变形,由于边坡排水、坡体压脚,岩体变形速率逐渐变小,目前已经基本稳定。应加强边坡强风化线或蠕变岩体折断面附近的位移监测,特别是蓄水期监测;同时要保证地表和地下排水系统的正常运行。