文摘
有很多灾难性的泥石流发生在中国西南岩溶地区近年来。本研究数值模拟天滑坡破坏过程的离散单元法(模拟)。泰森多边形法图算法用于离散化岩石的块的上部矿区,和滑源区的侵蚀造成的强降雨模拟通过增加块密度和减少联合力量。结果使用模拟匹配失败过程记录的无人机,以及沉降监测边坡表面的点与InSAR结果一致。DEM结果如下:首先,地下煤炭开采的作用下,山的上覆地层变形向采空区的变形层和屋顶的屈服层显著增加;和上覆地层的深岩溶裂隙对山的变形有重要影响;上部地层形成一个沿着裂缝沉降区,扩大范围的拉伸裂缝。其次,由于开挖和卸荷岩体的前缘的滑动区域,挤压变形发生外面的斜率,导致滑动的临界不稳定区域。最后,岩体的强度降低和结构由暴雨,飞机的稳定山继续下降,直到滑动区域崩溃。
1。介绍
采动滑坡是一个研究已经关注了100多年(1,2]。连续开采煤炭资源在山区,地下煤炭开采引起的灾难性的泥石流频繁发生,造成大量的经济损失和人员伤亡3- - - - - -10]。采动滑坡的破坏过程和机制正在成为一个日益重要的研究(11- - - - - -13]。
虽然有几个方法来预测岩石煤炭开采引起的运动,如影响函数方法(14,15和物理测试16,17),毫无疑问,数值方法可以揭示失败过程更加全面4,18]。有限元法(FEM)已广泛应用于工程,但它是更适合分析小变形问题而不是大变形问题像山体滑坡19]。另一方面,非连续变形分析(DDA) (20.)和离散单元法(DEM) (21可以模拟块的大变形。做的和吴13和熊等。4)研究了采动岩崩Nattai北部,澳大利亚,使用DDA和DEM的方法,分别验证银两和民主党可以应用于澄清采动滑坡的破坏过程。模拟是一个成熟的民主党软件,验证了崔et al。22),它可以揭示的渐进破坏过程Daguangbao汶川大地震引起的山体滑坡。与此同时,与多哈回合软件相比,泰森多边形法图算法已经成功地应用于模拟不同的边坡破坏类型的稳定性分析(23- - - - - -25]。泰森多边形法图算法,巨石块可以离散成许多小的部分,促进更准确的研究矿业断裂传播和滑动面形成(26]。
此外,滑坡是一个进步的失败的过程,受到一些环境因素的影响。大量的山体滑坡的影响表明,强降雨不应该忽视(18,27,28];仍有一些研究基于DEM的降雨对滑坡的影响。此外,滑坡区域的独特的地质构造和岩溶断裂带的存在会降低源区的滑动阻力,进而增加的复杂性数值方法分析(29日- - - - - -32]。此外,错误也是一种常见的岩石边坡的地质结构(33]。因为破碎岩体断层附近地下岩体的水力特性(渗透率、孔隙度等)34,35强烈影响。当存在断层附近的地下采矿活动,断层在某些情况下对滑坡产生重大影响,导致一些不规则的变形响应。天滑坡引起的地下煤矿在贵州,中国,包括暴雨、错,和复杂的岩溶地质条件,是一个完美的候选人,研究采动滑坡在喀斯特地区强降雨(36]。虽然朱et al。37)使用DAN3D研究天滑坡的刺杀行为,仍缺乏煤炭开采引起的边坡破坏机理分析。
总之,许多研究人员已经使用数值方法和模型试验来研究矿山边坡的破坏过程。除了边坡风化等因素作用,地下采矿,岩溶作用期、岩体结构、岩性,也强烈地受暴雨影响因素,对岩溶斜坡有更强的影响。据我们所知,没有报告采动滑坡考虑岩溶裂隙,错误,和暴雨在一个模型。需要综合考虑上述因素来研究矿山边坡的失稳机理。本文借助泰森多边形法图算法,使用模拟软件模拟天滑坡在采矿工作。在这个数值模型、地面裂缝特征在滑坡是之前,和矿区的分布调查。强降雨引起的边坡侵蚀模拟通过增加滑源区的密度,减少关节的力量。这项研究是揭示天滑坡的破坏机理,以便它可以提供一个参考的评价采动边坡的长期稳定。
