文摘

边坡结构和表面地形是两个重要影响因素在山区矿山边坡的变形行为。本研究旨在调查矿山边坡的变形特点运用粒子流动代码(PFC),与9不同的采矿配置(即。、水平距离提取面板中心斜率的肩膀,D150 = 200−−−,100,−50 m, 0 m, 50米,100米,150米和200米)。代表斜率fa镇上,贵州省六盘水市,中国被选中,特点是软、硬夹层之间的岩层。结果表明,上覆岩体倾向于朝着下方倾斜的表面与矿业倾斜的地形,这带来了一个不对称的沉降漏斗,并组成了一个更广泛的范围相对扰动边坡表面。与垂直沉降增加此外,整体边坡的稳定性恶化。安全开采范围应该提出基于评估时间变形行为斜率的肩膀,整个边坡稳定。

1。介绍

长壁开采是一种最普遍采用地下开采方法,特别是在与相对统一和矿区厚煤层(1]。地表塌陷地质灾害程度的主要形式,对环境造成各种负面影响(2,3]。

地面运动机理的分析和评估他们的大小和几何图形的主要问题一直是采矿业务的风险管理。一个可靠的预测地面沉降造成的采矿作业仍然是一个巨大的挑战(4]。一个提取小组形成,上覆岩体的变形取决于许多因素,例如,bedding structure, thickness, strength, discontinuous geometric, mechanical characteristics of the panel, thickness of the mined coal seam, and width and length of the extracted panel [5- - - - - -8]。除了煤层的属性和上覆岩体地应力条件、地下水条件,地形梯度,采矿方法,提取的过程,和分销支柱可能都增加了复杂性的地面沉降评估(4,9,10]。采矿引起的地面变形操作是一个在时间和空间尺度上的多因素耦合的问题。

地面沉降的预测可以通过各种方法,如数值模拟、物理模拟、影响函数法,实证方法,分析技术(10- - - - - -14]。此外,与发展在地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术,可以构建空间数据库分析沉降的形状和大小(15,16]。GPS网络应用程序的能力测量地面水平位移做出了伟大的贡献为采动地质灾害监测和早期预警系统(17]。应用地球物理方法使地质学家能够开发一个全面了解覆岩体断裂演化的浅采矿活动引起的(18,19]。

许多研究者进行数值和物理模型来估计复杂地面的沉降资料。物理建模通常有困难处理一个原位岩体的应力状态(即。,重力的影响),只能通过土工离心模拟(20.,21]。执行大型土工离心试验,然而,可能会非常昂贵。数值模拟已经广泛用于分析矿山边坡和复杂的几何形状和模拟不连续岩体的非线性力学行为4,9,22- - - - - -27]。离散单元法(DEM)是一种有效的工具来分析裂隙岩石边坡的不稳定,众多成功案例证明(28- - - - - -30.]。

总共有356起地质灾害(参考表1山区六盘水市)报道,中国西南贵州省的。到2016年底,发生在大多数的危害 和 地层。典型矿山边坡边坡名叫Jianshanying fa镇,六盘水市被选中。运用粒子流动代码(PFC)和地下采矿作业分析变形行为。

表1
岩层采动在六盘水城市地质灾害的分布在不同的地层(2016年底编纂的数据)。

2。采动边坡不稳定的机制

许多以前的研究报道,斜坡进行地下开采容易屈服和山体滑坡31日- - - - - -34]。有两个主要岩层采动边坡的模型失败:(1)前卫摇滚和屈服失败,导致近垂直的悬崖(25,35),(2)岩体挤压从坡脚导致整体不稳定36]。与地下开采进行斜率的肩膀之外,大多数不稳定启动(37,38]。

根据Salmi et al。4),表面形貌有相当大的岩层采动边坡不稳定的影响机制。矿业在丘陵和山区地形通常会增加边坡破坏的风险。此外,矿业在倾斜的地形对地面沉降额外的威胁,这通常发生在一个山谷(35]。平坦地形下煤层中提取,提取面板上方的岩体被分散,立即屈服于面板,和支离破碎的岩石往往填补空虚形成采空区。由于提升step-loading由上层块屈服,岩体刚度的增加逐渐[39]。覆岩保持不变,弯曲对提取的面板(40]。由于岩石的可扩展性,岩体落入面板从原始地层受到侧向力,增加逐渐随着深度的增加,达到最大值的煤柱(41]。边界条件提取的两边的面板是相同的,因此,横向力的大小和方向是完全对称的。在这种情况下,有不同的水平变形岩体,而且它会使对称的表面沉降漏斗(42]。提取附近执行或在悬崖下,采空区上方的侧向力诱导(直接从高原向谷)并不是一个完全相同的力抵消了相反的方向。谷附近的岩体具有更大的水平位移,因此,非对称边坡表面发生沉降漏斗。

