山区缓倾煤层地下开采诱发斜坡变形破坏机理研究

山区缓倾煤层地下开采诱发斜坡变形破坏机理研究

缓倾含煤地层斜坡在西南山区分布广泛,斜坡下部存在长期的地下开采活动,斜坡地形高陡临空且上陡下缓,陡倾节理面发育,具有“上硬下软”的坡体结构。特殊的地质条件与地下开采活动的叠加,导致斜坡变形破坏机制复杂,稳定性评价困难,早期识别难度大。因此分析开展地下开采诱发缓倾斜坡变形机制、失稳模式、早期识别特征的研究具有重要意义。本论文以贵州省都匀市煤洞坡变形体为研究对象,通过现场调查、物探、过程模拟等手段,查明了采空区分布情况及斜坡裂缝体系发育规律,再现了多煤层重复采动条件下覆岩移动变形过程,分析了临空面及重复采动影响斜坡变形的规律和机理,提出了缓倾采动斜坡变形破坏机制及失稳识别特征。

研究成果在采空区分布调查、变形裂缝体系构建、多煤层重复采动条件下斜坡变形机制和地质-力学模式建立等方面取得了一定进展,对山区缓倾采动斜坡变形破坏机理分析具有一定指导意义,取得了的主要成果包括:(1)建立了斜坡多煤层采空区分布模型。基于高密度电法和瞬变电磁法综合物探技术,结合收集的资料和老窑调查成果,查清了斜坡内的采空区分布和破坏情况,建立了斜坡内多煤层复杂采空区分布模型。按照不同时期形成的采空区大致可划分为9个区块。(2)阐明了煤洞坡变形裂缝体系与采空区具有对应性,建立了采动斜坡地质概念模型。

查明了“立山坡”变形体单元与“接娘坪”变形体单元的裂缝体系发育规律,分析了走向长壁法采动裂缝与地下采空区和节理面的关系,发现采空区边界与煤洞坡坡顶裂缝位置具有对应关系,斜坡宽大裂缝的形成与重复采动有密切关系。(3)揭示了多煤层重复采动条件下覆岩和坡表变形破坏发生规律。覆岩变形裂缝与地下采空区有对应关系,裂缝基本分布于采空区两侧边界和中部。采空区边界形成上宽下窄呈“V”字形的拉张裂缝,采空区中部受到弯曲下沉作用,会发生断裂。

覆岩和坡表水平移动呈波浪型或抛物线型,下沉移动呈偏态非对称型,重复采动对于坡表和覆岩的变形影响较大。(4)揭示了临空面对于采动高陡斜坡变形破坏具有“放大效应”。基于离散元数值实验发现,有临空面的采动斜坡岩体除产生向采空区倾倒式拉裂以外,还会有朝向临空面的变形。临空面明显增大了斜坡水平移动值和范围,加剧了坡表和覆岩的变形。

随着临空面坡度的增加,斜坡覆岩和坡表移动也更加剧烈。(5)揭示了重复采动影响斜坡变形的规律。在初始和二次重复采动条件下,斜坡会形成移动盆地;随着重复采动的继续进行,斜坡会形成非连续变形,坡表拉裂变形扩大,采空区两侧形成了裂缝带,重复采动使得覆岩和坡表产生较大下沉值,而对水平移动值影响较小。重复采动与临空面的叠加作用使得斜坡裂缝带范围扩大,变形更剧烈。

多煤层重复采动斜坡变形会经历了四个阶段,即初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段、稳定变形(蠕变)阶段,监测表明,斜坡目前处于稳定变形(蠕变)阶段。(6)提出了缓倾多煤层重复采动斜坡变形破坏的地质—力学模式。通过数值和物理模拟,提出了斜坡变形过程包括开采扰动-坡顶拉裂-变形加剧-蠕滑变形四个阶段,揭示斜坡变形破坏形成机制为拉裂—蠕滑—侧向剪断,建立了缓倾多煤层开采诱发的斜坡变形破坏地质—力学模式。基于地质—力学模式绘制了煤洞坡变形体坡顶裂缝位移矢量图、裂缝形成演化图及失稳滑动示意图。

提出了识别西南山区采动斜坡失稳的5个特征:高陡地形、有利临空面、陡倾节理发育、开采状况、“上硬下软”坡体结构,临空面特征具有识别指示作用。