2。数据和方法
天的大型滑坡,贵州,中国选择为研究对象。首先,一项调查涉及的基本地质条件进行了解滑坡的机理。其次,进行了详细的实地调查滑坡的岩溶特征和开采区域的分布,进一步阐明了滑坡的破坏机理。最后,利用离散元数值模型研究损伤和促成因素。此外,模型的变形结果验证了InSAR Chen等人提供的数据。38]。
3所示。工程地质条件
3.1。地质背景
天滑坡发生在2017年8月28日,在张家湾镇的一个村庄,Nayong县,贵州,中国(N26 38°04.55 ,E105°2656.14 )(36]。超过5000003岩体从山脊摔倒,造成26人死亡。天的岭滑坡位于其子as 2170。l,山脚下位于1800米a.s.l。研究区有亚热带季风性气候,年平均温度14°C和年降水量略高于1200毫米。
如图1,暴露出研究区构造包括:(1)龙滩上二叠纪的形成(P2l),由粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩、煤层;(2)Changxing-Dalong形成上层二叠纪(P2c + d),由石灰石、泥质灰岩、砂质页岩;(3)夜郎的形成降低三叠纪(T1y),主要由灰岩和泥灰土,少量的砂岩和泥岩。
岩层的发生是180°∠8°,和滑动方向的方向角为320°。现场调查的基础上,有四个在坡体上覆岩体结构的飞机。他们的出现(1)110°∠87°,(2)326°∠86°,(3)140°∠88°和225°(4)∠88°,分别。根据调查,风扇等。36和陈等。38),存在许多长且深的地面裂缝的后缘山2015年之前。
有两个矿区断层F1和F2,有一些对地层的影响和矿区煤层:(1)断层F1接近山的外面,属于正断层,罢工,东北靠南北,下降63°~ 70°,长约1320米;(3)故障F2接近山区,属于逆断层,罢工,东北靠南北,下降70°~ 75°,长约709米。
存在6可开采的煤层在龙潭形成的态度与地层是一致的。从上到下,他们是6号,10号,14号,16号,18号和20号煤层。煤层的倾角通常是7 - 12°。煤层的平均厚度约为1.6米,最大总厚度是9.6米。
根据实地调查结果,天滑坡主要是分为三个领域:源区域(区域图2),侧区(B区图2),积累区域(C区图2)。
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岩体屈服的平均高度在源区(区)约85米,宽约145米,平均厚度约40米,总量 。后墙的上部是一个陡峭medium-thick-thick石灰岩厚度约20米。降低岩体已经崩溃以来,两个凹腔下部的灰岩形成的。上有划痕中下游岩石墙壁,305°的倾向。剪出口附近的岩体主要是粉砂岩和泥灰岩。虽然已经被多个组的结构影响飞机,它仍然保留着一个巨大的块结构。的最大大小岩体在前面和中间的崩溃 。
侧区域主要分布在1920米和2030米的海拔高度。不稳定岩体突然崩溃时,岩石擦伤原来的松散沉积物降低边坡表面的巨大潜力和动能。陡峭的墙面的抓取动作在这个领域撤退约1.5米。侧区域宽约180米,高80米,和侧区域 。
沉积区是一个相对开放的缓坡区之前崩溃。中间的部分沉积面积分布有很多碎石,主要由粉砂岩和泥灰岩。沉积区域的平均长度约575米,宽度是大约360米。据估计,沉积的厚度面积约1.5米,和铲刮在沉积区 。后,一系列的拉伸裂缝的罢工35°生产背后的山(II区在图2)。最大拉伸裂缝长约180米和12米深,开放程度的约34米。