地表沉降的大小和形状,这是由采矿作业的情况下平坦的地形,已经被广泛的研究。局部变形和整体不稳定构成更多的不确定因素归因于复杂的地形和倾斜的地形结构。在采矿活动引起的地面沉降研究倾斜的地形还非常有限。几个以前的案例研究大型边坡开采引起的故障包括张家湾崩溃和马达尔滑坡在贵州,中国36),最大的当代山体滑坡和群众运动报道Nattai北部,澳大利亚(43),引起了全球关注采矿活动引起的群众运动,并引发本研究进行。

本研究植根于采动沉陷规则的探索 和 中国贵州省六盘水城市的典型。详细,本研究创新提出9矿业配置阐述矿业平下的变形行为和倾斜的地形挥舞颗粒流的代码,这是应用于软、硬夹层和贴合在山区斜坡上。此外,时间在边坡变形测量的肩膀,随着过渡公寓,倾斜的地形的一部分,提出一个安全的开采范围,这是有意义的采矿作业的风险管理。

3所示。案例研究

3.1。模型开发

贵州省六盘水市,中国,已探明煤炭资源和储量而闻名。西南的城市称为“煤炭海”开发了多级的煤层 地层。2015年,有超过800个煤矿,而超过400滑坡及地面沉降事件已报告,这主要是由不当计划采矿活动引起的。在目前的研究中,一个名叫Jianshanying矿山边坡坡度fa镇上,六盘水市,被选为案例研究。特定的研究区域的地理坐标E104°44 11 和N26°18 20. (数据1和2)。


图1
研究区域的位置。

图2
3 d地形Jianshanying矿业的斜率。

在贵州高原的西部,低山区由于构造侵蚀形成的。通常,陡峭的和温和的结构形成矿业的斜率。大部分的含煤地层位于平坦的地形,在砂岩和泥岩夹层之间的主要位于斜坡地形。Jianshanying表面地形的坡度相当广义简化随后的数值建模过程。三套主要关节被认为在每一个阶层,和一组的地层有相同的趋势。斜率的一般集中在图3。煤和泥岩形成边坡地层相对较弱,但是,没有考虑分层结构的影响。


图3
广义的矿山边坡模型(“ “飞集团和“ “是龙潭组)。

开采斜坡通常倾向于时间失败的地面沉降和边坡滑动的形式44]。矿业经历一个漫长的过程之后,6层煤已经被开采了下Jianshanying矿山边坡形成共有13个矿业板。这些采矿活动对边坡的稳定造成了严重的影响。为了简化分析,本研究只关注与第一层煤开采的影响边坡的不稳定。9个矿业配置不同的水平距离( )从提取面板中心坡肩(与倾斜的地形平坦地形分割的)是集,即D150 = 200−−−,100,−50 m, 0 m, 50米,100米,150米,200米(见图4和表2)。提取每个面板的宽度沿地层倾角方向是150 ~ 250的范围内,当煤层的厚度范围从2到4米的统计数据。提取的面板的宽度和采空区煤层的厚度是固定在200米和6米。上面的配置将系统地研究小组中提取的影响深度,提取中心面板之间的水平距离和斜率的肩膀,和表面地形条件在矿山边坡的不稳定。提取的面板是坐落在一个平坦的地形D≤100−,提取的面板下方倾斜的地形D≥100(图4)。共有29个监视点的水平间隔50米设置数值模型,揭示了边坡表面的变形特性与各种配置。


图4
矿业配置考虑数值模拟。
表2
矿业配置的细节。
3.2。颗粒流的代码

岩体不连续介质,因此,民主党的使用是合理的4]。PFC(颗粒流代码),一个受欢迎的程序基于DEM,被广泛用于模拟岩土质量的宏观特征。土壤/岩石骨料模型作为刚性圆盘(2 d)或球体(3 d),并通过具体的接触模型的等效模型质量指标(45]。PFC采用时间步迭代计算方法(图5)。牛顿第二定律和法律的力和位移不断应用于计算单元的运动状态实时更新,和更新之间的接触力和扭矩单位进一步确定的力-位移关系(46]。


