煤矿井工开采条件下斜坡变形破坏模式及稳定性研究

摘要

井工开采可导致斜坡岩（土）体内部应力重新分布，从而可引起岩（土）体变形，并在一定条件下导致斜坡失稳，失稳斜坡不仅威胁到其周边人民的生命财产安全，甚至可造成人员伤亡和经济损失。然而，井工开采引起的斜坡破坏变形的研究，多以将坡体划分为多层水平面受采煤沉陷引发坡体变形移动进行研究的，这一研究对井工开采引起的整体斜坡破坏变形的认识是不足的，尤其是不能有效地给出不稳定坡体变形引发滑坡的范围和有关特征，影响到对其稳定性的评价，使得防治措施针对性差。因此，对井工开采条件下斜坡变形破坏模式、变形破坏机理及其稳定性研究是值得研究的。
　　 本文首先就井工开采条件下的斜坡变形模式进行了研究，根据不同的地质与采煤等条件建立了108个典型岩土质斜坡破坏模型，运用现代数学理论以及采煤沉陷理论，分别模拟计算了井工开采条件下不同斜坡的变形特征，模拟计算表明:坡体随着坡度增加，变形趋势增大;随着井工开采埋深增大，变形减小;随着井工开采规模（开采厚度、开采范围）的增大，变形趋势增大;而岩层倾角的变化对失稳坡体变形影响较小。
　　 其次本文选择具有山区井工开采条件下代表性的斜坡-太原市古交风峁顶斜坡为典型实例，根据斜坡在井工开采下变形特征，和斜坡所处地质环境条件，并结合斜坡变形监测实测资料，给出了该斜坡变形破坏具有分带性的特征，具体是:坡脚的水平-隆起变形带、坡腰的水平位移-下沉变形强烈带及坡顶的水平位移-下沉变形减弱带;并通过地表移动变形预计模型的计算和综合分析认为，井工开采引起的失稳斜坡变形机理是:地下采空—坡顶沉陷变形—坡体失稳—坡体后缘拉裂—前缘鼓起。
　　 在上述工作的基础上，论文根据风峁顶斜坡实际情况建立了地质模型，然后结合开采条件下的斜坡变形模式，建立了数值模型，并对该斜坡在井工开采影响下的应力应变变化进行了模拟;同时又分别对井工开采情况下该斜坡体内是否存在断层的地质条件，建立了的地质和数值模型，并通过模拟给出了该斜坡无断层和存在断层情况下该斜坡破坏变形过程是:井工开采条件下无断层的斜坡破坏变形应力、应变分布范围与程度均较存在断层情况下的斜坡破坏变形小，即地下一定规模的采空区是影响斜坡稳定的主要因素，若斜坡内存在断层，该不稳定斜坡破坏变形将会进一步加大。
　　 最后运用极限平衡分析的传统条分法（Morgenstern-Price），采用SIGMA/W及SLOPE/W模块对该不稳定斜坡在天然、暴雨工况下的稳定性状态进行了分析与计算，同时比较了在未进行地下采煤活动时该斜坡在天然、暴雨工况条件下的稳定性状态，给出了不同情况下，该斜坡的稳定系数，从而得到:井工开采前，该坡体处于基本稳定状态;井工开采后，天然工况下该坡体处于变形状态，而在天然+暴雨工况下该坡体处于极不稳定状态。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地下采煤引起矿山压力的研究现状

1．2．2 地下采煤对上覆岩层稳定性影响的研究现状

1．2．3 地下采煤对斜坡稳定性影响的研究现状

1．3 主要研究内容及方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 本文主要创新点

第二章 井工开采条件下斜坡变形破坏模式研究

2．1 概述

2．2 模型的设计

2．3 模型建立

2．4 影响井工开采斜坡稳定性的因素分析

2．5 本章小结

第三章 井工开采条件下斜坡失稳变形机理研究

3．1 研究区地质及采矿条件

3．1．1 地形地貌条件

3．1．2 地层岩性条件

3．1．3 地质构造条件

3．1．4 采煤活动

3．2 地下采煤后斜坡变形发育特征

3．2．1 山顶地带变形特征

3．2．2 山坡地带变形特征

3．2．3 山脚地带变形特征

3．3 斜坡变形破坏监测

3．3．1 变形监测过程

3．3．2 变形监测结果分析

3．4 采煤沉陷条件下斜坡岩土层变形规律研究

3．4．1 计算原理及模型

3．4．2 计算内容

3．4．3 计算参数确定

3．4．4 风峁顶斜坡地表沉陷预测结果

3．4．5 煤矿开采沉陷条件下坡体变形分析

3．5 本章小结

第四章 井工开采条件下斜坡变形数值模拟分析

4．1 概述

4．2 斜坡三维计算模型

4．2．1 地质原型

4．2．2 有限元模型

4．2．3 计算条件及工况

4．3 数值模拟结果分析

4．3．1 地表变形分析

4．3．2 整体位移矢量场分析

4．3．3 剖面变形分析

4．3．4 应力场特征分析

4．3．5 最大剪应变特征分析

4．4 无断层情况下斜坡稳定性分析

4．4．1 地表变形分析

4．4．2 整体位移矢量场分析

4．4．3 剖面变形分析

4．4．4 应力场特征分析

4．4．5 最大剪应变特征分析

4．5 本章小结

第五章 井工开采条件下斜坡稳定性势析

5．1 参数选取

5．2 计算方法

5．3 计算工况

5．4 计算结果分析

5．4．1 应力及变形特征分析

5．4．2 斜坡稳定性分折

5．5 本章小结

第六章 并工开采条件市斜坡稳定性控制研究

6．1 斜坡稳定性控制方法

6．2 风峁顶斜坡变形控制措施分析

6．2．1 工程治理措施

6．2．2 井工开采控制措施

6．3 斜坡变形处理效果分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 存在不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文