如图3、岩溶特征开发灰岩层顶部的斜率,包括解散蛀牙,解散管和溶蚀裂缝在陡峭的悬崖的墙上。一系列的溶解现象中可以清楚地看到石灰石脊上,包括岩石的溶蚀腔,一系列的小洼地分布在山坡上,积累和石灰岩块的存在。的肩膀的斜率(约2110米),四组的深度开发和大型岩溶裂隙向下(如图1),50 - 80米的深度和宽度的2 - 3米。
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3.2。触发滑坡的因素
3.2.1之上。煤炭开采活动
研究区域的煤矿主要采用斜井开发、走向长壁后退采矿方法用于我的我的,屋顶是由所有崩落法治疗。从2007年到2010年12月,16号煤层主要是在挖掘。从2011年到2012年,煤矿操作被暂停,直到14号煤层2013年11月开始采矿。14号煤层开采后,已于2016年9月10号煤层的开采开始,一直持续到天滑坡发生在2017年8月。同时,10号的宽度和14号矿区90 (1 - 1横截面),14号矿区位于直接低于10号。
3.2.2。强降雨
Nayong县有亚热带季风性气候,年平均气温为13.6°C和年均降水量1243.9毫米。如图5,降雨集中期从5月到8月。2017年6月21日,7月21日,2017年,研究区降雨大幅增加了374毫米(36),进一步恶化的稳定性相对破碎的斜率受采空区,岩溶裂隙、风化。雨水流入斜率与关节和裂缝,加速崩溃和滑动边坡的两个方面:(1)导致岩石和土壤容重的增加,(2)促进边坡裂缝的力学参数的恶化和关节,如切向刚度、抗拉强度、凝聚力和内摩擦角(28]。
4所示。数值模型
二维离散单元代码模拟被广泛用于研究岩石边坡的破坏机制(39]。在这段代码中,块由接触被认为是类似于岩体不连续;岩石块的旋转也可以模拟在这个软件。
4.1。岩体参数和关节
在这个模型中,岩石群众针对摩尔-库仑准则,采用经典的弹塑性理论和接触与残余强度采用莫尔-库仑准则。联系减免时,残余强度参数是用来替换原来的机械参数的接触。仿真的完整岩体的断裂过程可以更准确地恢复边坡的破坏过程,所以泰森多边形法网格划分方法25)是用来使离散块矿区上面,如图6。根据崔研究et al。40),岩体的参数与泰森多边形法网格表中列出1。岩体的参数没有泰森多边形法网格表中列出2。联系人的参数,包括接口和关节,可以在表中找到3。
4.2。DEM模型
DEM模型建立了基于横截面图1。下面的煤层14号煤层开采2011年以前;10号和14号煤层在开采后,2013年11月。然而,山背后的深度和大型骨折都是2013年之前生产的。这意味着,山背后的深层裂缝是由下面的煤矿14号煤层。四个深裂缝数值模型中被认为是为了相当于煤炭开采的影响低于14号煤层,这数值模型在矿业是2013年后的实际情况。除了10号和14号煤层,其他煤层开采了几年来在滑坡之前,所以只有采矿活动的10号和14号煤层进行了分析模型。这四个裂缝是50 ~ 80米深,1.5 ~ 2米宽。14号煤层开采的方式,然后10煤层。每个煤层设置9计算步骤,并且每个计算步骤是10米。 After the two seams are mined, rainfall conditions are applied to the sliding area. Monitoring points P1 and P2 (as shown in Figures1和4卫星监测到了)从2016年9月至2017年8月41]。
(一)