图5
PFC分析的工作流程。

力-位移定律反映了颗粒之间的接触关系,也接触力之间的关系和相对运动。在PFC模型,接触力ball-ball ball-wall可分为正常力和横向力(方程(1))。粒子的移动和旋转不平衡力和不平衡力矩的作用下(方程(2)和(3))。PFC的运动方程是解决使用中心有限差分法与时间步长( )。平移和旋转的加速度( 和 )粒子在任何时候可以得到方程(4)和(5)。平动速度( ),角速度( ),和位移( )粒子的运动可以从方程变换获得(方程(6),(7)和(8))。总结了模型参数表的定义3:

表3
符号的定义。
3.3。岩体参数

颗粒流模拟、岩石和土壤质量的宏观力学行为都是由粒子的微观力学性能,然而,它们之间存在一个高度非线性的关系。一般来说,宏观和微观参数的转换进行了通过双轴压缩测试(47]。最常见的组粉砂岩和泥质粉砂岩是选择参数校准,以避免岩石样本的离散性。获得的应力-应变曲线的PFC仿真没有围压条件下的合理的符合实验室(图6)。粉砂岩和泥质粉砂岩表现出明显的脆性破坏特征。初始平衡重力加载后进行了工程规模模拟的过程,以及位移和速度的增量过程中被清除,因此,应力-应变曲线在压实阶段的一致性是多余的。弹性模量( )和无侧限抗压强度(UCS)从实验室获得的粉砂岩和泥质粉砂岩和PFC如表所示4;此外,其大小值的拟合程度是衡量指数校准。泥岩和煤在该领域有很好的检索与力学性能离散性,阻碍校准的PFC测试。本研究试图把煤和泥岩参数的经验值,并充分挖掘模型模拟与实际情况相比。参数反演方法被用来调整块岩石参数作为实证。


图6
从单轴压缩应力-应变曲线测试(红线:(a, b)代表粉砂岩;黑色线条(c, d):代表泥质粉砂岩。实线从实验室测试结果,而虚线PFC校准试验的结果)。
表4
单轴压缩试验的结果。

岩体的力学参数通常与实验室规模小于完整岩石由于尺寸效应和岩体的不连续48]。实际上,层面的影响和主导关节通常被认为是在模拟,以及等效裂隙岩体技术应用。smooth-joint模型选择平节理模型,在模拟飞机膨胀力学,贫穷,以反映本构关系。此外,smooth-joint模型使双方共同属性范围有限,和一个随机联合成立来验证模型和对应的特征斜率现场。为此,基于实验室力学实验结果,数值模拟标定测试,和等效岩体技术,充分挖掘模型(six-coal-seam挖掘模型)模拟与实际情况相比,使用,确保仿真输出合理符合实际的现场变形(即。在坡脚、发生沉积,存在拉伸裂缝中间的斜坡,和沉降在斜坡的边缘),通过无人机调查(图7)。本文参数与岩石和土壤质量材料和调整参数反演获得的。校准微观岩体的力学参数,是采用PFC Jianshanying矿山边坡的模拟,总结在表5。


图7
比较典型的PFC模拟变形和实际的野外观测。
表5
Microstrength参数用于PFC模拟。

4所示。数值分析的结果

4.1。裂纹扩展的评估

提取的面板中,拉伸裂缝发起覆材料中传播。裂缝主要聚集在边界提取的面板和扩展到表面(49]。显然,拉伸裂缝观察下斜坡的肩膀 m。下面的面板直接提取坡肩( 米);前面的拉伸裂缝发展斜率的肩膀,扩展到倾斜的地形(图8(e))。这些结果暗示,有一个“聚合”坡下的拉伸裂缝扩展的肩膀。


图8
拔煤层后裂纹传播不同的采矿配置。

根据Salmi et al。50),忽略了地层层面的影响在模拟采动沉陷在平坦地形将产生更广泛的但浅沉降槽与现场条件。因此,地层的层理面和关节应该仔细模仿来提高模拟输出(图3)。

上行和下行的和裂缝角度( )是用来描述的相对扰动范围覆岩体。“相对”一词被用来表明,岩层的厚度,上面提取的面板中,没有考虑。低价值的“ ”表示相对扰动范围大,反之亦然(见图9)。提取的面板部分或完全坐落在倾斜的地形;例的相对扰动范围大于那些平坦地形下。与上部裂角减少,后者的沉降槽是更广泛的比前(见图8)。此外,拉伸裂纹的传播在面板中提取边界几乎与所有矿业配置。煤柱的破碎导致的增量的位置之间的距离边界拉伸裂缝和提取的面板的中心,因此改变了裂纹角(图10)。提取的面板的中心定位前坡肩;上行和下行裂隙角度增加之间的差异性。上行裂隙角度达到64°的最小值,和求和角” “达到151°的最小值 ;此外,上面的岩体中提取的面板是最大的干扰。


