岩溶区地下开采作用下含深大结构面坡体松动机制及稳定性研究

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我国西南地区,岩溶山区分布广泛,地区内岩溶作用强烈、沟壑纵横、地形陡峻,同时河谷深切、降雨集中,多形成大型的高陡岩质边坡。这些岩质边坡常为上硬下软,上陡下缓,在地层上多为厚石灰岩地层,且深大岩溶裂隙结构面发育,这种特征的岩溶坡体在地下采矿活动诱发下,原有结构面和新生裂隙扩展贯通常导致大型崩滑地质灾害。鉴于此,本文依托国家重点研发项目《岩溶山区地下采动环境下特大滑坡形成机制》(2018YFC1504802),以贵州省纳雍县普洒煤矿崩塌为研究对象,结合现场调研、室内物理模型试验和数值模拟方法,对采动作用下含深大结构面岩溶坡体松动破坏机制展开了研究。研究成果对加深采动作用环境下岩溶坡体失稳破坏机制认识有一定理论意义,有利于指导岩溶山区地灾防治工作,主要研究成果及结论如下:(1)通过现场踏勘、资料收集和无人机航拍等多种手段,对“8.28普洒特大崩滑灾害”研究区进行了深入调查,查明了灾区典型的孕灾地质环境特征,提出了坡体破坏模式,即“山体沉陷-拉裂变形阶段—坡体裂隙扩展贯通-滑动阶段—山体整体溃屈崩塌阶段”三个阶段。(2)通过室内相似模型试验,揭示了在采动作用下含深大结构面岩溶坡体原深大结构面扩展规律、采空区上覆岩层裂隙发育规律和坡体失稳破坏机理,结果表明:岩溶深大裂隙对坡体变形破坏具有控制作用,坡体在变形破坏过程中,原深大岩溶裂隙最先从裂隙底部发生扩展,危岩体始终沿着深大岩溶裂隙产生滑动,使得坡体中间岩体向临空面挤出,原深大岩溶裂隙与临空面贯穿,坡体发生失稳。(3)通过离散元数值模拟揭示了含深大结构面岩溶坡体松动破坏规律,结果表明:采动作用对岩溶坡体稳定性的影响主要表现在煤层上覆岩体新生裂隙的发育和诱发坡体原深大岩溶裂隙扩展贯通;坡体内部裂隙的发育具有时空效应,岩溶坡体内部裂隙带高度随着采空区范围的增加而增加;随着采空区范围继续扩大,岩溶坡体上部形成悬臂梁结构,悬臂梁沿着坡体原深大岩溶裂隙发生断裂,断裂的岩体沿着深大岩溶裂隙滑动,对坡体中间软弱岩体产生推力,坡体中间软岩被挤出,原深大岩溶裂隙与坡体临空面贯穿,最终坡体发生崩滑破坏。(4)通过数值模拟探讨了含深大结构面的岩溶坡体结构面深度、结构面距坡体临空面距离以及结构面角度对岩溶坡体裂隙松动机制及坡体稳定性的影响,结果表明:结构面深度、结构面距坡体临空面距离以及结构面角度对坡体采空区上覆岩层的变形影响较小;结构面深度、结构面距坡体临空面距离以及结构面角度主要影响坡体顶部岩层的变形;在采动作用下,当采空区相同时,坡体结构面深度越大,位置距离坡体临空面为越近时,坡体越容易从结构面底部发生扩展,且结构面底部扩展裂隙范围越大,越早与采空区上覆岩层裂隙带接触汇合;采动作用下,结构面角度对坡体顶部变形有重要的控制作用,坡体顶部最开始出现裂隙扩展的位置是结构面底部,且在采空区相同的情况下,当结构面角度越小时,坡体越容易从结构面底部发生扩展。
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