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在这个模型中,上面的层14号煤层由泰森多边形法离散网格,将更有利于研究地层运动和矿山采空区上方的裂纹扩展。的影响岩溶地面上斜率反映通过设置四个深裂缝和减少参数的风化区。在现场调查,发现这四个地面裂缝(在图1)充满了许多馅料,主要包括破碎岩体和溶蚀风化产品。因此,地裂缝的形成主要是通过减少块参数填充参数。数值模型的几何形状和边界条件可以在图中找到6。应该注意的是,A点和B点,分别在滑动区和noncollapsing区来源,和滑动面坐落在A点和B点之间。
5。数值结果
5.1。摇滚运动的特点
如图7(一),14号煤层开采后,屋顶层屈服了,表土沉降盆地的地层向上扩展圆锥形。最大变形冒顶,近1.34。10号煤层开采时(图7 (b)),覆岩层的变形明显增加,形成一个梯状弯曲下沉区,沿着地面裂缝深处,不断滑动。此外,斜率是受影响最严重的前沿。的岩体边坡的坡脚被挤压出来,这对山的稳定性有重要影响。10号煤层的开采增加潜在滑动区域之间的差异变形和稳定的区域。然而,最大位移约为3.95米,大约相同厚度的14号和10号煤层,这表明斜率仍稳定在这个阶段。暴雨后(图7 (c)),沉降差的岩体两侧的地面裂缝深处急剧增加。的最大滑动位移的身体超过6.8 m,定位在较低位置的滑动面。
10号和14号煤层位于约250直接低于山顶。在14号煤层的开采,屋顶材料陷入开采面板;上面的岩层弯曲和变形,导致最大位移为1.34 m。岩体的移动方向的滑源区平行于自由表面的斜率,没有向外挤压(如图8(一个))。然而,岩体滑动源区和故障几乎是横向挤出。10号煤层开采时,上述现象明显加剧,最大动位移为3.96 m,岩石雪崩出现在岩体滑动区域的一部分(图所示8 (b))。暴雨后,边坡处于临界状态的不稳定,和岩体位移滑源区急剧增加,挤出(如图8 (c))。
在图A点和B点6选择分析滑动的时代。点位于潜在滑体,B点位于潜在滑体的背后,有一个深这两个点之间的地面裂缝。因此,潜在滑体的变形过程可以定量描述通过比较A点和B点的相对位移。
从图可以看出9点的水平和垂直位移均大于B点的在煤层开采和强降雨。两个监视点的垂直位移总是大于水平位移在每个阶段。14号煤层开采后,点的水平位移和垂直位移点B的1.6倍和1.5倍,分别为A和B点的位移是没什么不同,和潜在滑动面尚未形成。10号煤层开采时,点的水平位移和垂直位移点B的2.1倍和1.9倍,分别表明潜在的滑动面已经形成。强降雨的作用,水平和垂直位移的比值A和B之间变成了4.2和3.5,分别,这意味着滑动体已经开始滑和斜率的身体已经变得不稳定。
5.2。应力演化的特点
图10显示最大剪应力的分布开采岩溶山区。当14号煤层开采(图10 ()),最大剪应力两端的空隙面积4.5 MPa以上。有一个大规模的应力再分配在采空区上方的岩溶山区。屋顶层打破由于缺乏支持,导致采场覆岩引力质量转移双方的采空区。采空区上方的卸压区出现,加压区形成采空区两侧;加压区延伸到潜在的滑动面。
10号煤层开采后(图10 (b)),最大剪应力增加到4.97 MPa,卸压带的高度也增加了开采煤层的厚度。这表明当开采煤层的厚度并不大,采空区上方的岩层形成复合梁结构上覆负荷。当开采煤层的厚度增加,屋顶层大面积崩溃。复合梁结构打破了由于大跨度,躺在屋顶的岩体屈服。
暴雨后(图10 (c)),由于强度减少上覆岩体的力学参数和关节,剪切应力集中出现在潜在滑动面,这意味着滑动面滑动。
5.3。与InSAR Preevent变形监测