图9
裂纹角的变化对不同开采配置。

图10
机械采动沉降机制(a)平坦地形和(b)倾斜的地形(改编自41])。
4.2。评估的水平位移

煤炭开采造成重大垂直变形。材料与低紧性和高扩展性的沉陷区,周围地层的横向压缩提取的面板将会增加,导致倾斜的地形的扩张。沉降立即引起横向变形与围岩的约束力量。低围压使侧向变形的影响更加突出(41]。因此,对称和高约束力量使横向变形微不足道的(51]。在倾斜的地形,覆岩体产生侧向约束力量相对较低,不足以抵消膨胀力的岩体崩落到面板。因此,扰动岩体将取代对倾斜的地形(图10)。提取板位于不同的位置;图11显示了侧向变形的岩石质量。上面覆岩体的横向变形提取的面板不对称,与flat-sloping地形模拟。平坦地形下的横向变形低于是倾斜的。提取面板位于靠近倾斜的地形;横向变形加剧,引起了对倾斜的表面露头。


图11
拔煤层后轮廓水平位移与不同的采矿配置。

床上用品的飞机提供了一个适合地层横向运动的路径在平面和倾斜的地形。层面,结合强度低,提供更少的阻力的方向上覆岩层物质运动和因此引起的层间滑动。“锯齿形”水平位移变化区域中可以看到数据11和12。


图12
在地面水平位移为不同采矿配置。

有趣的是,侧向变形对边坡内部观察在泥岩层 ,最大值达到0.98(图12(b))。然而,没有类似的现象在上面的泥岩直接提取的面板(图11)。原位应力释放、坡肩的材料差了也进一步松绑。持有一个更完整和密集的分层结构、粉砂岩和泥质粉砂岩受到粘滑运动沿层理面电阻的横向运动。相反,合力,包括重力、重新分配压力,和材料之间的胶结力,从而导致泥岩的变形。

通过滑动面出现在一个潜在的斜率 m(图11(c))发起的内边界提取的面板,向上延伸到采空区和泥岩薄层,然后从提取的面板的外边界蔓延到脚趾的斜率,导致边坡的整体稳定性。0.4米的水平位移观测到脚趾。

4.3。评价地表沉陷

最大地表沉陷是一贯上方的内在部分提取板在各种矿业配置countertilt斜率。此外,薄表土的倾斜的表面材料最大沉降面积更大,显示的情况下 m(图13(a))。这些结果证明,斜率达到“充分挖掘条件” m。获取地表沉陷的增量在倾斜的地形,最大沉降( )平坦的地形是目前的研究中,这被称为方程(9邹(提出)52)在“充分开采条件”: 在哪里 是下的沉降系数“足够的开采条件,” 开采煤层的厚度, 煤层的倾角。


图13
地面的垂直位移不同采矿配置。

运用岩性综合评价指数 描述岩性对地表沉陷的影响程度(52]: 在哪里 上覆岩层的厚度和吗 是岩体上覆岩层的岩性分类指数。的价值 范围从0到1的第一矿山边坡岩性的硬度。的 值煤层、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩和在本研究设置为0.9,0.8,0.4,和0.05,分别。

根据岩性的综合评价指标 ,沉降系数 “足够的开采条件”下的平坦的地形可以获得以下:

从上面的计算, 5矿业配置 m是3.761米( 米),3.702米( 米),3.436米( 米),3.126米( 米),3.294米( 米)。因此,增加在沉降倾斜的地形较平坦的地形是2.761米,2.822米,3.101米,2.836米,2.424米,分别。

卡纳尔et al。53]建议的比率沉陷岩体上覆岩层的厚度( )可以积极地与我的宽深比( )。在这个研究中,厚度( )和宽度( )分别固定在6米和200米。从矿业的配置结果 总理米显示一致性与et al。53观察),但一个相反的趋势 m(图13)。

4.4。进化的变形斜坡的肩膀

边坡的变形行为的肩膀,从倾斜的地形平坦的地形,都集中在这个研究。M13的监测数据是选择岩体的变形特征斜率的肩膀。数据14- - - - - -17目前的垂直和水平变形特征岩体随着时间的推移,在短期和长期的条件下,分别。以下结果报告分析:(一)短期内(我)同时启动的水平位移和沉降3000时间步的各种矿业配置,这表明,水平位移和沉降发生后提取的面板的形成(2)提取的面板位于坡肩以下( );坡肩的沉降速率和价值高于平坦的地形(b)长期(我)边坡岩体的肩膀显示突出的水平位移(1.23米)和沉降(6.52米) 米和50米(2)稳定所需的时间长肩边坡的变形在平坦地形挖掘(3)最初的岩体边坡的肩膀向内部分和流离失所的水平,随后,流离失所的向外坡面对 m。水平位移行为取决于内部边界的位置提取的面板 m。边坡岩体的肩膀流离失所的水平对斜坡的方向面对 ,50和100。观察或微不足道的价值较低 ,这是相同的情况下 m岩体位移模式的


图14
垂直位移随时间的变化在坡肩不同的采矿配置(短期条件)。

图15
水平位移随时间变化的斜率的肩膀不同的采矿配置(短期条件)。

图16
垂直位移随时间的变化在坡肩不同的采矿配置(长期条件)。

图17
水平位移随时间变化的斜率的肩膀不同的采矿配置(长期条件)。

5。讨论

这项研究调查了采矿活动的力学机制在平坦和倾斜的地形,采场覆岩变形的考虑质量和拉伸裂纹的传播。模型建立了基于典型的采动边坡结构的一个案例研究在中国西南。作者的知识,这是第一个研究报道了PFC的使用分析矿山边坡变形行为,与提取的面板位于各种复杂地形下(即。、平面地形坡肩,和倾斜的地形)。含在边坡岩体的变形特征的肩膀详细进行了研究。上行和下行的和裂缝角度提出了描述岩体上覆岩层的相对扰动范围,合理和安全配置的单层提出在山区采矿业务。

应该注意的是,从目前的研究结果被几个残疾的局限性,如提取面板沿倾斜地层的宽度保持不变,海拔200米,两个相邻的间隔提取所有矿业配置面板是保持在50米。此外,煤炭和泥质粉砂岩的microstrength参数并不来自于单轴压缩模拟的一等兵由于这些限制,地表沉陷之间的功能关系和地质和岩土因素不能完全显示在这个研究。这些问题可以解决,如果未来改进采取如下:(i)设置提取的面板宽度作为一个独立变量和缩短时间间隔,(2)增加样品的数量为煤和泥质粉砂岩和收购力学参数,运用支持向量机(SVM)加上PFC microstrength参数,和(3)设置的数量配置的开采倾斜的地形是5到10倍的独立变量,寻找最大沉降之间的回归关系和地质和岩土工程因素。

6。结论

目前的研究调查了斜坡的变形行为(即不同开采下配置。、水平距离提取面板中心斜率的肩膀, ,100 m, 150−−−50 m, 0 m, 50米,100米,150米,200米)通过挥舞曼宁Jianshanying矿业坡,这是广义的基于实际的现场调查和室内试验数据,水城县、fa镇,贵州省,被选中。基于实验室的机械实验结果,数值模拟标定测试,和等效岩体技术,充分挖掘模型(six-coal-seam挖掘模型)模拟与实际情况相比,使用,确保microstrength岩体和关节的参数的合理性。可以得出以下结论矿业斜坡的变形行为研究在山区温柔anti-incline覆岩层:(我)矿业在山区通常会见边坡不稳定的风险。上覆岩体往往走向倾斜的表面与矿业下倾斜的地形,这带来了一个不对称的沉降漏斗,并组成了一个更广泛的边坡表面的相对扰动范围。特别是,提取面板上方的岩体扰动最大了 米(2)采场覆岩的约束力量群众向山谷减少;矿业在倾斜的地形通常获得较大的沉降(3米)和额外的水平位移比平坦的地形(1.4米)。“锯齿形”水平位移变化区形成的控制与床上用品的飞机(3)仍然是很重要的中心位置提取面板背后斜率的肩膀,变形速率和最终价值之外的岩体边坡的肩膀会大幅增加。此外,提取的边界委员会还应该避免交叉坡肩(例如, )为了防止整体边坡的不稳定

数据可用性

仿真代码和斜率信息用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称,他们没有利益冲突。作者宣称他们没有任何商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

确认

作者要感谢金融支持国家重点实验室的地质灾害预防和Geoenvironment保护(成都理工大学)(批准号SKLGP2017Z016),中国国家自然科学基金(批准号41877273),国家自然科学基金委创新研究群体的中国(批准号41521002),贵州省级地质环境监测机构,fa煤矿。这些支持是感激地承认。