天滑坡,贵州,中国,发生在2017年8月28日,preevent变形恢复了陈et al。41)与多传感器合成孔径雷达(SAR)图像。卫星监测的时间序列数据,从2016年9月到2017年8月;在此期间,只有10号煤层在矿业(如图4)。
分析滑坡的演化变形,变形时间序列在两个点(P1和P2的数字1和4)已被提取出来。应该注意的是,变形监测在视线(LOS)方向,可以检索和垂直变形组件如下(42]: 在哪里是垂直变形组件;和分别是,沿着下行和上行洛杉矶方向的变形组件;和是雷达入射角。根据李的研究等。43),雷达入射角是选为23°。
由于缺少煤层的开采计划,InSAR之间的比较结果和数值结果暴雨后被选中。列出了比较表4(积极的值代表隆起,负值表示沉没)。InSAR监测点P1坐落在源区,和P2坐落在源区。很明显,民主党的天滑坡模型的预测在P1的隆起,但预测的误差点P2是31%。
6。讨论失效机理
岩层裂隙的演化过程引起的地下煤炭开采和暴雨图所示11。代表岩石裂缝的现象更明显,模型的变形是由6倍放大的,也就是说,图中的“变形因素”11。煤层开采后上覆岩层可以被视为梁或板。连续采矿活动,采空区张成的空间越来越大,导致增加的跨中弯矩和剪切力两端的支持。当岩层的应力在最不利位置达到负载极限时,岩层将打破甚至崩溃。14号煤层开采后(图(11日)),地层坍塌的屋顶,屋顶上方的上覆岩层弯曲下沉区出现。有发生当地岩石崩溃前的坡体,形成一个潜在的滑动面。10号煤层开采时(图11 (b))、冒顶区不断扩大和屋顶上方的覆岩层地层持续弯曲、下沉。出现了断层附近的岩层错位,拉伸裂缝斜率,背后和震支座骨折前的斜率,形成一个潜在的滑动边坡的身体。暴雨后(图11 (c)),潜在滑体的变形急剧增加。肩膀的岩体边坡滑下沿地面裂缝深处,中间的岩体边坡坍塌和挤压,斜率是已经不稳定和损坏。
一般来说,基于数值模拟的天滑坡的分析,天滑坡的破坏过程可以概括如下:(1)山的采矿工作在2017年之前严重变形和裂缝的传播,导致深和大裂缝的形成表面的斜率,也更有利于水渗透和解散发展(2)由于叠加开采扰动多个煤层,岩体在坡脚被挤出,采空区岩层在左边的是分开的,和岩石坡桥形成。暴雨使地面裂缝装满水的一部分;岩体逐渐饱和,增加滑动区域的重量和减少关节的力量。沿着深裂缝和变形的斜坡下滑,和较低的岩桥被挤压。斜率有整体倾倒破坏
此外,研究山位于云贵高原,和长期的阳光和温度差异将加速岩体的破碎。这也是一个因素,不能包含在本文的数值模拟。
7所示。结论
本文结合实地调查和数值结果,覆岩的运动特征层和天裂缝滑坡的演化规律进行了研究。岩溶山区的破坏过程和破坏模式崩溃的作用下地下采矿和强降雨。以下主要结论是:(1)煤层开采过程中,斜率经历三个阶段:煤层顶板崩落,表土悬臂张力裂缝和表土整体倾倒和结算。在暴雨之后,源区域开始下滑,整个边坡坍塌的身体。天滑坡的破坏模式由深和大型岩溶裂隙可以概括为滑动、山的前缘挤压拉伸断裂向上传播,崩溃的前沿,和整体倾销(2)煤层开采后,主要表现为采空区两侧加载和卸载在采空区上方。与矿业的持续发展空间,覆岩层断裂和变形,压实的岩体屈服区,也将采空区间隙空间滑动区和深岩溶裂隙(3)长期地下煤层开采行动,喀斯特溶蚀,风化作用使山上呆在一个关键的不稳定状态。降低岩体的机械强度和结构的飞机由暴雨引起崩溃之前天滑坡的直接触发因素
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号52074042)和中国国家重点研发项目(批准号2018 yfc1504802)。